Перейти к содержанию
Избранное

Калькулятор равновесия Харди — Вайнберга

Обновлено:

Введите наблюдаемые численности гомозиготных доминантных, гетерозиготных и гомозиготных рецессивных особей, чтобы рассчитать частоты аллелей (p и q), ожидаемые частоты генотипов и статистику хи-квадрат, которая проверяет, находится ли популяция в равновесии Харди — Вайнберга.

Частоты Харди — Вайнберга и критерий хи-квадрат

Поля ввода
ГД
Число особей с доминантным гомозиготным генотипом (AA)
H
Число гетерозиготных особей (Aa)
ГР
Число особей с рецессивным гомозиготным генотипом (aa)
Если включено, результат будет автоматически обновляться при изменении любого значения.

Формула равновесия Харди — Вайнберга

Формула
\[ p = \frac{CH + 0.5 \cdot H}{CH + H + RH}, \qquad q = \frac{RH + 0.5 \cdot H}{CH + H + RH} \\ E_{CH} = p^2 N, \qquad E_H = 2pqN, \qquad E_{RH} = q^2 N \\ \chi^2 = \frac{(CH - E_{CH})^2}{E_{CH}} + \frac{(H - E_H)^2}{E_H} + \frac{(RH - E_{RH})^2}{E_{RH}} \]

Где:

  • \(CH\) — число гомозиготных доминантных особей (AA)
  • \(H\) — число гетерозиготных особей (Aa)
  • \(RH\) — число гомозиготных рецессивных особей (aa)
  • \(N\) — общий размер популяции, \(N = CH + H + RH\)
  • \(p\), \(q\) — частоты аллелей A и a (\(p + q = 1\))
  • \(E_{CH}\), \(E_H\), \(E_{RH}\) — ожидаемые численности генотипов при равновесии
  • \(\chi^2\) — статистика хи-квадрат, измеряющая отклонение от равновесия

Первые два уравнения оценивают частоты аллелей по численностям генотипов (каждая гетерозигота вносит по одной копии каждого аллеля), следующие три дают ожидаемые при равновесии Харди — Вайнберга численности генотипов, а последнее показывает, насколько наблюдаемые численности отклоняются от ожидаемых.

Равновесие Харди — Вайнберга — пример расчёта

Пример: в выборке из 100 особей — 50 гомозиготных доминантных (AA), 30 гетерозиготных (Aa) и 20 гомозиготных рецессивных (aa) особей.

\[ p = \frac{50 + 0.5 \cdot 30}{100} = 0.65, \qquad q = \frac{20 + 0.5 \cdot 30}{100} = 0.35 \]

\[ E_{CH} = 0.65^2 \cdot 100 = 42.25, \quad E_H = 2(0.65)(0.35) \cdot 100 = 45.5, \quad E_{RH} = 0.35^2 \cdot 100 = 12.25 \]

\[ \chi^2 = \frac{(50 - 42.25)^2}{42.25} + \frac{(30 - 45.5)^2}{45.5} + \frac{(20 - 12.25)^2}{12.25} \approx 11.61 \]

Результат: \(p = 0.65\), \(q = 0.35\); ожидаемые численности: 42,25 AA, 45,5 Aa, 12,25 aa; \(\chi^2 \approx 11.61\). Поскольку 11,61 превышает критическое значение 3,84 (1 степень свободы, \(\alpha = 0.05\)), популяция значимо отклоняется от равновесия Харди — Вайнберга — наблюдается дефицит гетерозигот.

Как пользоваться калькулятором

  1. Введите число гомозиготных доминантных особей (генотип AA) в первое поле.
  2. Введите число гетерозиготных особей (генотип Aa) во второе поле.
  3. Введите число гомозиготных рецессивных особей (генотип aa) в третье поле.
  4. Прочитайте результаты: частоты аллелей p и q, ожидаемые численности каждого генотипа и статистику хи-квадрат (χ²).
  5. Сравните значение хи-квадрат с критическим значением ниже, чтобы определить, находится ли популяция в равновесии.

