遺傳漂變概念探討范文

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《遺傳雜志》2015年第十二期

摘要:

遺傳漂變是《遺傳學》教學的難點之一，因其涉及隨機性和概率，特別容易引起誤解。定義中的抽樣誤差常被誤解為遺傳漂變是由于“抽樣”這一研究方法干擾才導致基因頻率的隨機變化。本文首先對國內外《遺傳學》教材中的遺傳漂變定義進行了分析比較，發現“抽樣誤差”的定義最為各教材普遍采用，但只有少數教材對“抽樣誤差”概念進行了正確的解釋，多數未作進一步的說明。文章介紹了遺傳漂變的研究歷史，亦即Wright、Fisher和Kimura等學者對遺傳漂變研究的貢獻。進而，特別介紹了近年來國外關于本科生遺傳漂變教學的兩篇代表性教學研究論文，指出本科生在學習過程中容易出現錯誤理解是難以避免的現象，對此也提供了初步的解決辦法。作者最后結合自己的教學實踐，提出本科生教學中遺傳漂變仍然采用含有抽樣誤差概念的定義，只是需要對抽樣誤差做進一步的解釋，指出抽樣誤差是等位基因世代傳遞過程中存在的、配子間的隨機結合,“相當于”對整個參與交配的配子庫中的配子進行的一次隨機抽樣，而與一般遺傳學研究中的人為抽樣行為無關。相信本文會對遺傳學教學有所幫助。

關鍵詞:

遺傳漂變;抽樣誤差;群體；等位基因頻率

隨著我國高等教育的發展，本科生教學受到越來越多的重視。遺傳學教學內容和方法的進展報道不斷涌現[1~3]，一些在更深層次上對基本概念的解析也持續受到關注[4]，呈現出蓬勃的發展勢頭。這其中，釋疑解惑這一教師的基本職責一直激勵著同行學者對教學提高的執著。筆者在《遺傳學》教學中發現，教材中的遺傳漂變概念常令學生費解。以戴灼華、王亞馥和粟翼玟主編的遺傳學教材為例，關于遺傳漂變的定義是這樣描述的：由于抽樣的隨機誤差所造成的基因頻率在小群體中的隨機波動，稱為隨機的遺傳漂變(Randomgeneticdrift)[5]。隨機的遺傳漂變簡稱遺傳漂變。該定義中的“抽樣的隨機誤差”在其他版本的教材中也有出現，有的冠以“取樣誤差”，有的則以“隨機抽樣”、“抽樣誤差”和“遺傳抽樣”等形式出現（表1）。多數教材關于定義中提及的“抽樣”概念并沒有進行深入的解釋和分析，因此很容易給初學者造成“遺傳漂變現象是由于抽樣導致的”印象。而抽樣的概念給人的直接印象就是對研究樣本進行隨機抽取選擇的過程，是生物學研究的具體方法。“難道基因頻率的隨機波動是由于研究工作者的研究行為（抽樣）干擾所致？”，這是最容易引發的疑問。筆者比較了國內外、不同類型高等院校使用的幾種不同版本的遺傳學教材，發現普遍存在這一問題。故撰寫此文，試圖對此做一探討。

