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生物學 1908

混合群體中的孟德爾比例

G. H. 哈代

一行代數:單憑遺傳,群體的基因比例自然保持平衡。

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In depth · the introduction

一位純數學家,用一行代數了結了一場生物學爭論:只要不去打擾,一個群體的基因構成就只是原地不動。

核心想法

每個基因都有不同的版本,叫做等位基因——比如 A 和 a。在一個群體裡,所有副本中有一部分是 A,其餘是 a,把這兩個比例記作 p 和 q。哈代證明:如果個體隨機配對,那麼 AA、Aa、aa 這三種基因型的比例,會立刻落定為 p²、2pq 和 q²,此後不會自行漂移。常見的基因依舊常見,稀有的依舊稀有。所謂「顯性」,並不會讓某個版本佔據上風。

它是如何誕生的

1908 年,遺傳學家雷金納德·龐尼特,被統計學家烏德尼·尤爾的一個問題難住了:如果一個顯性性狀會遺傳下去,它難道不該逐漸擴散,直到四個人裡有三個都帶有它嗎?龐尼特把這道謎題,帶給了他在劍橋的板球搭檔、數學家 G. H. 哈代。哈代幾分鐘就看出了答案,匆匆寫下半頁紙的信,寄給《科學》雜誌,還為自己「插嘴」一個他自稱一無所知的領域而致歉。他並不知道,一位德國醫生威廉·溫伯格,已在同年稍早發表了完全相同的結果——這正是我們如今稱之為哈代–溫伯格定律的緣由。

它為何重要

在哈代之前,許多人擔心顯性性狀會慢慢吞沒隱性、使其滅絕——這種憂慮,曾餵養了關於遺傳的一些醜陋爭論。他的代數表明:根本沒有這樣一種力量;單憑遺傳,什麼都不會改變。於是它成了群體遺傳學那個固定的參照點。每當真實數據中的基因型數目對不上 p²:2pq:q²,生物學家就知道:必有某種真實的力量——自然選擇、近交、遷移——正在起作用,於是動身去尋找它。

一個可以想像的畫面

想像一只巨大的彈珠袋,其中比例為 p 的是藍珠(A),其餘是白珠(a)。每造一個新個體,你就隨機抓出兩顆。兩顆都藍的概率是 p × p,都白的是 q × q,一藍一白的是 2 × p × q——這就是 p²:2pq:q² 的全部含義。而關鍵在於:抓彈珠並不會給它們重新上色;下一次,袋裡藍珠的比例依舊不變。無論彈珠如何配對,基因庫的構成都被守恆。

一個單位方塊,兩條邊都在等位基因頻率 p 處分開,於是四塊面積就是基因型頻率 p²(AA)、2pq(兩塊 Aa)與 q²(aa);拖動滑桿改變 p,各面積與百分比一同更新。

它的位置

孟德爾(1866)已經表明,性狀來自一個個離散的因子,而一次雜交會給出 3:1 的比例;危險之處在於,把這個比例誤當成一條關於整個群體的定律。哈代與溫伯格糾正了這一跳躍。他們那個靜態的平衡,隨後成了費希爾、霍爾丹與賴特的起跳板——在 1920 至 30 年代,他們為它加上選擇、突變與偶然,把孟德爾的遺傳學與達爾文的自然選擇,熔合成現代演化論。

The original document
Original source text
G. H. Hardy · Science, n.s., 28 (1908): 49–50
To the Editor of Science: I am reluctant to intrude in a discussion concerning matters of which I have no expert knowledge, and I should have expected the very simple point which I wish to make to have been familiar to biologists.
However, some remarks of Mr. Udny Yule, to which Mr. R. C. Punnett has called my attention, suggest that it may still be worth making.
Suppose that Aa is a pair of Mendelian characters, A being dominant, and that in any given generation the number of pure dominants (AA), heterozygotes (Aa), and pure recessives (aa) are as p:2q:r.
A little mathematics of the multiplication-table type is enough to show that in the next generation the numbers will be as (p+q)²:2(p+q)(q+r):(q+r)², or as p₁:2q₁:r₁, say.
It is easy to see that the condition for this is q² = pr.
[ … ]
There is not the slightest foundation for the idea that a dominant character should show a tendency to spread over a whole population, or that a recessive should tend to die out.
G. H. Hardy · Trinity College, Cambridge