Populaties en genetische variatie (Biologie vwo), les 1: Uitleg
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Populaties en genetische variatie
Examenstof biologie vwo
Lesson duration is: 45 minIntroduction
Items in this lesson
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Populaties en genetische variatie
Examenstof biologie vwo
Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: P4.1, P4.2 (F2.1, F2.2). Image credit: Rasheedhrasheed / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Wat ga je kunnen?
Ik kan uitleggen hoe de genetische variatie van een populatie verandert en met de regel van Hardy-Weinberg frequenties berekenen.
This item has no instructions
Welke woorden horen bij: een populatie?
Verwacht: groep, soort, gebied, dieren, planten, allelen, genen, variatie, voortplanting, uitsterven, eiland. Koppel de woorden aan de drie blokken: soort, populatie en frequenties; hoe de variatie in een populatie verandert (drift, gene flow, isolatie, flessenhals en stichters); en de regel van Hardy-Weinberg. Veelgemaakte misvatting: een populatie en een soort zijn hetzelfde. Een soort bestaat meestal uit meerdere populaties. Mutatie, recombinatie, genenpool en inteelt staan in de les Mutatie, recombinatie en genetische variatie, kruisingsschema's in de les Erfelijkheid en kruisingen. Natuurlijke selectie en soortvorming hebben een eigen les.
Een muildier in Santorini, Griekenland
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Soort en populatie
Een soort is een groep organismen die zich onderling kan voortplanten en vruchtbare nakomelingen krijgt.
Een paard en een ezel krijgen een muildier, maar dat is onvruchtbaar: het zijn twee soorten.
Een populatie is een groep individuen van één soort in hetzelfde gebied die zich onderling voortplant.
Een soort bestaat vaak uit meerdere populaties, zoals de zebra's in twee nationale parken.
Syllabus P4.1 specificatie 1: soort en populatie. Het soortbegrip met voortplanting en vruchtbare nakomelingen werkt niet voor organismen die zich ongeslachtelijk voortplanten; houd het bij de definitie uit de syllabus. De populatie is het niveau waarop de genetische variatie verandert: individuen veranderen hun genotype niet, populaties wel hun allelfrequenties. Veelgemaakte fout: soort en populatie door elkaar halen, of denken dat het muildier een eigen soort is. Het muildier is onvruchtbaar, dus paard en ezel blijven twee soorten. Image credit: Anthony Baratier / Wikimedia Commons, CC0
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Genotype-, fenotype- en allelfrequentie
Een genotype is de combinatie van allelen (AA, Aa of aa), een fenotype is wat je ziet of meet.
De genotypefrequentie is het aandeel individuen met dat genotype, de fenotypefrequentie het aandeel met dat fenotype.
De allelfrequentie is het aandeel van een allel in de genenpool, alle allelen van de populatie samen.
Allelfrequentie van A = (2 x aantal AA + aantal Aa) : (2 x aantal individuen). Bij 4 AA, 4 Aa en 2 aa: (8 + 4) : 20 = 0,6.
Voor één gen met twee allelen is de frequentie van A gelijk aan p en die van a gelijk aan q, met p + q = 1.
Syllabus P4.1 specificatie 2 en P4.2 specificatie 3: genotype, fenotype, allelfrequentie. De genenpool komt uit de les Mutatie, recombinatie en genetische variatie; hier is hij de basis voor de allelfrequentie. Elk individu heeft twee allelen van een gen, dus het totaal aantal allelen is twee keer het aantal individuen. Veelgemaakte fout: de frequentie van het genotype AA aanzien voor de frequentie van het allel A. Een Aa-individu draagt één A en één a.
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Frequenties veranderen: tijd en ruimte
Frequenties van genotypen en fenotypen verschillen in de ruimte: tussen populaties kan een allel een andere frequentie hebben.
Ze veranderen ook in de tijd: van generatie op generatie kan de frequentie van een allel stijgen of dalen.
Een emergente eigenschap heeft alleen de populatie als geheel en geen enkel individu, zoals de allelfrequentie.
Een individu heeft een genotype; de populatie heeft een allelfrequentie, genetische variatie en een populatiegrootte.
