现在的情况是,本百科上只有详细介绍物种杂交产生新品种(即基因突变)的情况,没有介绍物种遗传趋势的。
就算有也只是在养蜂-入门篇里提了一嘴,而且不易懂。
因此,为了各位同好们的游戏体验,我来将这篇教程补上。
而且本篇教程是刻意不考虑突变的,所以在某些表述上莫要较真
敝人第一次写教程,如有表述不当或与事实不符请务必指出。
若想了解林业的物种进化(或基因突变),请阅读如下几篇文章:
另外,由于本教程涉及生物学与部分数学知识,具有部分专业词汇,请先学习(复习)相关内容,或是当个乐子看过去。
那么我们开始!
遗传概述与理论基础
我们先来回顾遗传与变异的定义:
子代与亲代间或子代个体间性状存在相似的现象,在生物学上称为遗传。
子代与亲代间或子代个体间性状存在差异的现象,在生物学上称为变异。
相信各位同好都绘制过遗传图解,如图:
这是豌豆茎的直生弯生的不同基因型杂交遗传图解,霉好的回忆。
遗传图解是本教程的主要研究工具,它能为我们反映遗传过程。
我们现在来推导理论:
首先,大量的实验表明,林业作者们图省事并没有把杂交原理写进代码,取而代之的是数学上的组合排列方式。
排列(arrangement),是指从n个元素中取出m个元素,并按一定顺序排成的一列。
也就是说,从甲、乙、丙三个人取出两个,则有甲乙、甲丙、乙甲、乙丙、丙甲、丙乙六个排列。
由此可见,排列这一方式(或名词?)是考虑顺序的。
上面这个例子中,将全部的3个人中抽出了2个,写出它们所有的排列,共6种。
事实上,我们定义从n个元素中取出m个元素所构成的排列数量为其排列数(number of arrangement),记为
计算公式为:
这个叹号的意思是阶乘(n!=1×2×3×....×n,同时定义0!=1),不是用来增强感叹语气的。
与排列相对的是组合(combination),它是不考虑顺序的。
同样,组合也有组合数(number of combination),从n个元素中取出m个元素的组合数记为
计算公式为:
一般地说,正常杂交应考虑组合而非排列,而我们要用到排列,虽然那个“组合”已经在我的教程里挂了一个月,还没有高中的大佬指出。
这也就是说,本模组的杂交时的基因遗传是考虑顺序的。
正常杂交时因为等位基因中每两个不同型必有一个是显性,所以任意两异基因同对时,顺序均已确定,故不考虑顺序,是组合。
算了,多说无益,直接上图。
(别喷了,自己画的)
由此可见,哪个基因在前面,哪个就是显性基因。
这也解释了某个基因时而是显性时而是隐性的现象。
但请注意:此处讨论的性状不包括性别,在林业原版及部分附属模组中,植物无性别区分,蜜蜂与蝴蝶子代雌性数量固定(子代雌性蜜蜂数为1,蝴蝶尚待考证)。
同样的,在接下来的计算中,仅考虑非伴性遗传的情况,即控制性状的等位基因不在性染色体上,可以不严谨地认为性状与性别无关。
在上图中,两个不同基因相结合可形成两组基因型,由此,我们继续推导出一切有可能的情况。
顺带一提,笔者将这种神奇的遗传方式称为反孟德尔式杂交(Anti-Mendelian Hybridization),村规私设,请勿模仿。
下面,定义等位基因N代表的性状为N,P(N)为子代显性状N的概率。
并且仅针对于一种性状而言,其它性状不会造成干扰,各自独立。
为了便于计算,此处认为杂交亲代双方在减数分裂时按其基因型仅产出两个配子,使之符合古典概率模型。
同时,笔者会利用排列数公式计算各情况的可能性
一、纯种杂交
设亲代双方基因型均为AA,令其杂交
实质:两相同基因型配子结合
结论:子代基因必为AA,即P(A)=1
二、二基因纯杂杂交
先解读一下类型名称,“二基因”指在一个等位基因中,亲代双方间仅存在两种基因,“纯杂”指亲代中一方为纯种,另一方为混血(仅考虑单基因)的情况
设亲代基因型分别为A1A1,A1A2
实质:杂交过程如图
此时,亲代共四个配子(A1,A1,A1,A2),子代任取两个进行排列,排列数为
其中含A1且在前的排列共9种,含A2的且在前的排列共3种,所以显A1的概率为9/12=0.75,A2的概率为3/12=0.25
A1A1结合概率为0.5,A1A2结合概率为0.5,在后者情况下,显A1与显A2概率各占0.5,与计算结果相符
结论:子代基因型有三种,且A1A1:A1A2:A2A1=2:1:1
即P(A1)=0.75,P(A2)=0.25
三、二基因双杂杂交
“双杂”指亲代双方仅考虑一对等位基因情况下,均为杂合子
设亲代基因型均为A1A2
实质:杂交过程如图
