Vienas iš svarbiausių populiacijos genetika, populiacijų genetinės sudėties ir skirtumų tyrimas yra Hardy-Weinbergo pusiausvyros principas. Taip pat apibūdinamas kaip genetinė pusiausvyra, šis principas suteikia genetinius parametrus populiacijai, kuri nesikeičia. Tokioje populiacijoje genetinis kitimas ir natūrali atranka neįvyksta, o gyventojai nepatiria pokyčių genotipas ir alelis dažniai iš kartos į kartą.
Hardy-Weinbergo principas šeštojo dešimtmečio pradžioje sukūrė matematikas Godfrey Hardy ir gydytojas Wilhelmas Weinbergas. Jie sukūrė modelį, skirtą genotipo ir alelių dažnio prognozavimui nesikeičiančioje populiacijoje. Šis modelis grindžiamas penkiomis pagrindinėmis prielaidomis ar sąlygomis, kurių turi būti laikomasi, kad populiacija egzistuotų genetinėje pusiausvyroje. Šios penkios pagrindinės sąlygos yra šios:
Genetinei pusiausvyrai būtinos sąlygos yra idealizuotos, nes mes nematome, kad jos gamtoje vyktų iškart. Iš esmės populiacijų evoliucija vyksta. Remdamiesi idealizuotomis sąlygomis, Hardy ir Weinberg sukūrė lygtį, skirtą numatyti genetinius rezultatus laikui bėgant nesikeičiančioje populiacijoje.
Ši lygtis, p2 + 2pq + q2 = 1, taip pat žinomas kaip Hardy-Weinbergo pusiausvyros lygtis.
Tai naudinga palyginti genotipo dažnio pokyčius populiacijoje su laukiamais populiacijos rezultatais esant genetinei pusiausvyrai. Šioje lygtyje p2 žymi numatomą dažnį homozigotinis dominuojantys individai populiacijoje, 2pq žymi numatomą dažnį heterozigotinis asmenų ir q2 žymi numatomą homozigotinių recesyvinių asmenų dažnį. Plėtodami šią lygtį, Hardy ir Weinbergai įsitvirtino Mendelio genetikos principai paveldėjimo populiacijos genetikai.
Viena iš sąlygų, kurią turi atitikti Hardy-Weinberg pusiausvyra, yra mutacijos populiacijoje. Mutacijos yra nuolatiniai genų sekos pokyčiai DNR. Šie pokyčiai keičiasi genai ir alelius, sukeliančius genetinę populiacijos variaciją. Nors mutacijos lemia populiacijos genotipo pokyčius, jos gali būti arba negali būti stebimos, arba fenotipiniai pokyčiai. Mutacijos gali paveikti atskirus genus arba visus chromosomos. Genų mutacijos paprastai vyksta kaip viena taškinės mutacijos arba bazinių porų įterpimai / išbraukimai. Taškinėje mutacijoje keičiama vieno nukleotido bazė, keičiant genų seką. Bazinės poros intarpai / delecijos sukelia rėmo poslinkio mutacijas, kurių metu rėmas, iš kurio skaitoma DNR baltymų sintezė yra pasislinkęs. Dėl to gaminamas sugedęs baltymai. Šios mutacijos perduodamos kitoms kartoms DNR replikacija.
Chromosomų mutacijos gali pakeisti chromosomos struktūrą arba chromosomų skaičių ląstelėje. Struktūriniai chromosomų pokyčiai atsirasti dėl dubliavimosi ar chromosomų lūžio. Jei DNR gabalas atsiskiria nuo chromosomos, jis gali persikelti į naują vietą kitoje chromosomoje (translokacija), jis gali pasikeisti ir būti įterptas atgal į chromosomą (inversija), arba jis gali pasimesti per ląstelių dalijimasis (išbraukta). Šios struktūrinės mutacijos keičia genų sekas ant chromosomų DNR, sukeliančių genų variacijas. Chromosomų mutacijos taip pat atsiranda dėl chromosomų skaičiaus pokyčių. Paprastai tai įvyksta dėl chromosomų lūžio arba dėl chromosomų nesugebėjimo tinkamai atskirti (nesusijusios) mejozė arba mitozė.
Esant Hardy-Weinberg pusiausvyrai, genų srautas populiacijoje neturi vykti. Genų srautas, arba genų migracija įvyksta, kai alelių dažnis organizme migruojant į populiaciją ar iš jos, keičiasi. Migracija iš vienos populiacijos į kitą sukuria naujus alelius į esamą genofondą per lytinis dauginimasis tarp abiejų populiacijų narių. Genų srautas priklauso nuo migracijos tarp atskirtų populiacijų. Organizmai turi sugebėti nukeliauti didelius atstumus ar skersines kliūtis (kalnus, vandenynus ir kt.), Kad galėtų migruoti į kitą vietą ir įvesti naujus genus esamoje populiacijoje. Ne mobiliųjų augalų populiacijose, tokiose kaip angiospermos, genų srautas gali įvykti kaip žiedadulkės gabenamas vėjo ar gyvūnų į tolimas vietas.