1國內外教材對遺傳漂變概念的定義

表1列舉了國內外廣泛選用的12種《遺傳學》教材，其中選取了國內高等教育出版社、人民衛生出版社和科學出版社出版的9種中文教材，還選取了分屬W.H.Freeman、McGraw-Hill和JohnWiley&Sons這3個國外出版社的3種英文教材。其中的中文教材又分屬于普通高校[5~7]、醫學院校[8~10]、師范院校[11]和農林院校[12,13]類教材。由表1可見，在12本中外教材中，抽樣的概念在定義中出現了7次。可見，定義中涉及抽樣概念的現象具有相當的普遍性,但是大部分教材均未對抽樣概念作進一步的解釋，給充分和正確理解遺傳漂變概念制造了不必要的障礙。表1中只有1次對抽樣的概念進行了進一步的描述，即徐鋼標主編的《植物群體遺傳學》，編者對抽樣是這樣描述的：現實植物群體可看成是來自某個理想群體的一個隨機樣本。如果不考慮選擇、遷移和突變等進化因子影響，群體中等位基因從一個世代傳遞到下一個世代，類似于從親本群體形成的潛在無限大配子庫中一次隨機抽樣，這個過程稱為遺傳抽樣[13]。書中特別強調群體等位基因的傳遞是“類似于”對配子庫的“隨機抽樣”，這樣也就詮釋了抽樣這一概念在此處是“類似于”而非一般理解的概念。從該教材可以推知，其他幾種教材中提及的抽樣概念，也應該是指等位基因代間傳遞過程中存在的、配子間的隨機結合，“相當于”對整個參與交配的配子庫中的配子進行的一次隨機抽樣，而與一般的遺傳學研究中的人為抽樣行為無關。除表1所列本科教材外，一些教學輔導書和研究專著對此問題也有論及。比如，由科學出版社出版的生命科學輔導叢書、名師點撥系列的《遺傳學》（梁前進主編）分冊對此概念是這樣描述的：個體數有限的群體在世代遺傳過程中，其等位基因僅僅受機會的原因而向后代傳遞，則群體中等位基因的頻率將隨機波動增減，這一現象叫遺傳漂變。遺傳漂變的結果，最終可使某些等位基因在群體中消失，或取代其他等位基因而固定下來[17]。該輔導書對遺傳漂變的解釋就沒有涉及抽樣的概念。而另一本群體遺傳和進化方面的專著，《群體遺傳學、進化與熵》則對遺傳漂變所涉及的抽樣概念有較為深入的論述[18]。作者袁志發寫道：生物的有性繁殖過程，本質上是配偶或配子的抽樣過程。因而，有限群體中的基因頻率，在傳代過程中會受抽樣誤差影響而發生隨機變化，其變化方向是不可預測的，在群體遺傳學中稱為隨機遺傳漂變，是一種離散作用（Dispersiveprocess）。研究隨機遺傳漂變的數學模型是1931年SewallWright提出的Wright模型[19]。因此，遺傳漂變也叫萊特效應（Wrighteffect）。這是一個分析有限群體中基因頻率隨世代隨機變化的數學模型，這個模型所描述的隨機遺傳漂變過程或離散過程可以看作一個抽樣過程。可見，抽樣誤差這個概念引入遺傳漂變概念中，是源于其數學模型的描述，因此在保留和使用上要格外注意，以免引起誤解。那么，為什么有的教材在定義中提及了抽樣的概念，而有些教材卻沒有涉及呢？這就需要從遺傳漂變概念的緣頭去探尋。

2遺傳漂變研究的由來

基因頻率世代間變化的重要因素之一。其他的影響因素還包括突變、選擇和遷移等。要厘清遺傳漂變概念中出現的抽樣誤差問題，還需要從最初的數學模型去探尋。描述遺傳漂變的數學模型是Wright-Fisher模型[20]，在許多教科書中也介紹為Wright模型，這是因為該模型最早由美國學者SewallWright于1931年明確提出[19]。當年3月，Wright在GENETICS雜志上發表了題為“EvolutioninMendelianPopulation（孟德爾群體的進化）”的論文，系統論述了孟德爾群體進化的理論，全面涉及了突變、選擇、遷移和遺傳漂變等影響基因頻率的各種因素及相關數學模型，并單辟一節對遺傳漂變進行了詳細的論述，是群體遺傳學最重要的文獻之一。Wright認為，群體的規模對于理解孟德爾系統的進化具有非常重要的作用。在有限規模的群體中，即便在沒有選擇、突變和遷移的情況下，也并不能絕對保證基因頻率在世代間的恒定不變。實際情況是一對等位基因中的任何一個的頻率都有可能僅僅由于配子間的隨機抽樣而占據絕對優勢（頻率為1，即被固定）。此處的“randomsamplingamongthegametes”就是后來遺傳漂變定義中抽樣誤差的來源。可見，Wright文中的隨機抽樣指的就是配子間的隨機結合現象，隨機交配相當于從小群體的所有可能產生的配子種類中隨機抽取兩種結合成合子并最終發育成后代。由于群體較小，配子間的隨機抽樣就會存在較大的誤差，最終影響到等位基因的頻率。既然抽樣誤差是遺傳漂變發生的根本原因，為什么有些教材中的遺傳漂變定義卻沒有涉及呢？這可能是考慮到本科生對抽樣誤差概念的理解難度，為了避免誤解，干脆不提及這個概念。由于遺傳漂變的特點主要體現在隨機性和波動方向的不確定性，而且遺傳漂變在小群體中表現得尤為明顯，因此，在介紹遺傳漂變時，把小群體和隨機性這些特征交代清楚，也基本上講清楚了遺傳漂變就是描述小群體中等位基因頻率有時存在較大變化這一現象。由于本科生普通遺傳學教材內容豐富，其遺傳漂變部分僅是群體遺傳學中一個小節下面的部分內容，所占課時非常有限，多數教材因此也未安排遺傳漂變的詳盡數學模型等內容，而是僅從一般的概念上進行介紹，從這個角度看，也就不難理解為什么教材中遺傳漂變概念介紹的比較簡單了。早在Wright經典的9年前，Fisher就曾在論文中論及遺傳漂變現象，只是當時對這一現象的描述還沒有遺傳漂變這個稱謂[21]，這可能就是后人將Wright模型也稱為Wright-Fisher模型的原因。

