Model Wright–Fisher dan Hanyutan Genetik Neutral
Simulator Hanyutan Genetik Populasi ialah alat dalam talian yang membolehkan simulasi dan visualisasi hanyutan genetik neutral menggunakan model Wright–Fisher diploid. Melalui persediaan populasi pembiakan simulasi, pengguna boleh menjejaki dan membandingkan laluan frekuensi alel yang boleh dihasilkan semula merentasi beberapa populasi bebas untuk melihat bagaimana variasi genetik hilang atau ditetapkan mengikut generasi. Alat ini membantu memahami pengaruh pensampelan rawak terhadap frekuensi alel dari semasa ke semasa dengan menunjukkan kadar keheterozigotan simulasi, fiksasi, dan kehilangan, tanpa bertujuan untuk meramal hasil evolusi dunia sebenar.
Pada setiap generasi, peralihan Wright–Fisher mensampel bilangan alel seterusnya dan membahagikannya dengan salinan gen yang tersedia: Xₜ₊₁ ~ Binomial(2Ne, pₜ); pₜ₊₁ = Xₜ₊₁ ÷ (2Ne). Sebelum pensampelan, momen ini menerangkan julat generasi seterusnya yang mungkin: E[Xₜ₊₁] = 2Ne·pₜ; Var(Xₜ₊₁) = 2Ne·pₜ(1 − pₜ); Var(pₜ₊₁) = pₜ(1 − pₜ) ÷ (2Ne).
Melalui model ini, kebarangkalian fiksasi akhirnya bagi alel neutral adalah sama dengan frekuensi permulaannya, p₀. Walau bagaimanapun, dalam had generasi yang ditetapkan (T), pemerhatian terhadap kadar penyerapan (fiksasi atau kehilangan) bergantung pada saiz populasi dan bilangan generasi yang disimulasikan.
Saiz Populasi Berkesan lawan Saiz Bancian
Dalam kajian genetik populasi, parameter yang dimasukkan ke dalam simulasi ialah saiz populasi berkesan, Ne, dan bukannya saiz bancian fizikal. Saiz populasi berkesan merujuk kepada saiz populasi pembiakan yang diidealkan yang akan mengalami hanyutan genetik pada kadar yang sama seperti populasi sebenar yang sedang dikaji.
Saiz bancian sebenar sering kali jauh lebih besar daripada Ne disebabkan oleh beberapa faktor biologi:
- Nisbah jantina yang tidak seimbang antara individu membiak.
- Varians yang tinggi dalam kejayaan pembiakan dalam kalangan individu.
- Turun naik saiz populasi yang ketara merentasi generasi.
- Kewujudan struktur populasi atau subpopulasi.
Oleh itu, untuk memodelkan hanyutan genetik dengan tepat, pengguna mesti menentukan nilai Ne yang mewakili dinamik genetik populasi tersebut.
Dinamik Keheterozigotan dan Kehilangan Variasi
Hanyutan genetik dalam populasi terhad membawa kepada penurunan variasi genetik atau keheterozigotan dari semasa ke semasa. Bahagian jangkaan pasangan alel tidak serupa merosot merentasi t generasi seperti berikut: H₀ = 2p₀(1 − p₀); Hₜ = H₀(1 − 1 ÷ (2Ne))ᵗ.
Fenomena ini mewujudkan keadaan yang dikenali sebagai "Paradoks Purata". Apabila kita mensimulasikan banyak populasi bebas secara serentak, purata frekuensi alel merentasi semua replikasi tersebut akan kekal stabil menghampiri nilai jangkaan p = p₀. Walau bagaimanapun, bagi setiap populasi individu, frekuensi alel akan hanyut secara rawak sehingga akhirnya mencapai salah satu sempadan penyerapan, iaitu sama ada tetap pada p = 1 atau hilang pada p = 0. Pada kedua-dua sempadan penyerapan ini, keheterozigotan adalah sifar. Akibatnya, walaupun purata keseluruhan tidak berubah, variasi genetik dalam setiap populasi individu terus menyusut.
Kaedah, Andaian, dan Had
Halaman ini melaksanakan model Wright–Fisher diploid neutral yang diterangkan oleh Nature Education dan teks Stanford Human Genetics. Setiap generasi baharu ialah sampel rawak sebanyak 2Ne salinan alel daripada generasi sebelumnya. Sumber disemak pada 6 Ogos 2026.
Andaian Model
Model ini dibina atas beberapa andaian ideal yang ketat:
- Saiz populasi berkesan yang malar merentasi semua generasi.
- Generasi tidak bertindih yang diskret.
- Pensampelan rawak bebas (perkahwinan rawak).