Syllabus P4.1 specificatie 2 en 3: frequenties in tijd en ruimte, emergente eigenschap. Een emergente eigenschap ontstaat doordat individuen samen een hoger organisatieniveau vormen (A14, systeemdenken over organisatieniveaus). Voorbeelden van emergente eigenschappen van een populatie zijn allelfrequentie, genetische variatie, populatiegrootte en leeftijdsopbouw. Veelgemaakte fout: de vachtkleur van één dier een emergente eigenschap noemen. Dat is een eigenschap van het individu.
Een paard en een ezel krijgen een onvruchtbaar muildier. Wat volgt hieruit?
Paard en ezel vormen samen één populatie
Paard en ezel hebben dezelfde genenpool
Paard en ezel zijn verschillende soorten
Het muildier is een nieuwe soort geworden
Een soort plant zich onderling voort met vruchtbare nakomelingen; hier zijn de nakomelingen onvruchtbaar. Verwachte fout: denken dat kruisen mogelijk is dus dezelfde soort, terwijl de nakomelingen onvruchtbaar zijn.
Welke eigenschap is een emergente eigenschap van een populatie?
Het genotype van één dier
Het aantal chromosomen van een cel
De allelfrequentie van een gen
De vachtkleur van één dier
Een emergente eigenschap heeft alleen de populatie als geheel. Het genotype, de chromosomen en de vachtkleur horen bij een individu of een cel. Verwachte fout: de vachtkleur kiezen omdat die zichtbaar is.
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Mutatie, genetic drift en gene flow
Genetische variatie is het verschil in allelen en genotypen tussen de individuen van een populatie.
Een mutatie maakt een nieuw allel. Een mutatie komt zelden voor, dus de allelfrequentie verandert er maar langzaam door.
Genetic drift is een verandering van de allelfrequentie door toeval, vooral in kleine populaties.
Gene flow is de uitwisseling van allelen tussen populaties doordat individuen, zaden of stuifmeel verhuizen.
Syllabus P4.2 specificatie 1: genetische variatie, genetic drift, gene flow, allelfrequentie. Mutatie zelf (typen, oorzaken) staat in de les Mutatie, recombinatie en genetische variatie. Drift is een toevalsproces: een allel wordt niet doorgegeven omdat het beter of slechter is, maar omdat het toevallig in meer of minder geslachtscellen terechtkomt. Drift is het sterkst in kleine populaties. Veelgemaakte fout: drift verwarren met natuurlijke selectie. Selectie hoort bij de les Selectie en soortvorming.
Allelfrequentie van A in twee populaties (verzonnen maar kloppende waarden)
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Genetic drift in een grafiek
In populatie P schommelt de allelfrequentie van A sterk: dat is genetic drift.
Populatie P is klein; populatie Q is groot en verandert nauwelijks.
Bij toeval kan een allel uit de genenpool verdwijnen: in P daalt A van 0,5 naar 0.
Drift werkt willekeurig en is niet gericht op het voordeel van een allel.
Syllabus P4.2 specificatie 1: genetic drift, allelfrequentie. De waarden in de grafiek zijn verzonnen maar kloppen met het patroon: in een kleine populatie is het toeval groot en kan een allel verdwijnen, in een grote populatie middelt het toeval uit. Laat leerlingen eerst de assen en de lijnen benoemen. Veelgemaakte fout: denken dat het allel in P verdwijnt omdat het nadelig is. In deze grafiek is dat niet gegeven: het is toeval. Image credit: Eigen schema, LessonUp
Een bij op een bloem
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Gene flow, isolatie en divergentie
Bij gene flow verhuizen individuen of stuifmeel tussen populaties en nemen allelen mee.
Veel gene flow maakt populaties genetisch steeds meer gelijk: convergentie.
Isolatie (zee, rivier, gebergte) stopt de gene flow; elke populatie krijgt eigen mutaties en eigen drift.
Dan gaan de populaties steeds meer van elkaar verschillen: divergentie.
Syllabus P4.2 specificatie 1 en 2: gene flow, isolatie, divergentie, convergentie. Hier gaat het om geografische isolatie. Reproductieve isolatie en het ontstaan van nieuwe soorten horen bij de les Selectie en soortvorming. Divergentie en convergentie beschrijven hier hoe de genetische samenstelling van populaties uit elkaar of naar elkaar toe groeit. Veelgemaakte fout: denken dat isolatie zelf nieuwe allelen maakt. Isolatie stopt alleen de uitwisseling; de verschillen komen door mutaties en drift. Image credit: mypubliclands (U.S. Bureau of Land Management) / Wikimedia Commons, publiek domein
Twee noordelijke zeeolifanten voor de kust van Californië
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Flessenhalseffect
Bij het flessenhalseffect blijft door een ramp bij toeval maar een klein deel van de populatie over.