Fisher發表于1922年的論文主要是關于選擇對遺傳平衡的影響，研究了新出現的突變能否在世代間傳遞下去的問題，發現一個新的突變能否延續下去，取決于機會而非選擇，而且幸存幾率非常小。因此，Fisher認為大群體就像是遺傳變異的儲備庫,在這些儲備庫里，頻率很低的、重復出現的突變幸存幾率將大大提高。他計算了在一個有限的群體里等位基因被隨機消除的可能性(后來稱為隨機遺傳漂變)，認為在包含一萬個個體的中等規模群體中選擇的作用要遠遠大于隨機漂變[21,22]。Fisher對群體遺傳學最根本的貢獻主要是最先提出群體的進化可以用簡單的數學方法來描述，而1922年發表的這篇論文則有力地證明了通過對群體遺傳學的數學分析確實可以實現對生物進化的定量研究[21]。與Wright和Fisher同時代的群體遺傳學奠基人還有J.B.S.Haldane，他的主要貢獻在于自然和人工選擇的數學理論[23]，但并未涉及遺傳漂變的問題。他們3位的工作在20世紀30年代初期共同明確了群體遺傳學的研究范圍，建立了自然和人為選擇的定量分析方法[22]。最初的Wright-Fisher模型論述的是簡單條件下的遺傳漂變規律，還沒有把自然選擇、遷移和突變引入其中，后來的許多學者對此相繼進行了擴展，其中Kimura的貢獻最為突出。Kimura在20世紀40年代后期開始涉足群體遺傳學，當時，Fisher和Wright二人正就遺傳漂變在自然群體的進化中是否發揮作用進行著激烈的爭論。Fisher認為遺傳漂變只發揮很小的作用，而且并不重要，而Wright卻認為遺傳漂變在生物進化過程中發揮著重要的作用，遺傳漂變促使某個基因頻率發生隨機變化，這為自然選擇提供了新的著力點[22]。Wright對群體遺傳學的特殊貢獻正是在于他強調了群體結構的重要性，認為世界上并不存在真正無限大的群體（這類群體中的任何雄性個體都有與群體中的任何雌性個體交配的機會），現實中存在的群體反而常常被分割為許多部分隔離的組織，即同類群（Demes），因此隨機事件發揮著重要的作用。相反，Fisher卻認為大多數群體已經足夠大了，因此遺傳漂變的作用將會被選擇的作用所掩蓋。二人的爭論在隨后的幾十年間一直以Fisher的觀點為學術界的主流。直到1968年，Kimura采用擴散近似法對有限群體中的突變基因提出了中性突變-隨機漂變假說，也稱分子進化中性論[24]；該理論認為在大多數情況下，基因頻率在一個群體內的變化主要是由遺傳漂變引起的，這有力地支持了Wright的觀點。Wright生于1889年，卒于1988年3月3日，享年99歲。他終其一生致力于群體遺傳學研究、著述頗豐，最早的于1912年，最后一篇則發表于他去世前兩個月即1988年1月。在他去世后的很短時間內，即有多篇紀念文章發表，介紹他的生平，總結他的貢獻，追憶他的為人為學點滴[25~30]，作為一個學者，身后獲得如此的懷念，實不多見。