其中含A1且在前的排列共6种,含A2的且在前的排列共6种,由排列数公式计算得显A1的概率为6/12=0.5,显A2的概率为6/12=0.5
结论:子代基因型有四种,且A1A1:A1A2:A2A1:A2A2=1:1:1:1
即P(A1)=0.5,P(A2)=0.5
四、二基因双纯杂交
“双纯”指亲代在同一性状中,双方均为纯合子的情况
设亲代基因型分别为A1A1,A2A2
实质:还是看图
这是二基因情况下最简单的图谱,其中含A1且在前的排列共6种,含A2的且在前的排列共6种,由排列数公式计算得显A1的概率为6/12=0.5,显A2的概率为6/12=0.5
结论:子代基因型有两种,且A1A2:A2A1=1:1
即P(A1)=0.5,P(A2)=0.5
五、三基因单纯混交
“三基因”指亲代中同对等位基因有三种基因的情况,即复等位基因,“单纯”指亲代仅有一方为纯合子,“混交”在本文中用于描述复等位基因结合的情况
设亲代基因型分别为A1A1,A2A3
实质:三种不同基因组合,属于本模组中的常见现象,过程如图所示
排列数仍是12,此时其中含A1且在前的排列共6种,含A2的且在前的排列共3种,含A3的且在前的排列共3种,故显A1的概率为6/12=0.5,A2的概率为3/12=0.25,A3的概率为3/12=0.25
结论:子代基因型有四种,且A1A2:A1A3:A2A1:A3A1=1:1:1:1
即P(A1)=0.5,P(A2)=0.25,P(A3)=0.25
六、三基因双杂混交
“双杂”指在同种性状中,亲代双方均为杂合子的情况
设亲代基因型分别为A1A2,A2A3
注意:此处重复的基因为A2,而前面均为A1,在计算时请先分辨重复基因,再套入公式进行计算
实质:如遗传图谱
此时其中含A1且在前的排列共3种,含A2的且在前的排列共6种,含A3的且在前的排列共3种,故显A1的概率为3/12=0.25,A2的概率为6/12=0.5,A3的概率为3/12=0.25
结论:子代基因型共七种,且A1A2:A2A1:A2A2:A1A3:A3A1:A2A3:A3A2=1:1:2:1:1:1:1
即P(A1)=0.25,P(A2)=0.5,P(A3)=0.25
七、四基因混交
“四基因”指在同一对等位基因中,亲代具有四种基因的情况,即双方均为混血,且基因型中基因各不相同的情况
设亲代基因型分别为A1A2,A3A4
实质:该情况最为常见,也不必绘制图谱,通过枚举即可
此时其中含A1且在前的排列共3种,含A2的且在前的排列共3种,含A3的且在前的排列共3种,含A4的且在前的排列共3种,故显A1的概率为3/12=0.25,A2的概率为3/12=0.25,A3的概率为3/12=0.25,A4的概率为3/12=0.25
结论:子代基因型共八种,任意两基因均能组成两组基因型,每组基因型概率均等
即P(A1)=0.25,P(A2)=0.25,P(A3)=0.25,P(A4)=0.25
以上即所有情况,列举完毕。
结论:
在林业(Forestry)中,两同一物种生物杂交时,同一性状基因:
纯种杂交时,子代均为纯种
二基因杂交时,若亲代两基因数目均等,则子代分别显两性状,概率均等,若两基因数目不等,则子代显两性状概率比为3:1,其中基因数目多者概率大
三基因混交时,子代显三种性状概率比始终为2:1:1,基因数目多者,概率较大
四基因混交时,子代显四种性状机会均等
这里也可以解释为什么称之为“反孟德尔式杂交”:
根据上述第三种情况,此处双杂杂交不出现3:1的性状分离比,同时因为没有恒定的显隐性,故不存在测交的概念,可以认为不符合分离定律;
而分离定律是自由组合定律的基础,尽管不同性状的遗传确实呈现“自由组合”的特征,但不符合实际情况,可认为不符合自由组合定律;
同理,因为不同基因均“自由组合”,不存在同源染色体的概念,连锁互换定律无法得到展现。
所以,林业中的杂交设定是不科学的,但尽管如此,可玩度仍然很高。
这种完全按照排列进行子代性状决定的机制有点像随机给的印记基因,基因频率好像还符合“哈-温平衡”的几个条件,但因为学艺不精(精力全砸在物竞上了),这些部分笔者除了会做题外就不甚了解了,还望各位读者补充更正。
计算注意事项
虽然算这个东西确实没有必要,但是还是贴上相关的注意事项,实际游玩的时候,打开百科黄历,丢个硬币,然后把公主蜂和雄峰送入杂交即可。
所以,敝人列举几个常用的公式,以便各位进行预期计算,虽然但是,我不说各位貌似也会这么用。
