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3 · 第2學期演化生物學演化機制

漂變與選擇

Drift and Selection

難度 3 · 進階evolutiongenetics想做成互動版

漂變與選擇的互動是族群遺傳學的中軸問題,當代研究已將其從 Wright-Fisher 平均場模型推進到含結構、變動 Nₑ、連鎖、空間的複雜框架。

擴散近似與 Kimura 固定機率

Kimura(1955, 1962)利用 Kolmogorov 正向/反向方程把離散 Wright-Fisher 過程擴散化:
∂φ/∂t = (1/2)·∂²[V(p)φ]/∂p² − ∂[M(p)φ]/∂p

其中 M(p) = sp(1−p)、V(p) = p(1−p)/(2Nₑ)。固定時間 E[T_fix | 固定] ≈ 4Nₑ(中性起始頻率 1/(2N)),提供分子鐘的理論基礎。

有效族群大小 Nₑ 的多種定義

  • Inbreeding Nₑ:控制近交增長速率
  • Variance Nₑ:控制等位頻率變異數
  • Coalescent Nₑ:控制合併率
  • Linkage-disequilibrium Nₑ:由 r² 估計

三者在理想族群相等,實際差異由性比偏斜、世代變動、近期瓶頸造成。人類 Nₑ 估計約 10,000,遠小於普查族群數(~10¹⁰)。

近中性理論(Nearly Neutral Theory)

Ohta(1973, Nature)將 Kimura 中性理論擴展:多數突變為輕微有害(s ~ 1/Nₑ 量級)。預測:

  • 小族群的分子演化速率較快,因為輕微有害突變易被漂變固定。
  • dN/dS 隨 Nₑ 負相關:島嶼、寄生生物、粒線體 dN/dS 較高。
  • 基因組大小演化:Lynch & Conery(2003, Science)提出真核大基因組源於 Nₑ 下降使「選擇不足以清除」無編碼 DNA 累積,是 Mutational Hazard Hypothesis 的核心。

合併理論(Coalescent Theory)

Kingman(1982)從向後時間視角重構漂變:兩條譜系合併的期望時間為 2Nₑ,整個樣本合併完畢的期望時間約 4Nₑ(1 − 1/n)。合併提供:

  • 推估過去 Nₑ(PSMC, Li & Durbin 2011)
  • 偵測瓶頸(不規則合併樹)
  • 辨識選擇性掃除(快速合併 + 短分支)

連鎖下的漂變:背景選擇與遺傳搭便車

Hill-Robertson 效應(Hill & Robertson, 1966):連鎖位點上的選擇會降低局部有效族群大小。兩大機制:

  • 選擇性掃除(hitchhiking):有利突變拖帶鄰近中性變異。
  • 背景選擇(Charlesworth et al., 1993):持續淘汰有害突變,連帶減少雜合度。

兩者造成基因組上雜合度與重組率正相關——低重組區(著絲粒、Y 染色體)多型低。

空間結構與 F_ST

Wright island model 下 F_ST ≈ 1/(4Nₑm + 1),m 為遷移率。結構族群讓漂變效應「地方化」:小子族群內雜合度低、子族群間分化大。Stepping-stone、isolation-by-distance、metapopulation 模型進一步精緻化,是地景遺傳學(landscape genetics)基礎。

實證:LTEE 中的漂變印記

Lenski 實驗中每日轉接稀釋造成的瓶頸 Nₑ ≈ 3.3 × 10⁷(遠大於實驗室許多實驗),但仍能觀察到同一有利突變在某譜系固定、在另一譜系消失,證實隨機性在並行演化中的角色。Maddamsetti et al.(2015, Genetics)量化 clonal interference 與漂變共同塑造適應動態。

保育與醫學延伸

  • 保育遺傳:50/500 rule(Franklin, 1980):短期 Nₑ > 50 避免近交衰退、長期 > 500 維持演化潛能。
  • 癌症演化:腫瘤內亞群有限,漂變讓弱選擇的 passenger 突變也能固定,影響療效預測。

當代前沿:non-Wright-Fisher 模型(Moran、λ-coalescent 用於漁業選擇、seed-bank)、多重合併(multiple mergers for high-fecundity 物種)、ABC-SMC 推論、深度學習直接從基因組推漂變-選擇參數。

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