让我们先做一个小小的游戏。

如图所示，一个玻璃瓶中装满了紫色的和绿色的小球，并且这两种小球的数量各占50%。通过反复摇晃，尽量使两种小球均匀分布。

当我们把瓶中的小球只倒出几粒，就会有一种可能的情况，紫色的小球和绿色的小球数量不等，其中有四个紫色的小球，有一个绿色的小球。

如果我们假设小球会分裂增殖，过了五个增殖周期后，就会发现紫色的小球有128个，占总数的80%，而绿色的小球只有32个，占总数的20%。

与原来相比，两种小球的所占的比例，发生了很大的变化。

随着人类社会的发展，技术的进步，生产力的提高，人们的活动范围越来越大，对自然界的影响也越来越大，许多动植物的生存空间却越来越小，种群的数量随之大量减少，有些物种已经灭绝，或者濒临灭绝。

在自然界，如果一些大群体的生物，在经历了一次环境剧烈变化后，例如人类的捕杀，生物栖息地的缩小，只有少量的生物个体存活下来。

当环境得到改善后，这些少量的生物个体，可以通过繁殖，扩展成原先数量的群体。

但是，由于遗传漂变的作用，等位基因的频率，已经发生了很大变化。

就像我们刚才所做的游戏，假设紫色的小球和绿色的小球，代表等位基因，刚开始两种等位基因的频率都是50%。经过生物个体数量急剧减少之后，尽管通过人类的努力，物种数量得以恢复，但是，等位基因的频率却变成了20% 和80%。如果绿色的小球代表的是优良性状的基因，紫色的小球代表的是非优良性状的基因，那么，表现出优良性状的个体就会大大减少。最可怕的是，假设优良性状的基因，没有机会传递给后代，这些基因将从自然界中消失。

因此，保护生物多样性，还应该从保护遗传多样性开始。

首先，让我们了解一些相关概念。

1.物种

什么是物种呢？

物种是形态、结构、功能、发育特征和生态分布基本相同的一群生物。物种间存在生殖隔离现象。在自然条件下，同种生物的个体，雌雄可以交配，并且能产生有生殖能力的后代。不同物种之间，雌雄不能交配，或者不能产生有生殖能力的后代。

如图所示，黑猩猩、大猩猩、猩猩就是不同的物种。

再例如，马和驴雌雄交配，产生的骡，就没有生殖能力。因此，物种之间在遗传上是不混合的。物种是自然界真实存在的生命形式。物种是生物分类的基本单元，也是生物遗传、生殖和进化的基本单位。

那么，物种和种群的概念又有何相互关系呢？

2.种群

种群是同一物种的一群个体，这群个体享有共同的基因库。种群是遗传单位，也是进化单位。种群的基因库，是一群有性生殖的个体中，所有基因的总和。

如图所示，非洲的斑马就是一个种群。

种群内，同种个体共同拥有一个基因库。同一个种群，生物个体之间的交配，造成了基因的交流，使基因库保持相对稳定。

3.物种是生态系统中的功能单位

物种是由许多群体组成的生殖单元，它在自然界中占有一定的生境位置。因此，可以说，物种是生态系统中的功能单位。如图所示，非洲象有自身特有的生存空间。

如果专门研究，物种群体中的基因组成，在生物在繁殖过程中，基因组成的变化规律，这样的学科，我们称之为群体遗传学。

1.群体遗传学

群体遗传的理论基础是建立在遗传学和进化论上的。群体遗传学的研究，是为了了解群体的遗传学成分，以及决定和改变这些遗传学成分的内外因素。

在任何物种中，由于在不同的基因座位上存在各种等位基因，使遗传变异在种内或在群体之间产生交流。既然已经了解了群体遗传学的研究目标，下面让我们了解一些与群体遗传学相关的基本概念。

2.基因

基因是含有遗传密码的DNA片段，可以编码特定的蛋白质。

如图所示，人类有46条染色体。其中，一半来自父亲，另一半来自母亲，同源染色体是来自父母双方的一对对染色体。因此，同源染色体上的基因是成对分布的。

在同源染色体上，同一个位点上的基因可能是相同的，也可能是不同的。

3.等位基因

等位基因在染色体上，所占据的位置，我们称之为座位。二倍体的生物个体，在同源染色体座位上，有两个等位基因，这两个可以等位基因是相同的，也可以是不同的。但是，同一种群的很多不同个体，在同源染色体的相同座位上，可能存在很多不同的等位基因。并且，在染色体的不同座位上，又存在很多不同的基因。

