Praktikum Virtual Hardy–Weinberg: Seleksi & Hanyutan Genetik

Praktikum virtual Hardy–Weinberg ini mengikuti investigasi pemodelan matematis AP Biology tentang kesetimbangan Hardy–Weinberg. Dalam praktikum AP, siswa membuat lembar kerja (spreadsheet) yang menghitung frekuensi alel generasi demi generasi. Di sini simulasi yang mengerjakan hitungannya, sehingga waktu kelas dipakai untuk pertanyaan yang penting: apa yang menjaga populasi tetap setimbang, dan apa yang mendorongnya keluar dari kesetimbangan? Siswa mulai dengan populasi yang setimbang, menghitung frekuensi genotipe, lalu menambahkan seleksi terhadap fenotipe resesif dan memperkecil populasi untuk melihat hanyutan genetik. Hasilnya data p, q, dan genotipe untuk tiga jenis percobaan, serta kaitan yang jelas antara setiap syarat Hardy–Weinberg dan apa yang terjadi bila syarat itu dilanggar. Setiap angka di bawah dibaca dari simulasi.

Keterkaitan dengan kurikulum

• AP Biology: Unit 7 (Natural Selection), topik 7.4, genetika populasi, dan 7.5, kesetimbangan Hardy–Weinberg (EVO-1), serta investigasi pemodelan matematis AP tentang Hardy–Weinberg.
• NGSS (standar sains AS): HS-LS4-3, memakai statistika dan peluang untuk menjelaskan mengapa organisme dengan sifat menurun yang menguntungkan bertambah proporsinya.
• Simulic tidak berafiliasi dengan College Board dan tidak didukung olehnya.

Sebelum praktikum (5 menit)

Tanyakan: "Populasi berjumlah 1.000 dimulai dengan p = 0,6. Tidak ada seleksi, perkawinan acak, dan populasinya besar. Berapa p setelah 20 generasi?" Siswa memilih sekitar 0,6, 1,0, 0,5, atau 0, lalu memberi alasan. Pada tautan kelas, ini adalah pertanyaan 1; simulasi terbuka setelah mereka menjawab.

Langkah kerja dalam simulasi

Simulasi berjalan 4 generasi per detik. Jeda menghentikannya, Generasi berikutnya maju satu langkah, Atur ulang memulai lagi dari p awal. Tombol Hanyutan berwarna biru saat pengambilan acak gamet aktif. Atur frekuensi alel awal p pada nilai awal di bawah simulasi, serta N dan s dengan penggeser. Koefisien seleksi s bekerja terhadap aa: kebugarannya 1 − s.

1. Kesetimbangan. p = 0,6, N = 1.000, s = 0, Hanyutan mati. Tekan Atur ulang dan biarkan berjalan melewati generasi 20. Catat p, q, dan ketiga frekuensi genotipe.
2. Populasi kedua. Ubah p menjadi 0,7 dan ulangi.
3. Seleksi. p = 0,5, s = 1,00 (aa tidak pernah bereproduksi), Hanyutan mati. Tekan Atur ulang. Jeda di dekat generasi 10, 20, dan 50, lalu catat nomor generasi dan q setiap kali.
4. Hanyutan genetik. p = 0,5, N = 20, s = 0, Hanyutan aktif. Tekan Atur ulang dan jalankan sampai generasi 100. Catat apakah ada alel yang hilang, dan pada generasi berapa. Ulangi lima kali.
5. Kontrol untuk hanyutan. Ulangi langkah 4 dengan N = 1.000.

Percobaan	p (awal)	N	s	Hanyutan	Generasi	p	q	AA	Aa	aa
1	0,6	1.000	0	mati	20
2	0,7	1.000	0	mati	20
3	0,5	1.000	1	mati	≈ 10 / 20 / 50
4	0,5	20	0	aktif	100

Hasil yang diharapkan

Kesetimbangan. Dengan p = 0,6, s = 0, dan Hanyutan mati, p tetap 0,600 di setiap generasi. Baris di bawah simulasi menampilkan 0,360 + 0,480 + 0,160 = 1. Dengan p = 0,7 baris itu menampilkan 0,490 + 0,420 + 0,090. Frekuensi alel dan genotipe tidak berubah.

