プリンキピア

第19章集団の進化

Hardy-Weinberg Principle of Equilibriumハーディー・ワインベルグの平衡の原理

In the early twentieth century, English mathematician Godfrey Hardy and German physician Wilhelm Weinberg stated the principle of equilibrium to describe the population's genetic makeup. The theory, which later became known as the Hardy-Weinberg principle of equilibrium, states that a population’s allele and genotype frequencies are inherently stable—unless some kind of evolutionary force is acting upon the population, neither the allele nor the genotypic frequencies would change. The Hardy-Weinberg principle assumes an infinitely large population and conditions with no mutations, migration, emigration, or selective pressure for or against genotype. While no population can satisfy those conditions, the principle offers a useful model against which to compare real population changes.
英語のヒント
20世紀初頭、イギリスの数学者ゴッドフリー・ハーディーとドイツの医師ヴィルヘルム・ワインベルグは、個体群の遺伝的構成を説明する平衡の原理を示した。後にハーディー・ワインベルグの平衡の原理と呼ばれるようになったこの理論によると、個体群の対立遺伝子頻度と遺伝子型頻度は本来安定している。つまり、何らかの進化の力が個体群に作用していなければ、どちらの頻度も変わらない。ハーディー・ワインベルグの原理は、個体群が無限に大きく、変異、移住、移出、または特定の遺伝子型を有利あるいは不利にする選択圧がないことを仮定する。この条件を満たせる個体群は存在しないが、この原理は、実際の個体群の変化と比較するための有用なモデルを与える。
Working under this theory, population geneticists represent different alleles as different variables in their mathematical models. The variable p, for example, often represents the frequency of a particular allele, say Y for the trait of yellow in Mendel’s peas, while the variable q represents the frequency of y alleles that confer the color green. If these are the only two possible alleles for a given locus in the population, p + q = 1. In other words, all the p alleles and all the q alleles comprise all of the alleles for that locus in the population.
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この理論に基づき、集団遺伝学者は数学モデルの中で、異なる対立遺伝子を異なる変数で表す。たとえば変数pは、特定の対立遺伝子の頻度を表すことが多い。メンデルのエンドウの黄色という形質について、Yの頻度を表すとしよう。一方、変数qは緑色をもたらす対立遺伝子yの頻度を表す。個体群内のある遺伝子座に存在しうる対立遺伝子がこの2種類だけなら、p + q = 1となる。言い換えると、pで表される対立遺伝子のすべてと、qで表される対立遺伝子のすべてを合わせれば、その個体群のその遺伝子座にある対立遺伝子の全体になる。
However, what ultimately interests most biologists is not the frequencies of different alleles, but the frequencies of the resulting genotypes, known as the population’s genetic structure, from which scientists can surmise phenotype distribution. If we observe the phenotype, we can know only the homozygous recessive allele's genotype. The calculations provide an estimate of the remaining genotypes. Since each individual carries two alleles per gene, if we know the allele frequencies (p and q), predicting the genotypes' frequencies is a simple mathematical calculation to determine the probability of obtaining these genotypes if we draw two alleles at random from the gene pool. In the above scenario, an individual pea plant could be pp (YY), and thus produce yellow peas; pq (Yy), also yellow; or qq (yy), and thus produce green peas (Figure 19.2). In other words, the frequency of pp individuals is simply p2; the frequency of pq individuals is 2pq; and the frequency of qq individuals is q2. Again, if p and q are the only two possible alleles for a given trait in the population, these genotypes frequencies will sum to one: p2 + 2pq + q2 = 1.
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しかし、多くの生物学者が最終的に関心をもつのは、異なる対立遺伝子の頻度ではなく、その組み合わせによって生じる遺伝子型の頻度である。これは個体群の遺伝構造と呼ばれ、科学者はここから表現型の分布を推測できる。表現型を観察するだけでは、劣性ホモ接合の遺伝子型しか判別できない。計算によって、残りの遺伝子型を推定する。各個体は1つの遺伝子につき2つの対立遺伝子をもつ。そのため、対立遺伝子頻度pとqが分かっていれば、遺伝子型頻度の予測は、遺伝子プールから対立遺伝子を無作為に2つ取り出したときに各遺伝子型を得る確率を求める、簡単な計算になる。上の例では、エンドウの個体はpp(YY)なら黄色の豆を作り、pq(Yy)でも黄色の豆を作り、qq(yy)なら緑色の豆を作る(図19.2)。言い換えると、pp個体の頻度は単にp2、pq個体の頻度は2pq、qq個体の頻度はq2である。ここでも、個体群内のある形質について可能な対立遺伝子がpとqの2つだけであれば、これらの遺伝子型頻度の合計は1になる。すなわち、p2 + 2pq + q2 = 1である。
In theory, if a population is at equilibrium—that is, there are no evolutionary forces acting upon it—generation after generation would have the same gene pool and genetic structure, and these equations would all hold true all of the time. Of course, even Hardy and Weinberg recognized that no natural population is immune to evolution. Populations in nature are constantly changing in genetic makeup due to drift, mutation, possibly migration, and selection. As a result, the only way to determine the exact distribution of phenotypes in a population is to go out and count them. However, the Hardy-Weinberg principle gives scientists a mathematical baseline of a non-evolving population to which they can compare evolving populations and thereby infer what evolutionary forces might be at play. If the frequencies of alleles or genotypes deviate from the value expected from the Hardy-Weinberg equation, then the population is evolving.
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理論上、個体群が平衡にあるなら、すなわち進化の力が作用していなければ、世代を重ねても同じ遺伝子プールと遺伝構造が保たれ、これらの式は常に成り立つ。もちろん、ハーディーとワインベルグ自身も、進化の影響を免れる自然個体群はないと認識していた。自然界の個体群の遺伝的構成は、浮動、変異、場合によっては移住、そして選択によって絶えず変わっている。したがって、個体群内の表現型の正確な分布を知る唯一の方法は、実際に出向いて数えることである。しかし、ハーディー・ワインベルグの原理は、進化していない個体群の数学的な基準を与える。科学者は進化中の個体群をその基準と比べ、どのような進化の力が働いているかを推測できる。対立遺伝子や遺伝子型の頻度が、ハーディー・ワインベルグの式から予測される値を外れていれば、その個体群は進化している。