Что такое равновесие Харди — Вайнберга?

Принцип Харди — Вайнберга утверждает, что частоты аллелей и генотипов в популяции остаются неизменными из поколения в поколение при отсутствии эволюционных сил. Для гена с двумя аллелями, A и a, с частотами \(p\) и \(q\) (где \(p + q = 1\)) частоты генотипов после одного поколения свободного скрещивания составляют \(p^2\) (AA), \(2pq\) (Aa) и \(q^2\) (aa). Это соотношение выполняется только в идеальных условиях: нет мутаций, нет миграции, нет естественного отбора, бесконечно большая популяция (нет генетического дрейфа) и свободное скрещивание.

Поскольку реальные популяции редко удовлетворяют всем этим условиям в полной мере, равновесие Харди — Вайнберга служит нулевой моделью. Если наблюдаемые численности генотипов соответствуют ожидаемым пропорциям \(p^2 : 2pq : q^2\), нет свидетельств того, что на этот локус действуют эволюционные силы. Если соответствия нет, отклонение указывает на нарушение одного или нескольких предположений — отбор, неслучайное скрещивание (инбридинг), генетический дрейф, мутации, миграцию или ошибки определения генотипов.

Критерий хи-квадрат согласия количественно оценивает расхождение между наблюдаемыми и ожидаемыми численностями. Поскольку частоты аллелей оцениваются по тем же данным, тест имеет \(3 - 1 - 1 = 1\) степень свободы. При общепринятом уровне значимости 0,05 критическое значение равно 3,84: χ² ниже 3,84 согласуется с равновесием, а большее значение указывает на значимое отклонение. Сами частоты аллелей p и q остаются полезными сводными статистиками, даже если проверка равновесия отвергнута.

Этот инструмент широко используется в популяционной генетике, эволюционной биологии и учебных задачах. В контексте медико-генетического консультирования частоты аллелей также лежат в основе оценки риска носительства — см. калькулятор наследования группы крови, чтобы понять, как комбинации генотипов передаются от родителей потомкам.

Интерпретация результата хи-квадрат

Степени свободы Критическое значение χ² (α = 0,05)
1 3,841
2 5,991

Для этого теста используйте 1 степень свободы, поскольку одна частота аллеля оценивается по данным. Если ваше значение χ² ниже 3,841, примите нулевую гипотезу о равновесии; если выше — отклонение статистически значимо на уровне 5%.

Допущения и ограничения

  • Калькулятор предполагает один аутосомный локус ровно с двумя аллелями и полное доминирование (AA и Aa фенотипически отличаются от aa, и генотипы можно подсчитать напрямую, например с помощью генетического тестирования).
  • Равновесие требует свободного скрещивания, отсутствия отбора, мутаций и миграции, а также большой популяции. Значимый χ² указывает, что нарушено хотя бы одно из этих предположений, — но не говорит, какое именно.
  • Приближение хи-квадрат ненадёжно при малых ожидаемых численностях (как правило, если любое \(E < 5\)). В таком случае объедините классы генотипов или соберите большую выборку.
  • Ошибки определения генотипов, смещение выборки и объединение субпопуляций (эффект Валунда) могут создавать кажущийся дефицит гетерозигот, имитирующий неравновесие.
  • Тест обнаруживает отклонение только по одному локусу; выводы о популяции в целом требуют исследования нескольких локусов.

Часто задаваемые вопросы

Как рассчитать частоты аллелей вручную, без калькулятора?

Подсчитайте общее число копий аллеля и разделите его на общее число копий гена в выборке. Каждая гомозигота несёт две копии одного аллеля, каждая гетерозигота — по одной копии каждого. Поэтому p = (2·AA + Aa) / (2N) и q = (2·aa + Aa) / (2N), где N — число особей. Поскольку всего в выборке 2N аллелей, p + q должно равняться 1 — это удобная проверка правильности вычислений.