De overlevenden hebben maar een deel van de allelen: de genetische variatie is kleiner.
Ook de allelfrequenties zijn anders dan voor de ramp en zeldzame allelen kunnen verdwenen zijn.
De noordelijke zeeolifant werd bijna uitgeroeid door jacht; de huidige dieren hebben weinig variatie.
Syllabus P4.2 specificatie 2: flessenhalseffect (bottleneck effect). De noordelijke zeeolifant werd in de negentiende eeuw door jacht bijna uitgeroeid en is daarna weer talrijk geworden; onderzoek laat zien dat de genetische variatie laag is (bron: Wikipedia, Northern elephant seal, en de daarin genoemde artikelen). Het flessenhalseffect is een vorm van drift in een plotseling kleine populatie. Veelgemaakte fout: denken dat de populatie na herstel de oude variatie terugkrijgt. De verdwenen allelen komen alleen terug door mutatie of gene flow. Image credit: NOAA National Marine Sanctuaries / Wikimedia Commons, publiek domein
Flessenhalseffect en stichtereffect (schema)
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Stichtereffect
Bij het stichtereffect begint een nieuwe populatie met een klein aantal stichters uit een grote populatie.
De stichters hebben maar een deel van de allelen, met andere frequenties dan de oorspronkelijke populatie.
Voorbeeld: een groepje dieren of zaden bereikt een eiland en vestigt zich daar.
In het schema verdwijnt bij beide effecten een allel, en wordt een ander allel talrijker.
Syllabus P4.2 specificatie 2: stichtereffect (founder effect). Vergelijk in het schema beide effecten: bij het flessenhalseffect wordt de populatie door een ramp klein, bij het stichtereffect begint een nieuwe populatie klein. In beide gevallen neemt de variatie af en veranderen de allelfrequenties bij toeval. Veelgemaakte fout: de twee effecten verwisselen. Vraag: gaat het om een ramp bij een bestaande populatie, of om een kleine groep die ergens nieuw begint? Image credit: Eigen schema, LessonUp
Vul in
Een mutatie maakt een nieuw allel, en door gene flow komen allelen van een andere populatie binnen.
Mutatie maakt een nieuw allel; gene flow brengt allelen uit een andere populatie. Verwachte fout: genetic drift invullen; drift verandert alleen de frequentie van allelen die er al zijn.
Na een orkaan blijven van een grote populatie 10 dieren over. Welk effect?
Flessenhalseffect
Stichtereffect
Gene flow
Convergentie
Een ramp laat een bestaande populatie klein worden: flessenhalseffect. Verwachte fout: stichtereffect kiezen omdat de populatie klein is; bij het stichtereffect begint een nieuwe populatie in een nieuw gebied.
Genotypefrequenties bij p = 0,7 en q = 0,3 (schema)
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
De regel van Hardy-Weinberg
De regel van Hardy-Weinberg geeft de genotypefrequenties bij allelfrequenties p (allel A) en q (allel a).
p + q = 1 en (p + q)² = p² + 2pq + q² = 1: p² is AA, 2pq is Aa en q² is aa.
Heterozygoten (Aa) zijn dragers van het recessieve allel; hun frequentie is 2pq.
In het schema is p = 0,7 en q = 0,3: AA is 0,49, Aa is 0,42 en aa is 0,09.
Syllabus P4.2 specificatie 3: regel van Hardy-Weinberg, (p + q) x (p + q) = p² + 2pq + q² = 1. Het vierkant maakt zichtbaar waar de termen vandaan komen: elk vakje is de kans dat twee geslachtscellen elkaar tegenkomen. Heterozygoot komt twee keer voor, daarom 2pq. Veelgemaakte fout: 2pq vergeten en alleen p² en q² optellen; dan komt de som niet op 1. Dragers komen ook in de les Erfelijkheid en kruisingen voor. Image credit: Eigen schema, LessonUp
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Voorwaarden en opeenvolgende generaties
De regel geldt bij willekeurige paring in een grote populatie, zonder mutatie, gene flow en selectie.
Dan blijft de allelfrequentie van generatie op generatie gelijk: Hardy-Weinberg-evenwicht.
