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.原載於科學月刊第十三卷第十期 .作者當時任教於國立交通大學應用數學系 | ||
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Hardy-Weinberg 定律
族群遺傳學的基石 許世壁 |
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族群遺傳學 (population genetics) 是一門連接孟德爾定律 (Mendelian law) 及達爾文演化論的學科,它的特色是利用數學的方法來研究受到選擇 (selection)、突變 (mutation)、遷移 (migration)、近親交配 (imbreeding) 及其他因素影響下的族群基因結構 (gene structure)。它肯定了數學在生物學上的角色,而且是被公認為數學應用在生物學上唯一的成功例子。本文最主要的目的,是介紹它的最基本定律:Hardy-Weinberg 定律。
本定律有三個基本假設: 一、我們考慮的族群 (population) 必須是一個隨機交配的族群 (random mating population),而且族群必須大到可以忽略突變等隨機因素。譬如討論血型、色盲時,我們可以假設住在台灣的居民是一個隨機交配的族群,可是當考慮高矮膚色等因素時,這個假設就無法適用。在 Hardy-Weinberg 定律�堙A這是一個非常重要的假設。 二、族群�堛漸耵咩′陘G元體 (diploid population),而且無性別之分。我們假設在基因座 (locus) 上有兩個對位基因 (allele) A 及 a,因此族群�埵酗T種可能的基因型 (genotype) AA、Aa、aa,而其頻率(即百分比)分別為P、2Q、R,P+2Q+R=1。後文我們將會對此一假設予以適當的修正。 三、假設代代不重合 (nonoverlap generation)。換句話說,我們假設第一代在第二代到達生育年齡之前死亡,或者考慮問題時不把第一代算在內。 在假設一、二、三、之下,由簡單的孟德爾定律,我們得到下列結果:
現令 P'、2Q'、R' 分別為 AA、Aa、aa 的第二代頻率,由上述表格,我們得知
因此,AA、Aa、aa 等基因型的頻率在第二代以後就保持不變。而且在第二代時,我們就有下列關係式
如果一個族群在第一代就滿足
則不僅在第二代之後基因型之頻率不變,而且可得知
一個族群如果滿足(5)式,則我們稱其基因型到達「Hardy-Weinberg」平衡。若 Q2=PR,由於我們有 P+2Q+R=1 之關係式,因此事實上我們只有一個變數。通常我們為了方便起見,令 p=P+Q,稱 p 為基因 A 之頻率,而 q=1-p 為基因 a 之頻率。在族群遺傳學�堙C我們只考慮基因頻率的變化,而不考慮基因型頻率之變化。這並非基因型之頻率不重要,而是由於數學上的處理非常困難。譬如說,我們考慮一個二元體的族群,每個個體上有 100 個基因座,則一共有 3100 個不同的基因型。如果單只考慮基因頻率的話,則我們只有 100 個獨立變數。雖然用此方法可以簡化很多數學上的複雜性,可是也失去了很多有關基因型頻率上的資料,因為它們無法單單只從基因頻率得知。 綜合以上的討論,讓我們敘述下列由哈迪 (Hardy) 及維恩堡 (Weinberg) 在1908年分別發現的定理: 在一、二、三、的假設下,令一個族群基因型 AA、Aa、aa 之頻率分別為 P、2Q、R,P+2Q+R=1。經過一代的隨機交配後,我們得到一個穩定的基因型頻率 p2、2pq、q2,p=P+Q, q=Q+R。如果 P=p2、2Q=2pq、R=q2,則其基因型頻率永遠保持不變。 Hardy-Weinberg 定律雖然說明了如果(5)式成立,則我們只需考慮一個變數 p,而不必考慮 (P,Q)。但是最重要的,是在說明如果沒有外力,譬如選擇,則其基因型的頻率會一直很穩定。
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上文中我們按正統的方法導出 Hardy-Weinberg 定律。但由於往後的數學會越變複雜,所以我們在此提出一個比較快的方法。假設在交配的過程中每個個體從「父母」各接受一個基因,因此基因 A 之頻率為 p=P+Q,而基因 a 之頻率為 q=Q+R,則下一代 AA 之頻率為 p2,而 Aa、aa 則分別為 2pq、q2。
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| 編輯:黃信元 | 最後修改日期:2/17/2002 |