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生物学 1908

混合群体中的孟德尔比例

G. H. 哈代

一行代数:单凭遗传,群体的基因比例自然保持平衡。

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In depth · the introduction

一位纯数学家,用一行代数了结了一场生物学争论:只要不去打扰,一个群体的基因构成就只是原地不动。

核心想法

每个基因都有不同的版本,叫做等位基因——比如 A 和 a。在一个群体里,所有副本中有一部分是 A,其余是 a,把这两个比例记作 p 和 q。哈代证明:如果个体随机配对,那么 AA、Aa、aa 这三种基因型的比例,会立刻落定为 p²、2pq 和 q²,此后不会自行漂移。常见的基因依旧常见,稀有的依旧稀有。所谓「显性」,并不会让某个版本占据上风。

它是如何诞生的

1908 年,遗传学家雷金纳德·庞尼特,被统计学家乌德尼·尤尔的一个问题难住了:如果一个显性性状会遗传下去,它难道不该逐渐扩散,直到四个人里有三个都带有它吗?庞尼特把这道谜题,带给了他在剑桥的板球搭档、数学家 G. H. 哈代。哈代几分钟就看出了答案,匆匆写下半页纸的信,寄给《科学》杂志,还为自己「插嘴」一个他自称一无所知的领域而致歉。他并不知道,一位德国医生威廉·温伯格,已在同年稍早发表了完全相同的结果——这正是我们如今称之为哈代–温伯格定律的缘由。

它为何重要

在哈代之前,许多人担心显性性状会慢慢吞没隐性、使其灭绝——这种忧虑,曾喂养了关于遗传的一些丑陋争论。他的代数表明:根本没有这样一种力量;单凭遗传,什么都不会改变。于是它成了群体遗传学那个固定的参照点。每当真实数据中的基因型数目对不上 p²:2pq:q²,生物学家就知道:必有某种真实的力量——自然选择、近交、迁移——正在起作用,于是动身去寻找它。

一个可以想象的画面

想象一只巨大的弹珠袋,其中比例为 p 的是蓝珠(A),其余是白珠(a)。每造一个新个体,你就随机抓出两颗。两颗都蓝的概率是 p × p,都白的是 q × q,一蓝一白的是 2 × p × q——这就是 p²:2pq:q² 的全部含义。而关键在于:抓弹珠并不会给它们重新上色;下一次,袋里蓝珠的比例依旧不变。无论弹珠如何配对,基因库的构成都被守恒。

一个单位方块,两条边都在等位基因频率 p 处分开,于是四块面积就是基因型频率 p²(AA)、2pq(两块 Aa)与 q²(aa);拖动滑块改变 p,各面积与百分比一同更新。

它的位置

孟德尔(1866)已经表明,性状来自一个个离散的因子,而一次杂交会给出 3:1 的比例;危险之处在于,把这个比例误当成一条关于整个群体的定律。哈代与温伯格纠正了这一跳跃。他们那个静态的平衡,随后成了费希尔、霍尔丹与赖特的起跳板——在 1920 至 30 年代,他们为它加上选择、突变与偶然,把孟德尔的遗传学与达尔文的自然选择,熔合成现代演化论。

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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