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对等位基因的自然选择与适合度

选择是唯一有方向的力量。学习适合度的差异如何使等位基因频率移动,为什么某些选择能让多态性存续,以及突变与选择如何达成平衡。

适合度:是繁殖,而非力量

在本学习阶梯的所有力量中,自然选择是唯一持续把频率推向某个特定方向的。它的引擎是适合度——而适合度无关乎体型大小或凶猛与否。它仅仅指一个基因型相对于其他基因型,预期留下的、能存活并繁殖的后代数量。一个哪怕只是略微提高这个数字的等位基因,也会随时间变得更常见。

我们用选择系数 s 来度量选择:相对适合度为 1 − s 的基因型,留下的后代数量是最佳基因型的 (1 − s) 倍。小的 s(比如 0.01)是温和、缓慢的压力;大的 s 则严酷。即便是极小的系数,经过许多世代的累积,也能把一个等位基因推向高频率乃至固定

Directional selection against a recessive aa, one generation

Start:  p = freq(A) = 0.5,  q = freq(a) = 0.5
Fitness: AA = 1,  Aa = 1,  aa = 1 - s,  with s = 0.2

Genotype   freq    fitness   contribution
  AA       0.25      1.0        0.250
  Aa       0.50      1.0        0.500
  aa       0.25      0.8        0.200
  ------------------------------------------
  mean fitness (w-bar)         = 0.950

New allele freq of a:
  q' = [ (0.50)*(1.0)*0.5 + (0.25)*(0.8) ] / 0.950
     = [ 0.25 + 0.20 ] / 0.950
     = 0.45 / 0.950
     = 0.4737

q fell from 0.500 to 0.474 in a single generation.
对隐性基因的选择每代都降低 q——起初快,随后变慢。

当选择反而保存变异时

选择并不总是清除等位基因。平衡选择会主动*维持*一种多态性。经典案例是杂合子优势:当 Aa 杂合子比任一纯合子都更适应时,选择会把 A 和 a 都保留在基因库中,因为消除任何一方都会减少受青睐的杂合子的来源。

教科书式的例子是镰状细胞病:在疟疾曾经常见的地区,携带者(一个镰状等位基因、一个正常的)获得部分抗疟能力,而拥有两个镰状等位基因则会引起严重疾病。因此选择把镰状等位基因维持在中等频率,而非将其清除——这是一个发人深省的例子,说明一种以某种形式有害的等位基因,会因为另一种形式有助于生存而得以存续。

突变–选择平衡

如果选择每一代都清除一个有害等位基因,为什么仍然存在有害等位基因?因为突变不断地重新产生它。突变–选择平衡是这样一种稳态:突变产生新的有害等位基因的速率,恰好抵消选择清除它们的速率。该等位基因永远不会消失;它稳定在一个很低的平衡频率上。