- Keneutralan terpilih (tiada kelebihan kemandirian atau pembiakan bagi mana-mana alel).
- Satu lokus dua alel tidak terpaut.
- Tiada mutasi atau migrasi yang memperkenalkan alel baharu.
Jangan gunakan ini sebagai ramalan apabila pemilihan, perubahan populasi, ketidakseimbangan jantina atau kejayaan pembiakan, generasi bertindih, pembiakbakaan dalam, pautan, aliran gen, atau struktur populasi adalah penting. Faktor keselamatan kejuruteraan tidak terpakai pada model biologi stokastik ini.
Kejituan Pengiraan
Setiap cabutan binomial menggunakan pensampelan Bernoulli yang tepat; tiada anggaran normal digunakan. Pengiraan mengekalkan kejituan ganda JavaScript. Frekuensi terletak pada kenaikan 1 ÷ (2Ne); paparan membundarkan kepada paling banyak enam tempat perpuluhan.
Parameter Input dan Had Kerja
Untuk menjalankan simulasi, pengguna perlu mengkonfigurasi parameter berikut dalam bahagian Persediaan populasi:
- Senario (Pratetap): Pilihan pantas seperti Populasi kecil, Populasi besar, atau Alel jarang.
- Saiz populasi berkesan, Ne: Dimasukkan dalam unit "individu membiak". Nilai mestilah nombor bulat dari 1 hingga 100,000.
- Frekuensi alel permulaan, p₀: Dimasukkan sebagai "perkadaran, 0–1". Nilai mestilah antara 0 dan 1, termasuk kedua-dua sempadan.
- Generasi: Dimasukkan dalam unit "generasi". Nilai mestilah nombor bulat dari 1 hingga 2,000.
- Populasi bebas: Dimasukkan dalam unit "replikasi". Nilai mestilah nombor bulat dari 1 hingga 200.
- Benih rawak: Rentetan teks (maksimum 100 aksara) untuk menghasilkan semula laluan simulasi yang sama. Butang Benih baharu disediakan untuk merawakkan input ini.
Had Beban Kerja Pelayar
Untuk memastikan prestasi pelayar yang stabil, sistem mengehadkan jumlah cabutan salinan alel yang dirancang kepada maksimum 5,000,000. Jumlah ini dikira melalui formula:
Cabutan = 2Ne × generasi × replikasi
Jika konfigurasi anda melebihi had ini, simulasi akan disekat bagi mengelakkan pelayar daripada tergantung.
Pemprosesan Data dan Privasi
Semua parameter dan data populasi simulasi anda diproses secara tempatan dan kekal dalam pelayar ini. Tiada sebarang maklumat atau data simulasi yang dihantar ke pelayan luar atau dimuat naik ke internet.
Soalan Lazim (FAQ)
Patutkah saya memasukkan saiz bancian atau saiz populasi berkesan?
Masukkan saiz populasi berkesan, Ne: saiz populasi pembiakan yang diidealkan yang akan hanyut pada kadar yang sama seperti populasi yang ingin anda kaji. Saiz bancian boleh menjadi jauh lebih besar apabila nisbah jantina, kejayaan pembiakan, turun naik populasi, atau struktur populasi adalah tidak sekata.
Adakah kebarangkalian neutral untuk fiksasi akhirnya sama dengan frekuensi permulaan?
Ya, dalam model neutral tanpa mutasi atau migrasi ini, alel yang bermula pada frekuensi p₀ mempunyai kebarangkalian fiksasi akhirnya p₀ dan kebarangkalian kehilangan 1 − p₀. Kadar yang ditunjukkan di atas hanya meliputi bilangan generasi dan pengulangan yang dimasukkan, jadi ia akan berbeza-beza mengikut benih.
Mengapakah frekuensi purata alel boleh kekal berhampiran p₀ sementara keheterozigotan menurun?
Hanyutan neutral tidak mempunyai arah pilihan merentasi banyak populasi bebas, jadi frekuensi purata kekal p₀ dalam jangkaan. Walau bagaimanapun, populasi individu tersebar ke arah 0 atau 1, dan kedua-dua sempadan mempunyai sifar keheterozigotan. Oleh itu, variasi hilang walaupun purata merentasi populasi kekal hampir tidak berubah.
Bolehkah ini meramal perkara yang akan berlaku pada populasi sebenar?
Tidak. Ia menunjukkan hasil di bawah model Wright–Fisher neutral yang diidealkan secara sengaja. Ramalan sebenar memerlukan anggaran munasabah bagi saiz berkesan dan sebarang pemilihan, mutasi, migrasi, perubahan saiz populasi, generasi bertindih, pautan, dan struktur populasi yang penting untuk kes tersebut.