De genotypefrequenties zijn na één generatie willekeurige paring p², 2pq en q².
Verandert de allelfrequentie wel, dan is een voorwaarde geschonden, bijvoorbeeld door genetic drift of gene flow.
Syllabus P4.2 specificatie 3: het verband tussen de genetische variatie van opeenvolgende generaties. De voorwaarde geen selectie is hier een randvoorwaarde; selectie zelf komt in de les Selectie en soortvorming aan bod. Hardy-Weinberg is een model: in werkelijkheid voldoet geen populatie aan alle voorwaarden. De regel is vooral handig als nulmodel: wijkt een populatie af, dan werkt een van de krachten uit blok 2. Veelgemaakte fout: denken dat de allelfrequentie in een populatie altijd gelijk blijft.
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Rekenen met Hardy-Weinberg
Stap 1: bij een recessieve eigenschap is het aandeel aa gelijk aan q².
Stap 2: q is de wortel van q². Stap 3: p = 1 - q.
Stap 4: bereken p² voor AA en 2pq voor de dragers; controleer of de som 1 is.
Voorbeeld: q² = 0,25 geeft q = 0,5 en p = 0,5. Dan is AA 0,25, Aa 0,50 en aa 0,25.
Het dominante fenotype heeft frequentie p² + 2pq, dus 1 - q².
Syllabus P4.2 specificatie 3 en vaardigheid A8 (rekenen met breuken, machten en verhoudingen). Bij een dominante eigenschap kun je het aantal AA en Aa niet aan het fenotype zien; daarom begin je bij het recessieve fenotype aa, waarvan het genotype bekend is. Controle: p² + 2pq + q² = 1. Veelgemaakte fouten: q² aanzien voor q, de wortel vergeten, of 2pq vergeten bij het aantal dragers.
Waarvoor staat 2pq in de regel van Hardy-Weinberg?
De frequentie van allel a
De frequentie van alle homozygoten
De som van p en q
De frequentie van de heterozygoten (Aa)
2pq is de frequentie van Aa: twee manieren om een heterozygoot te krijgen. Verwachte fout: allel a kiezen omdat q het allel is; 2pq gaat over genotypen.
Welke voorwaarde hoort bij de regel van Hardy-Weinberg?
Voortdurende gene flow met andere populaties
Willekeurige paring in een grote populatie
Een kleine populatie met veel genetic drift
Veel mutaties in elke generatie
De drie foute opties veranderen juist de allelfrequentie. Verwachte fout: gene flow kiezen omdat die variatie geeft; dan blijft de allelfrequentie niet gelijk.
Wat vond je vandaag het lastigst?
Soort, populatie en frequenties
Drift, gene flow en isolatie
Flessenhals- en stichtereffect
Rekenen met Hardy-Weinberg
Gebruik de uitslag om te bepalen welk onderdeel je nog eens met het schema of de grafiek doorloopt.
Welk begrip wil je nog oefenen?
Reflectievraag zonder vast antwoord. Laat leerlingen het begrip in een eigen zin uitleggen en gebruik de antwoorden om de examentraining te richten.
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Begrippen (1/2)
soort en populatie: Een soort plant zich onderling voort met vruchtbare nakomelingen; een populatie is een groep van één soort in één gebied.
genotype-, fenotype- en allelfrequentie: Het aandeel individuen met een genotype of fenotype, en het aandeel van een allel in de genenpool.
emergente eigenschap: Een eigenschap die alleen de populatie heeft, zoals de allelfrequentie.
genetische variatie: Het verschil in allelen en genotypen tussen individuen; mutatie maakt nieuwe allelen.
genetic drift: Verandering van de allelfrequentie door toeval, het sterkst in kleine populaties.
This item has no instructions
POPULATIE · GENETISCHE VARIATIE
Begrippen (2/2)
gene flow en convergentie: Uitwisseling van allelen tussen populaties; populaties gaan genetisch meer op elkaar lijken.
isolatie en divergentie: Zonder gene flow gaan populaties genetisch steeds meer van elkaar verschillen.
flessenhalseffect: Een ramp laat een klein deel van de populatie over, met minder variatie.
stichtereffect: Een kleine groep stichters begint een nieuwe populatie met minder variatie.
regel van Hardy-Weinberg: p + q = 1 en p² + 2pq + q² = 1: genotypefrequenties bij willekeurige paring in een grote populatie.
This item has no instructions
