Hardy-Weinberg im virtuellen Labor: Selektion und Gendrift

Aktualisiert am 2026-10-06

Dieses Material zeigt Hardy-Weinberg im virtuellen Labor und folgt der AP-Biology-Untersuchung zur mathematischen Modellierung des Hardy-Weinberg-Gleichgewichts. Im AP-Labor bauen die Lernenden eine Tabellenkalkulation, die Allelfrequenzen Generation für Generation berechnet. Hier übernimmt die Simulation das Rechnen, und die Unterrichtszeit geht in die eigentliche Frage: Was hält eine Population im Gleichgewicht, und was bringt sie heraus? Die Lernenden starten mit einer Population im Gleichgewicht, berechnen Genotypfrequenzen, fügen dann Selektion gegen den rezessiven Phänotyp hinzu und verkleinern die Population, um Gendrift zu sehen. Am Ende haben sie p, q und Genotypdaten für drei Arten von Durchläufen und eine klare Verbindung zwischen jeder Hardy-Weinberg-Bedingung und dem, was passiert, wenn sie verletzt wird. Jede Zahl unten wurde in der Simulation abgelesen.

Hardy-Weinberg-Gleichgewicht, Selektion und Gendrift

Lehrplanbezug

AP Biology: Unit 7 (Natural Selection), Themen 7.4, Populationsgenetik, und 7.5, Hardy-Weinberg-Gleichgewicht (EVO-1), sowie die AP-Untersuchung zur mathematischen Modellierung von Hardy-Weinberg.
NGSS: HS-LS4-3 (US-Standard), mit Statistik und Wahrscheinlichkeit erklären, warum der Anteil von Organismen mit einem vorteilhaften erblichen Merkmal zunimmt.
Simulic ist nicht mit dem College Board verbunden und wird von ihm nicht unterstützt.

In Deutschland passt das Material zur Populationsgenetik und zu den Evolutionsfaktoren in der Oberstufe.

Vor dem Experiment (5 min)

Fragen Sie: „Eine Population von 1000 Individuen startet mit p = 0,6. Es gibt keine Selektion, die Paarung ist zufällig, und die Population ist groß. Wie groß ist p nach 20 Generationen?“ Die Lernenden wählen etwa 0,6, 1,0, 0,5 oder 0 und nennen einen Grund. Auf einem Klassenlink ist das Frage 1; die Simulation wird freigegeben, sobald sie geantwortet haben.

Durchführung in der Simulation

Die Simulation läuft mit 4 Generationen pro Sekunde. Pause hält sie an, Nächste Generation geht einen Schritt weiter, Zurücksetzen startet wieder mit dem Anfangswert von p. Die Schaltfläche Drift ist blau, wenn die zufällige Auswahl der Keimzellen eingeschaltet ist. Stellen Sie die Anfangsfrequenz des Allels p in den Startwerten unter der Simulation ein, N und s mit den Reglern. Der Selektionskoeffizient s wirkt gegen aa: Ihre Fitness ist 1 − s.

Gleichgewicht. p = 0,6, N = 1000, s = 0, Drift aus. Klicken Sie auf Zurücksetzen und lassen Sie die Simulation über Generation 20 hinaus laufen. Notieren Sie p, q und die drei Genotypfrequenzen.
Eine zweite Population. Ändern Sie p auf 0,7 und wiederholen Sie.
Selektion. p = 0,5, s = 1,00 (aa pflanzen sich nie fort), Drift aus. Klicken Sie auf Zurücksetzen. Halten Sie nahe den Generationen 10, 20 und 50 an und notieren Sie jedes Mal die Generationszahl und q.
Gendrift. p = 0,5, N = 20, s = 0, Drift an. Klicken Sie auf Zurücksetzen und lassen Sie bis Generation 100 laufen. Notieren Sie, ob ein Allel verloren ging und in welcher Generation. Wiederholen Sie das fünfmal.
Kontrolle für die Drift. Wiederholen Sie Schritt 4 mit N = 1000.

Lauf	p (Start)	N	s	Drift	Generation
1	0,6	1000	0	aus	20
2	0,7	1000	0	aus	20
3	0,5	1000	1	aus	≈ 10 / 20 / 50
4	0,5	20	0	an	100

Erwartete Ergebnisse

Gleichgewicht. Mit p = 0,6, s = 0 und Drift aus bleibt p in jeder Generation bei 0,600. Die Zeile zeigt 0,360 + 0,480 + 0,160 = 1. Mit p = 0,7 zeigt sie 0,490 + 0,420 + 0,090. Allel- und Genotypfrequenzen ändern sich nicht.