因此，不同个体之间，基因的组成就会有很多差异，所以我们不可能找到性状完全一样的个体。正是这种杂合性，保证了同一种群内，生物的性状仍然具有多样性。所以，一个健康的种群，应该拥有一个内存非常丰富的基因库。

那么，什么是基因库呢？

4.基因库

种群中，所有基因组，和不同的等位基因，总称为基因库。某个生物个体，只含有种群基因库中的一部分基因。

种群内个体之间可以相互交配，共有一个基因库。如图所示，按照一定的规律，比如，孟德尔的遗传定律，生物个体的基因，从上一代传递给下一代。

如图所示，彼此隔离，没有杂交的种群，具有隔离的基因库。随着个体的死亡，或者从种群中迁出，种群个体所携带的基因，就会从基因库丢失。同时，通过基因突变，或者新个体的迁入，可以使新的基因，流入到基因库中。

那么，生物的基因与性状之间，是什么关系呢？

5.基因型与表现型

种群内每一个体的基因组合，称为基因型。并且，一种基因型，决定一种性状。

如图所示，狗的毛色遗传，豌豆的性状遗传。实际上，遗传基因的表达与环境共同作用决定个体的表现型，表现型是指直接观察到的生物结构和功能特点。

6.基因频率

如图所示，根据飞蛾的表型、基因型，分析50只飞蛾种群的基因库，A为黄色显性基因，a为白色隐性基因。等位基因A、a的频率分别为0.60和0.40。

种群内，每一种基因型的个体，在群体中所占的比率，称为该种群的基因型频率。种群中不同基因所占的比例，称为基因频率。基因频率会受到突变、选择、漂变、迁移等因素的影响，而发生变化。

科学家通过大量的研究，总结出一些群体遗传规律，最有名的就是哈迪-温伯格定律。

7.哈迪—温伯格定律

哈迪-温伯格定律（Hardy-Weinberg law）是群体遗传中最重要的原理。它解释了，繁殖是如何影响群体的基因和基因型频率。这个法则是用Hardy GH 和Weinberg W两位科学家的姓，来命名的。那么，这个伟大定律的具体内容是什么呢？

（1）含义

如图所示，哈迪-温伯格定律是指，在一个巨大的、个体交配完全随机的、没有其它因素干扰的种群中，基因频率和基因型频率将世代保持稳定不变。干扰因素包括如突变、选择、迁移、漂变等。

（2） 解释

哈迪—温伯格定律可分为3个部分：

第一部分是假设。在一个无穷大的随机交配的群体中，没有进化的压力，例如突变、迁移和自然选择等；

第二部分是基因频率世代不变；

第三部分是随机交配一代以后基因型频率将保持平衡。

有关哈迪—温伯格定律的数学计算，请参考“拓展视野1：Hardy-Weinberg定律”。

在群体遗传学的研究中，哈迪-温伯格定律是一个非常有用的工具。

下面，举一个例子，你就会对这一定律有更深入的理解。

7.哈迪—温伯格定律

（3）基因型频率的计算

如图所示，在北美白人中，这种白化发生的频率为1/40000（四万分之一），也就是0.0025%。

由于白化是隐性性状，患者的基因型为aa。根据哈迪-温伯格定律，aa基因型频率为p²。如果p²= 0.000025，那么，q = 0.005，而p =1－q = 0.995。所以，杂合子的频率是2pq =2×0.995×0.005 = 0.00995，近似于1%。这样，当白化的频率很低时（1/40000)，而其杂合体的频率却很高（近似于1%）。

由此可见，即使某些罕见的隐性性状，杂合体的频率，可能并不很低。因此，近亲结婚，后代出现遗传病的机率，就会大大增高。

（4）遗传平衡

根据哈迪—温伯格定律推测，在一个巨大的、个体交配完全随机、没有其他因素的干扰的种群中，基因频率和基因型频率，将世代保持稳定不变。这就是著名的遗传平衡定律。

但是，在自然界，绝对恒定的群体遗传平衡，是不存在的。生物总是或快或慢地，通过遗传变异而进化着。

群体遗传结构的任何变化都意味着进化。

既然遗传本身并不能改变群体基因的频率，那么改变基因频率的因素有哪些呢？

改变基因频率的因素，包括突变、迁移、随机遗传漂变等。自然选择既是一种促进基因频率改变的重要原因，在突变、迁移、随机的遗传漂变等发生以后，自然选择促进生物进化过程。

通过突变、迁移、遗传漂变和选择，种群改变了基因频率，由基因频率的变化积累，导致种群内的进化，甚至引发新物种的产生。

如图所示，突变导致一种基因型，被另一种新的基因型所取代，基因频率发生变化。突变导致一种基因型消失，另一种新的基因型增加，基因频率发生变化。