3遺傳漂變數學模型簡介

在統計學中，總體隨機抽樣（Randomsampling）的方法可分為返置抽樣和不返置抽樣兩種。前者指每次抽出一個個體后，這個個體應返置回原總體；后者指每次抽出的個體不返置回原總體。對于無限總體，返置與否都可保證各個個體被抽到的機會相等；而對于有限總體，就應該采取返置抽樣，否則各個個體被抽到的機會就不相等。很明顯，在群體遺傳學研究的有限群體里，后代形成過程中類似的隨機抽樣不可能是返置抽樣，因為雌雄配子一旦結合成合子（后代），就沒有辦法再返置回原群體。因此，對有限群體的不返置抽樣的結果就是，各個配子被抽到的機會是不相等的，于是影響到配子所攜帶的等位基因頻率發生隨機變化，且變化方向是不可預測的，這就是隨機的遺傳漂變。戴灼華等主編的《遺傳學》教材中介紹了造成遺傳漂變的抽樣誤差與群體大小的關系，通過比較含有50個個體與5000個個體的群體中抽樣誤差的不同，展示了群體規模越大抽樣誤差越小的結果，較為直觀地說明了遺傳漂變對小群體基因頻率的影響更為明顯這一現象。結果顯示，如果假設等位基因A、a的頻率分別為p、q，群體的個體數為N；在p、q均為0.5的情況下，隨機抽樣造成的A基因頻率的標準差在50個個體的群體中為0.05，而在5000個個體的群體中僅僅是前者的十分之一，即0.005。Wright運用理想小群體研究隨機遺傳漂變，是基于抽樣過程、利用二項分布實現的，上面的兩個公式都是通過二項分布方程推導得出。1955年，Kimura又運用馬爾可夫（Markov）過程分析，擴展了Wright-Fisher模型，將突變、選擇和遷移引入了理想小群體[32]。分析結果不但能給出各世代基因頻率分布，而且能給出各世代基因固定或消失的概率。1968年，Kimura的分子進化中性論的提出就得益于他對遺傳漂變的深入研究。中性突變或中性基因中的“中性”一詞是指這樣的突變或基因對個體的生存和繁殖能力沒有影響。Kimura認為，進化不是由選擇作用于有利突變而引起的，而是在連續的突變壓力之下，由選擇中性或非常接近中性突變的隨機固定造成的[18,33]。