Selektion. Mit s = 1 und p = 0,5 fällt q nach 1 Generation auf 0,333, nach 10 auf 0,083, nach 20 auf 0,045 und nach 50 auf 0,019. In einem Testlauf, angehalten bei Generation 56, war q = 0,017. Der Abfall wird langsamer, weil fast jede Kopie von a in einem heterozygoten Individuum steckt, sobald a selten ist, und dort sieht die Selektion sie nicht.

Drift. Mit N = 20 verlieren die meisten Läufe innerhalb von 100 Generationen ein Allel: in unseren Tests etwa 9 von 10 Läufen, aber jedes Mal in einer anderen Generation. Mit N = 1000 und Drift an schwankt p weiterhin, meist um weniger als 0,1 in 20 Generationen, aber kein Allel geht verloren.

Fragen für die Lernenden

Vorhersage: Wie groß ist p nach 20 Generationen bei p = 0,6, N = 1000, ohne Selektion und mit Drift aus?
Sie vergleichen einen Lauf mit s = 0 und einen Lauf mit s = 0,5. Welche Einstellungen müssen gleich sein?
p = 0,7, s = 0, Drift aus. Wie viele der 1000 Individuen sind heterozygote Träger, berechnet aus der aa-Frequenz?
p = 0,5, s = 1, Drift aus. Wie verändert sich q bis Generation 50?
N = 20, s = 0, Drift an: Erklären Sie, warum in manchen Läufen ein Allel verloren geht, und nennen Sie die verletzte Bedingung.

Antworten für Lehrkräfte:

Etwa 0,6, unverändert.
Anfangswert von p, Populationsgröße N und die Drift-Einstellung.
aa = 0,09, also q = 0,3, p = 0,7 und 2pq = 0,42: 420 Träger (akzeptiert ± 5).
Sie fällt zuerst schnell, dann immer langsamer, und liegt bei Generation 50 noch über null.
Die zufällige Auswahl der Keimzellen in einer kleinen Population verändert p in jeder Generation zufällig, bis ein Allel verloren ist. Verletzt ist die Bedingung einer sehr großen Population.

Häufige Fehlvorstellungen

„Das dominante Allel wird mit der Zeit häufiger.“ Lauf 1: p bleibt bei 0,6. Dominanz verändert keine Allelfrequenzen.
„Selektion entfernt ein schädliches rezessives Allel schnell.“ Selbst wenn aa sich nie fortpflanzen, ist q nach 50 Generationen noch 0,019.
„Drift braucht eine Ursache, etwa eine Katastrophe.“ In Lauf 4 passiert der Population nichts außer Zufall.

Erweiterung

Schwache Selektion. Wiederholen Sie Lauf 3 mit s = 0,5: q ist nach 10 Generationen 0,164 und nach 50 Generationen 0,040, langsamer als mit s = 1.
Populationsgröße. Vergleichen Sie N = 10, 20 und 50 mit Drift an. In unseren Tests ging ein Allel innerhalb von 100 Generationen in etwa 99 %, 89 % und 46 % der Läufe verloren. Sammeln Sie die Läufe der ganzen Klasse und vergleichen Sie.

Häufige Fragen

Warum Drift bei den Gleichgewichtsläufen ausschalten?

Mit Drift an ändert sich p in jeder Generation zufällig ein wenig, selbst mit N = 1000. Ausgeschaltet ergibt sich die ideale, unendlich große Population, die Hardy-Weinberg voraussetzt, sodass alle Lernenden genau p = 0,600 sehen.

Können die Lernenden auch die Tabellenkalkulation bauen?

Ja. Eine gute Reihenfolge ist: zuerst die Simulation laufen lassen, dann eine Tabellenkalkulation mit p' = (p² + pq) ÷ (1 − s·q²) bauen und sie mit dem q der Simulation für Lauf 3 vergleichen.

Modelliert die Simulation Mutation oder Migration?

Nein. Sie modelliert Zufallspaarung, Selektion gegen aa und Gendrift. Besprechen Sie Mutation und Genfluss als die beiden anderen Bedingungen.