Organizmai, migruojantys iš populiacijos, taip pat gali pakeisti genų dažnį. Genų pašalinimas iš genofondo sumažina specifinių alelių atsiradimą ir keičia jų dažnį genų fonde. Imigracija sukelia genetinę įvairovę populiacijoje ir gali padėti gyventojams prisitaikyti prie aplinkos pokyčių. Tačiau imigracija taip pat apsunkina optimalų prisitaikymą stabilioje aplinkoje. emigracija genų (genų nutekėjimas iš populiacijos) galėtų sudaryti sąlygas prisitaikyti prie vietinės aplinkos, tačiau taip pat gali sukelti genetinės įvairovės praradimą ir galimą išnykimą.
Labai didelis gyventojų skaičius, vienas begalinio dydžio, reikalinga Hardy-Weinberg pusiausvyrai. Ši sąlyga reikalinga norint kovoti su genetinis dreifas. Genetinis dreifas apibūdinamas kaip populiacijos alelinio dažnio pokytis, kuris atsiranda atsitiktinai, o ne dėl natūralios atrankos. Kuo mažesnė populiacija, tuo didesnis genetinio dreifo poveikis. Taip yra todėl, kad kuo mažesnė populiacija, tuo didesnė tikimybė, kad kai kurie aleliai bus fiksuoti, o kiti - išnykęs. Alelių pašalinimas iš populiacijos keičia alelių dažnį populiacijoje. Alelių dažnis yra labiau tikėtinas didesnėms populiacijoms, nes aleliai atsiranda daugelyje populiacijos asmenų.
Genetinis dreifas atsiranda ne dėl adaptacijos, o įvyksta atsitiktinai. Aleliai, kurie išlieka populiacijoje, gali būti naudingi arba kenksmingi populiacijos organizmams. Dviejų tipų įvykiai skatina genetinį dreifą ir ypač mažą genetinę įvairovę populiacijoje. Pirmojo tipo įvykiai yra žinomi kaip gyventojų kliūtis. Siauragalvių populiacijos Tai įvyksta dėl gyventojų katastrofos, įvykusio dėl tam tikro tipo katastrofiškų įvykių, sunaikinančių didžiąją dalį gyventojų. Išgyvenamoje populiacijoje yra ribota alelių įvairovė ir sumažėjęs genofondas iš ko piešti. Antrasis genetinio dreifo pavyzdys yra stebimas vadinamajame įkūrėjo efektas. Šiuo atveju nedidelė asmenų grupė atsiskiria nuo pagrindinės populiacijos ir sukuria naują populiaciją. Ši kolonijinė grupė nevisiškai atspindi pirminės grupės alelį, o santykinai mažesniame genofonde jos alelių dažnis bus skirtingas.
Atsitiktinis poravimas yra dar viena sąlyga, reikalinga Hardy-Weinbergo pusiausvyrai populiacijoje. Atsitiktinio poravimosi metu individai poruojasi, neteikdami pirmenybės pasirinktoms jų potencialaus porininko savybėms. Kad būtų išlaikyta genetinė pusiausvyra, šis poravimasis taip pat turi duoti vienodą palikuonių skaičių visoms populiacijos patelėms. Neatsitiktinai poravimasis dažniausiai stebimas gamtoje per seksualinę atranką. Į seksualinė atranka, asmuo pasirenka porą pagal bruožus, kurie laikomi tinkamiausiais. Bruožai, tokie kaip ryškiaspalvės plunksnos, žiaurus stiprumas ar dideli ragai rodo aukštesnį kūno rengybos laipsnį.
Moterys, labiau nei vyrai, pasirenka draugas, kad padidintų jų jauniklių išgyvenimo galimybes. Neatsitiktiniai poravimai keičia alelinio dažnį populiacijoje, nes individai, turintys norimus bruožus, yra parenkami poravimuisi dažniau nei tie, kurie neturi šių bruožų. Kai kuriose rūšių, tik tam tikri asmenys gali poruotis. Per kartų kartas atrinktų asmenų aleliai bus dažniau aptinkami populiacijos genofonde. Taigi prie to prisideda seksualinė atranka populiacijos raida.
Kad populiacija egzistuotų Hardy-Weinberg pusiausvyroje, natūrali atranka neturi vykti. Natūrali atranka yra svarbus veiksnys biologinė evoliucija. Kai vyksta natūrali atranka, geriausi populiacijos asmenys pritaikytas prie jų aplinkos išgyventi ir gauti daugiau palikuonių nei individai, kurie nėra taip gerai prisitaikę. Dėl to pasikeičia populiacijos genetinė struktūra, nes palankesni aleliai perduodami visai populiacijai. Natūrali atranka keičia alelių dažnį populiacijoje. Šis pokytis įvyksta ne dėl atsitiktinumo, kaip tai nutinka genetinio dreifo metu, o dėl aplinkos pritaikymo.
Aplinka nustato, kurios genetinės variacijos yra palankesnės. Šie pokyčiai atsiranda dėl kelių veiksnių. Genų mutacija, genų srautas ir genetinė rekombinacija lytinio dauginimosi metu yra visi veiksniai, kurie populiacijoje sukelia variacijas ir naujus genų derinius. Natūralios atrankos palankias savybes gali nulemti vienas arba keli genai (poligeniniai bruožai). Natūraliai pasirinktų bruožų pavyzdžiai yra lapų modifikacija mėsėdžiai augalai, lapų panašumas su gyvūnaisir adaptyvus elgesys gynybos mechanizmai, toks kaip žaisdamas negyvas.