Seleksi. Dengan s = 1 dan p = 0,5, q turun menjadi 0,333 setelah 1 generasi, 0,083 setelah 10, 0,045 setelah 20, dan 0,019 setelah 50. Dalam percobaan uji yang dijeda pada generasi 56, q bernilai 0,017. Penurunannya melambat karena, begitu a menjadi langka, hampir setiap salinannya berada dalam heterozigot, tempat seleksi tidak dapat "melihatnya".

Hanyutan. Dengan N = 20, sebagian besar percobaan kehilangan satu alel dalam 100 generasi: sekitar 9 dari 10 percobaan dalam pengecekan kami, tetapi pada generasi yang berbeda setiap kali. Dengan N = 1.000 dan Hanyutan aktif, p tetap berfluktuasi, biasanya kurang dari 0,1 dalam 20 generasi, tetapi tidak ada alel yang hilang.

Pertanyaan untuk siswa

1. Prediksi: dengan p = 0,6, N = 1.000, tanpa seleksi, dan Hanyutan mati, berapa p setelah 20 generasi?
2. Anda membandingkan percobaan dengan s = 0 dan percobaan dengan s = 0,5. Pengaturan mana yang harus sama?
3. p = 0,7, s = 0, Hanyutan mati. Dengan memakai frekuensi aa, berapa dari 1.000 individu yang merupakan pembawa heterozigot?
4. p = 0,5, s = 1, Hanyutan mati. Bagaimana q berubah sampai generasi 50?
5. N = 20, s = 0, Hanyutan aktif: jelaskan mengapa satu alel hilang pada sebagian percobaan, dan sebutkan syarat yang dilanggar.

Jawaban untuk guru:

1. Sekitar 0,6, tidak berubah.
2. p awal, ukuran populasi N, dan pengaturan Hanyutan.
3. aa = 0,09, jadi q = 0,3, p = 0,7, dan 2pq = 0,42: 420 pembawa (diterima ± 5).
4. q turun cepat pada awalnya, lalu makin lama makin lambat, dan masih di atas nol pada generasi 50.
5. Pengambilan acak gamet dalam populasi kecil mengubah p secara kebetulan setiap generasi sampai satu alel hilang. Syarat yang dilanggar adalah populasi yang sangat besar.

Miskonsepsi umum

• "Alel dominan makin umum seiring waktu." Percobaan 1: p tetap 0,6. Sifat dominan tidak mengubah frekuensi alel.
• "Seleksi cepat menyingkirkan alel resesif yang merugikan." Bahkan ketika aa tidak pernah bereproduksi, q masih 0,019 setelah 50 generasi.
• "Hanyutan membutuhkan penyebab, misalnya bencana." Pada percobaan 4 tidak ada yang terjadi pada populasi selain faktor kebetulan.

Pengayaan

• Seleksi ringan. Ulangi percobaan 3 dengan s = 0,5: q bernilai 0,164 setelah 10 generasi dan 0,040 setelah 50, lebih lambat daripada dengan s = 1.
• Ukuran populasi. Bandingkan N = 10, 20, dan 50 dengan Hanyutan aktif. Dalam pengecekan kami, satu alel hilang dalam 100 generasi pada sekitar 99 %, 89 %, dan 46 % percobaan. Gabungkan percobaan seluruh kelas dan bandingkan.

Pertanyaan umum

Mengapa Hanyutan dimatikan untuk percobaan kesetimbangan?

Dengan Hanyutan aktif, p berubah sedikit setiap generasi karena kebetulan, bahkan dengan N = 1.000. Mematikannya memberi populasi ideal yang besarnya tak terhingga, seperti yang diasumsikan Hardy–Weinberg, sehingga setiap siswa melihat tepat p = 0,600.

Bisakah siswa membuat spreadsheet juga?

Bisa. Urutan yang baik: jalankan simulasi lebih dulu, lalu buat spreadsheet dengan p' = (p² + pq) ÷ (1 − s·q²) dan cocokkan dengan q dari simulasi untuk percobaan 3.

Apakah simulasi memodelkan mutasi atau migrasi?

Tidak. Simulasi memodelkan perkawinan acak, seleksi terhadap aa, dan hanyutan genetik. Diskusikan mutasi dan aliran gen sebagai dua syarat lainnya.

Terkait

Hanyutan genetik – model Wright–Fisher, efek leher botol dan efek pendiri Seleksi alam – perubahan frekuensi alel (ngengat Biston)

Untuk menulis pertanyaan angka dengan jawaban tetap, lihat menulis pertanyaan yang baik untuk lab virtual. Untuk kegiatan lain, lihat ide pelajaran biologi interaktif.