4國（內）外本科生遺傳漂變教學研究現狀及相關成果

遺傳漂變與突變、選擇和遷移一樣，是影響群體進化的重要因素之一，它不僅僅出現在小群體中，而是存在于任何有限的群體中，并且始終發揮作用，是遺傳學知識體系中的重要一環。因其隨機性的特點和數學概率概念較難理解，在本科生遺傳學教學中往往成為學習的難點。對此，國內相關研究尚未見報道，國外則多有關注。在此簡要介紹近年國外發表的兩篇本科遺傳漂變教學相關論文，供同行參考。2012年秋，美國蒙大拿州立大學的AndrewsTM等[34]學者發表了他們關于生物學專業本科生對遺傳漂變概念存在錯誤理解的教學研究論文。作者用定性和定量方法研究了學生對遺傳漂變定義的掌握情況，發現學生中普遍存在有5大類16種不同的錯誤理解。這5大類錯誤理解既包括初學者將遺傳漂變與遺傳學和進化論相關概念的混淆，也包括具有一定群體遺傳學知識的學生將遺傳漂變與其他進化機制和群體遺傳學相關概念的混淆，最后還包括經過系統學習指導之后仍然會出現的對遺傳漂變概念的誤解。作者發現學生在學習的各個階段都存在著對遺傳漂變的不同錯誤理解。在接受調查的學生當中，幾乎所有的學生（99%）在接受針對遺傳漂變的專門輔導之前都存在著理解錯誤，即便是接受了明確的輔導之后，仍有高達75%的學生的錯誤仍然存在。那些已經完成了初級生物學課程，并且繼續研修高級生物學課程的生物學專業本科生，對遺傳漂變的理解還仍然存在著嚴重的錯誤。可見遺傳漂變概念確實不容易準確掌握，需要給予更多的關注。這篇論文指出了本科生在學習遺傳漂變中普遍存在的問題，對這些問題的關注有助于提高遺傳漂變的教學效果。另一篇相關教學研究于2014年春季[35]，與上一篇一樣都發表在CBE-LifeSciencesEducation雜志上。如果說上一篇論文針對本科生遺傳漂變教學提出了存在的問題，那么這篇論文則給出了此類問題的具體解決辦法。論文作者分別來自美國華盛頓大學、佐治亞大學、密歇根州立大學、加利福尼亞州州立大學福爾頓分校、威斯康星大學拉克羅斯分校等5所大學和加利福尼亞大學古生物博物館，上述5所大學的共1723名學生參與了該文的相關研究測試，文章針對4個關鍵概念和6個錯誤概念最終列出了22個判斷題，用以具體評價本科生對遺傳漂變知識的掌握程度。這4個關鍵概念分別是：(1)隨機抽樣誤差在每個世代都會發生，并導致等位基因頻率的隨機變化，即遺傳漂變；(2)隨機抽樣誤差降低群體內部的遺傳變異，增加群體間的遺傳變異；(3)隨機抽樣誤差在世代間作用的大小取決于群體的大小，有效群體越小作用越大，而在大群體中一般作用較小或檢測不到；(4)在小群體中，遺傳漂變能夠掩蓋自然選擇、突變和遷移的作用，因此，本來由于選擇的力量應該促使一個等位基因頻率增加，卻有可能因為遺傳漂變而表現出下降。6個錯誤概念分別是：(1)由于具有隨機性，所以遺傳漂變是不可預測的；(2)遺傳漂變可能是迫于生存的需要，而對自然選擇或環境的適應；(3)因為遺傳漂變并不會導致定向變化以增加適合度，所以它與進化無關；(4)自然選擇永遠是進化的最強大機制，也是進化的最主要媒介；(5)遺傳漂變是隨機突變；(6)遺傳漂變是基因流或遷移。具體的22個判斷題及其標準答案請讀者自己參考該文的附錄2和3[35]，相信會對遺傳漂變教學有所幫助。這些教學研究成果有助于我們在教學中準確把握遺傳漂變的概念和學生理解掌握情況，建議相關教師參考提高。

5正確把握遺傳漂變概念，提高教學質量

遺傳漂變不單因涉及隨機概念而容易導致誤解，而且正如有文獻指出的那樣，即便是在專家中間，遺傳漂變本來就有著多個顯著不同的定義在同時使用[36]。因此，抽樣誤差并非是定義遺傳漂變的唯一方法，抽樣誤差也不是等位基因隨機變化的唯一原因。然而，從表1可見，涉及抽樣誤差概念的定義在9本中文教材中占據了6本，是相對被廣泛采用的形式；從相關研究論文中也能發現，最常用的定義還是抽樣誤差造成的世代間基因頻率的隨機變化這個描述[34,36]；特別是追溯遺傳漂變研究的原始文獻，發現這一概念的提出本身就源自對有限群體的研究，后代形成類似于隨機抽樣的過程在小群體中的抽樣誤差較大[19]。因此，筆者建議在本科遺傳學的教學中仍然采用這個定義，只不過需要對定義中的抽樣誤差做進一步的解釋，以減少誤解。正如部分教材中交代的那樣，遺傳漂變定義中的“抽樣”概念應該是指所有參與交配活動的配子間的行為，類似于從整個群體的配子庫中隨機抽取雌雄配子結合成合子，在有限群體中，不返置抽樣會造成各個配子被抽到的機會不相等，因此就會出現較大的抽樣誤差，這類抽樣誤差有時會對配子攜帶的等位基因的遺傳率產生決定性的影響。又因為抽樣誤差方向的不確定性，進而體現在基因頻率變化上也表現出方向的不確定性，有時可能被完全淘汰，有時又會在群體中占據主導地位，甚至基因頻率為1，即被固定。

總之，遺傳漂變是生物進化的基礎之一，它與突變、選擇和遷移這些我們熟知的因素一樣對生物進化發揮著重要作用，尤其是在有限群體中的作用更為明顯，但卻常常會被忽視[34]。正確掌握這一概念對于群體遺傳學和生物進化的研究和理解非常重要，在本科生教學中應該給予足夠的重視。

作者：王春明 單位：蘭州大學生命科學學院