Почему в этом тесте 1 степень свободы, а не 2?

При трёх классах генотипов обычно теряется одна степень свободы из-за фиксированной суммы (3 − 1 = 2). Но здесь частота аллеля p оценивается по той же выборке, а q затем определяется из q = 1 − p, поэтому теряется ещё одна степень свободы: 3 − 1 − 1 = 1. Именно поэтому критическое значение при уровне 5% равно 3,84, а не 5,99. Использование неправильного числа степеней свободы — одна из самых распространённых ошибок в задачах на равновесие Харди — Вайнберга.

Какое значение хи-квадрат считается хорошим или нормальным для равновесия Харди — Вайнберга?

«Идеального» значения не существует — статистика зависит от размера выборки и самих частот аллелей. Популяция, согласующаяся с равновесием, просто даёт небольшое значение χ² относительно критического значения 3,84 (при α = 0,05 и 1 степени свободы). Очень малые значения χ² обычны и ожидаемы в идеализированных учебных данных. Очень большие значения сигнализируют об отклонении, но будьте осторожны: на больших выборках статистически значимыми становятся даже крошечные биологические различия, поэтому дополнительно сравнивайте наблюдаемые и ожидаемые численности напрямую.

Могут ли частоты аллелей быть отрицательными или больше 1?

Нет. Поскольку частоты аллелей — это отношения числа копий аллеля к общему числу копий гена (2N), обе величины p и q всегда лежат между 0 и 1, причём p + q = 1 в точности. Если получилось значение вне этого диапазона, вы допустили арифметическую ошибку или ошибку при вводе данных — например, приняли численности фенотипов (где AA и Aa неразличимы) за численности генотипов. Отметим, что частоты генотипов могут равняться 0, но частоты аллелей достигают 0 или 1 только тогда, когда аллель полностью отсутствует.

Что делать, если какой-то генотип полностью отсутствует в моей выборке?

Отсутствие класса генотипа не мешает оценке p и q — например, 0 AA, 40 Aa и 20 aa по-прежнему дают корректные частоты (p = 0.33, q = 0.67). Проблема возникает с критерием хи-квадрат: если какая-либо ожидаемая численность меньше примерно 5, приближение становится ненадёжным. При редких аллелях ожидаемые численности гомозигот часто очень малы. В таком случае соберите большую выборку или используйте точный критерий (например, точный тест Харди — Вайнберга, применяемый в генетическом программном обеспечении), который корректно работает с малыми выборками.

Как по частотам аллелей оценить частоту носителей рецессивного заболевания?

Если заболевание рецессивное, а локус находится в равновесии, поражённые особи (aa) встречаются с частотой q², поэтому можно оценить q = √(частота поражённых). Частота носителей среди непоражённых приблизительно равна 2pq. Например, если поражён 1 из 2500 новорождённых, то q = 1/50 = 0.02, и около 3,9% населения несёт одну копию. Это предполагает соблюдение равновесия; на практике для реальной оценки риска обращайтесь к генетическому консультанту, поскольку реальные популяции могут отклоняться от равновесия.

Мой хи-квадрат значим, но популяция выглядит нормально — что могло вызвать ложное отклонение?

Несколько технических причин имитируют истинное неравновесие: ошибки генотипирования, неверно определяющие гетерозигот; объединение данных генетически различающихся субпопуляций (эффект Валунда, завышающий видимую гомозиготность); неслучайная выборка или просто малые ожидаемые численности, из-за которых приближение χ² становится неточным. Также проверьте, действительно ли различались генотипы — если AA и Aa выводились из фенотипов в предположении полного доминирования, сами входные данные могут быть ошибочными. Проверка нескольких независимых локусов помогает отличить проблему данных от реального биологического сигнала.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *