5 Bedingungen für das Hardy-Weinberg-Gleichgewicht

Godfrey Hardy vom Hardy-Weinberg-Prinzip.

Hulton Deutsch / Mitwirkender / Corbis Historical / Getty Images

Einer der wichtigsten Grundsätze der Populationsgenetik , die Untersuchung der genetischen Zusammensetzung und der Unterschiede in Populationen, ist die Hardy-Weinberg-Gleichgewichtsprinzip . Auch beschrieben als Genetisches Gleichgewicht , gibt dieses Prinzip die genetischen Parameter für eine Population an, die sich nicht entwickelt. In einer solchen Population genetische Variation und natürliche Auslese nicht auftreten und die Bevölkerung keine Veränderungen erfährt Genotyp und Allele Frequenzen von Generation zu Generation.

Die zentralen Thesen

• Godfrey Hardy und Wilhelm Weinberg postulierten Anfang des 20. Jahrhunderts das Hardy-Weinberg-Prinzip. Es sagt sowohl Allel- als auch Genotyphäufigkeiten in Populationen (sich nicht entwickelnde) voraus.
• Die erste Bedingung, die für das Hardy-Weinberg-Gleichgewicht erfüllt sein muss, ist das Fehlen von Mutationen in einer Population.
• Die zweite Bedingung, die für das Hardy-Weinberg-Gleichgewicht erfüllt sein muss, ist kein Genfluss in einer Population.
• Die dritte Bedingung, die erfüllt sein muss, ist, dass die Populationsgröße ausreichend sein muss, damit es nicht zu einer genetischen Drift kommt.
• Die vierte Bedingung, die erfüllt sein muss, ist die zufällige Paarung innerhalb der Population.
• Schließlich erfordert die fünfte Bedingung, dass keine natürliche Auslese stattfinden darf.

Hardy-Weinberg-Prinzip

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Hardy-Weinberg-Prinzip. CNX OpenStax/Wikimedia Commons/CC BY Zuordnung 4.0

Das Hardy-Weinberg-Prinzip wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von dem Mathematiker Godfrey Hardy und dem Arzt Wilhelm Weinberg entwickelt. Sie konstruierten ein Modell zur Vorhersage von Genotyp- und Allelhäufigkeiten in einer sich nicht entwickelnden Population. Dieses Modell basiert auf fünf Hauptannahmen oder Bedingungen, die erfüllt sein müssen, damit eine Population im genetischen Gleichgewicht existiert. Diese fünf Hauptbedingungen lauten wie folgt:

Mutationenmuss nicht auftreten, um neue Allele in die Bevölkerung einzuführen.Nö Genfluss kann auftreten, um die Variabilität im Genpool zu erhöhen.
1. Ein sehr große Bevölkerung Größe ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die Allelfrequenz nicht durch genetische Drift verändert wird.
Paarungmuss in der Bevölkerung zufällig sein.Natürliche Auslesemuss nicht auftreten, um Genfrequenzen zu verändern.

Die Bedingungen, die für das genetische Gleichgewicht erforderlich sind, werden idealisiert, da wir sie in der Natur nicht alle gleichzeitig auftreten sehen. Als solche findet Evolution in Populationen statt. Basierend auf den idealisierten Bedingungen entwickelten Hardy und Weinberg eine Gleichung zur Vorhersage genetischer Ergebnisse in einer sich nicht entwickelnden Population im Laufe der Zeit.

Diese Gleichung, p^zwei+ 2pq + q^zwei= 1 , ist auch als bekannt Hardy-Weinberg-Gleichgewichtsgleichung .

Es ist nützlich, um Änderungen der Genotyphäufigkeiten in einer Population mit den erwarteten Ergebnissen einer Population im genetischen Gleichgewicht zu vergleichen. In dieser Gleichung p^zwei stellt die vorhergesagte Häufigkeit von dar homozygot dominierende Individuen in einer Population, 2 pq stellt die vorhergesagte Häufigkeit von dar heterozygot Einzelpersonen und q^zwei stellt die vorhergesagte Häufigkeit von homozygot rezessiven Personen dar. Bei der Entwicklung dieser Gleichung haben sich Hardy und Weinberg erweitert Prinzipien der Mendelschen Genetik der Vererbung an die Populationsgenetik.

Mutationen

Genetische Mutation. BlackJack3D/E+/Getty Images

Eine der Bedingungen, die für das Hardy-Weinberg-Gleichgewicht erfüllt sein müssen, ist das Fehlen von Mutationen in einer Population. Mutationen sind dauerhafte Veränderungen in der Gensequenz von DNS . Diese Änderungen verändern sich Gene und Allele, die zu einer genetischen Variation in einer Population führen. Obwohl Mutationen Veränderungen im Genotyp einer Population hervorrufen, können sie beobachtbare oder nicht hervorrufen phänotypische Veränderungen . Mutationen können einzelne Gene oder ganze Gene betreffen Chromosomen . Genmutationen treten typischerweise als beide auf Punktmutationen oder Basenpaar-Insertionen/Deletionen . Bei einer Punktmutation wird eine einzelne Nukleotidbase verändert, wodurch die Gensequenz verändert wird. Basenpaar-Insertionen/-Deletionen verursachen Frame-Shift-Mutationen, bei denen der Frame, aus dem die DNA abgelesen wird, während Proteinsynthese verschoben ist. Dies führt zu einer fehlerhaften Produktion Proteine . Diese Mutationen werden an nachfolgende Generationen weitergegeben DNA Replikation .

Chromosomenmutationen kann die Struktur eines Chromosoms oder die Anzahl der Chromosomen in einer Zelle verändern. Strukturelle Chromosomenveränderungen als Folge von Duplikationen oder Chromosomenbrüchen auftreten. Sollte ein DNA-Stück von einem Chromosom getrennt werden, kann es sich an eine neue Position auf einem anderen Chromosom verschieben (Translokation), es kann sich umkehren und wieder in das Chromosom eingefügt werden (Inversion) oder es kann dabei verloren gehen Zellteilung (Streichung). Diese strukturellen Mutationen verändern Gensequenzen auf chromosomaler DNA, wodurch Genvariationen entstehen. Chromosomenmutationen treten auch aufgrund von Änderungen der Chromosomenzahl auf. Dies resultiert üblicherweise aus einem Chromosomenbruch oder aus dem Versagen von Chromosomen, sich während der Chromosomenstörung korrekt zu trennen (Nicht-Disjunktion). Meiose oder Mitose .

Genfluss

Wandernde kanadische Gänse. sharply_done/E+/Getty Images

Beim Hardy-Weinberg-Gleichgewicht darf kein Genfluss in der Population stattfinden. Genfluss , oder Genmigration auftritt, wenn Allelfrequenzen bei einer Populationsveränderung, wenn Organismen in die Population hinein oder aus ihr heraus migrieren. Durch die Migration von einer Population zu einer anderen werden neue Allele in einen bestehenden Genpool eingeführtsexuelle Fortpflanzungzwischen Angehörigen der beiden Populationen. Der Genfluss hängt von der Migration zwischen getrennten Populationen ab. Organismen müssen in der Lage sein, lange Strecken zurückzulegen oder Barrieren (Berge, Ozeane usw.) zu überwinden, um an einen anderen Ort zu migrieren und neue Gene in eine bestehende Population einzuführen. In nicht-mobilen Pflanzenpopulationen, wie z Angiospermen , Genfluss kann als auftreten Pollen wird vom Wind oder von Tieren an entfernte Orte getragen.

Auch Organismen, die aus einer Population auswandern, können Genfrequenzen verändern. Das Entfernen von Genen aus dem Genpool reduziert das Auftreten bestimmter Allele und verändert ihre Häufigkeit im Genpool. Einwanderung bringt genetische Variation in eine Bevölkerung und kann der Bevölkerung helfen, sich an Umweltveränderungen anzupassen. Zuwanderung erschwert aber auch eine optimale Anpassung in einem stabilen Umfeld. Das Auswanderung von Genen (Genfluss aus einer Population) könnte die Anpassung an eine lokale Umgebung ermöglichen, aber auch zum Verlust der genetischen Vielfalt und möglicherweise zum Aussterben führen.

Genetische Drift

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Gendrift / Populationsengpass-Effekt. OpenStax, Rice University/Wikimedia Commons/ CC-BY 4.0

Eine sehr große Bevölkerung, einer von unendlicher Größe , wird für das Hardy-Weinberg-Gleichgewicht benötigt. Diese Bedingung ist erforderlich, um die Auswirkungen von zu bekämpfen genetische Drift . Genetische Drift wird als zufällige und nicht durch natürliche Selektion bedingte Veränderung der Allelhäufigkeiten einer Population beschrieben. Je kleiner die Population, desto größer die Auswirkungen der genetischen Drift. Dies liegt daran, dass je kleiner die Population ist, desto wahrscheinlicher werden einige Allele fixiert und andere werden es ausgestorben . Das Entfernen von Allelen aus einer Population verändert die Allelhäufigkeiten in der Population. Es ist wahrscheinlicher, dass Allelhäufigkeiten in größeren Populationen aufrechterhalten werden, da Allele in einer großen Anzahl von Individuen in der Population vorkommen.

Gendrift entsteht nicht durch Anpassung, sondern entsteht zufällig. Die Allele, die in der Population bestehen, können für die Organismen in der Population entweder hilfreich oder schädlich sein. Zwei Arten von Ereignissen fördern die genetische Drift und eine extrem geringere genetische Vielfalt innerhalb einer Population. Der erste Ereignistyp ist als Bevölkerungsengpass bekannt. Engpasspopulationen aus einem Bevölkerungsabsturz resultieren, der aufgrund eines katastrophalen Ereignisses auftritt, das die Mehrheit der Bevölkerung auslöscht. Die überlebende Population hat eine begrenzte Vielfalt an Allelen und eine reduzierte gen Pool aus denen man ziehen kann. Ein zweites Beispiel für genetische Drift wird in dem beobachtet, was als bekannt ist Gründereffekt . In diesem Fall trennt sich eine kleine Gruppe von Individuen von der Hauptpopulation und gründet eine neue Population. Diese koloniale Gruppe hat nicht die vollständige Allelrepräsentation der ursprünglichen Gruppe und wird unterschiedliche Allelfrequenzen in dem vergleichsweise kleineren Genpool haben.

Zufällige Paarung

Schwanenwerbung. Andy Rouse/Photolibrary/Getty Images

Zufällige Paarung ist eine weitere Bedingung für das Hardy-Weinberg-Gleichgewicht in einer Population. Bei der zufälligen Paarung paaren sich Individuen ohne Präferenz für ausgewählte Merkmale ihres potenziellen Partners. Um das genetische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, muss diese Paarung auch zur Produktion der gleichen Anzahl von Nachkommen für alle Weibchen in der Population führen. Nicht zufällig Die Paarung wird in der Natur häufig durch sexuelle Selektion beobachtet. Im sexuelle Selektion , wählt ein Individuum einen Partner basierend auf Merkmalen, die als vorzuziehen angesehen werden. Merkmale wie bunte Federn, rohe Kraft oder große Geweihe weisen auf eine höhere Fitness hin.

Weibchen sind bei der Partnerwahl wählerischer als Männchen, um die Überlebenschancen ihrer Jungen zu verbessern. Nicht-zufällige Paarung verändert die Allelhäufigkeiten in einer Population, da Personen mit den gewünschten Merkmalen häufiger zur Paarung ausgewählt werden als solche ohne diese Merkmale. In einigen Spezies , nur ausgewählte Individuen können sich paaren. Über Generationen hinweg werden Allele der ausgewählten Individuen häufiger im Genpool der Population vorkommen. Als solche trägt die sexuelle Selektion dazu bei Bevölkerungsentwicklung .

Natürliche Auslese

Dieser rotäugige Laubfrosch ist gut an das Leben in seinem Lebensraum in Panama angepasst. Brad Wilson, DVM/Moment/Getty Images

Damit eine Population im Hardy-Weinberg-Gleichgewicht existiert, darf keine natürliche Selektion stattfinden. Natürliche Auslese ist ein wichtiger Faktor bei biologische Evolution . Wenn natürliche Auslese stattfindet, sind Individuen in einer Population die Besten an ihre Umgebung angepasst überleben und mehr Nachkommen hervorbringen als Individuen, die nicht so gut angepasst sind. Dies führt zu einer Veränderung der genetischen Ausstattung einer Population, da günstigere Allele an die gesamte Population weitergegeben werden. Die natürliche Selektion verändert die Allelfrequenzen in einer Population. Diese Veränderung ist nicht zufällig, wie es bei der genetischen Drift der Fall ist, sondern das Ergebnis von Umweltanpassungen.

Die Umgebung legt fest, welche genetischen Variationen günstiger sind. Diese Schwankungen treten als Ergebnis mehrerer Faktoren auf. Genmutation, Genfluss und genetische Rekombination während der sexuellen Fortpflanzung sind alles Faktoren, die Variationen und neue Genkombinationen in eine Population einführen. Von der natürlichen Selektion begünstigte Merkmale können durch ein einzelnes Gen oder durch viele Gene bestimmt werden ( polygene Merkmale ). Beispiele für natürlich ausgewählte Merkmale sind die Blattmodifikation in Fleischfressende Pflanzen , Blattähnlichkeit bei Tieren , und Abwehrmechanismen des adaptiven Verhaltens, wie z tot spielen .

Quellen

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