若想求子代中显某性状(或含某基因组)的大致数量,公式为:
c(数量)≈a(总数)×p(单次概率,见上表)(这不用多说了吧)
若想求子代中至少n个个体显某性状(或含某基因组)的概率,公式如下:
其中,中下标i=n意指i最小值取n,中上标a意指i最大值取a,横过来的“M”读作“sigma”,功能为将右侧i取上下界内(含上下界)所有整数值时的所有代数式作连加运算。
它其实等价于右式,只是更严谨的表述(毕竟a=n+1时右式就不太严谨了)。
若想求子代中同时显n种非相对性状概率,公式如下:
其中多数符号和上式意义一致,其中的希腊字母是pi,即π的大写形式,功能相似,只是连加变为连乘,p与下标意为某种性状(或基因)的单次遗传概率,共n种。
若想求同时显n种非相对性状的子代大致数量,则须将三式与一式进行复合求解,即将三式结果代入一式计算。
若想求子代中至少p个个体显q类某性状(或含q类某基因组)的概率,则须将三式与二式进行复合求解,即将三式结果代入二式计算。
(行吧我承认这确实是废话)
当然,如果还要多种性状或子n代的基因或基因型频率的公式,只需一层一层带入计算即可,这些公式本就实用性小,故不多赘述。
如果还有某些计算上的问题,欢迎到下方评论区文明交流,或是对照教科书和上面公式看看自己或笔者算错了些什么。
最后,非常重要的一件事,如果上文表述或公式出现错误,请在下方评论区反馈,敝人将不胜感激。
实践测试与应用
(我是占位符)
结语
全文总结
本文主要探讨了,在林业(Forestry)模组中,物种的遗传趋势,与不同情况下,子代的性状与基因分布。通过比对探究,我们了解到在正常杂交中,物种基因遵照组合的方式进行分布,而在本模组中,物种基因遵照排列的方式进行分布,并使用排列数公式,与绘制非孟德尔式遗传图谱,计算子代各性状与基因型的获得概率,给出了一定的计算方式,使玩家能够进行粗略的预期计算。最后,我们针对上述模型和公式,进入游戏做了实验,进行验证,在(占位)次实验中。对于模型,在(占位)次采样中,多数试验结果与模型相似,但还有(占位)的误差,多次试验后,我们发现试验次数越多,结果越趋近于模型,这证明了本模型的正确性。对于公式,我们针对代码,绘制了(占位)的遗传流程图,共计(占位)张,通过分析流程图,我们确定了公式的准确性。此外,我们还针对(占位)的实际场景与问题,为玩家提供了应用的实例,供玩家对照应用。
教程之外的话
注:本段与教程无任何关系,可直接跳过至下方评论区
经过两个月的艰苦奋斗,我终于写完了这篇教程的大致框架。
下面这段话是会考前的珍贵资料:
Emmmm.....
诚如各位所见,这里什么也没有。
敝人此时正值地生会考前夕,没有过多的精力进入游戏进行实验验证。
而且启动器也出了故障.....
.....好罢,等放假有时间了,我会回来把这几句话划掉的。
还请期待。
我还是那句话,当个乐子看过去即可。
这篇文章与林业模组的其它教程相比,无论是干货程度还是实用系数,抑或是简单地从阅读量来看,都实在是太过逊色。
上一版的结语写的实在是中二和不堪入目,再加上时隔一年之久,可以说经历了很多,也是意识到了自己当初的稚嫩,于是删掉重写。
最初写这篇长得像论文的教程,实际上是面临地生会考时的有感而发,总是觉得自己学了很多知识,然后迫不及待地分享给周围的人。那时我大概是持一种以学术自矜的心理,但直到我经历了地生会考,经历了中考,又在高中完成了一年的学业后,才猛然想起当初的年少轻狂,现在的我,以一种半自嘲半悔恨的状态,为我当年的无知买单。未曾想当初那个痛恨着教会与学阀的自己,却在无形中成为了帮凶。
然而,现在的我也仍是少年,我的面前,尚有大量的知识没有获得,还有无数的体验没有经历。我还要至少完成六年的学业,以确保我有足够的知识和技能在社会上立足,进而走上每一个人都会走上的路。在这样一般粗劣的人生图景中,像现在这样的激情和热望,不知何时就会被时间抹平。
我常自诩自己是一个理工生,我的自满来源于我一直以来的热爱。斗转星移,秋雾冬霜,列缺霹雳,湖面倒影,这些神奇的自然规律领着我向前。当我的注意力,从精彩纷呈的自然现象,转向一堆字迹潦草的草纸时,当令我惊叹不已的奇观,化作一个个公式时,我发现它们并没有消失,而是真实地活在那些字迹里。可能这就是自然科学,一部分人避之不及,一部分人奉献终生。
而我年岁尚小,我还没有用我的整个人生去画押的决心,但我已经走在了这路上。当然,这期间也走过许多岔路,闭门造车也是常有的事,但回望来路,却没有半点悔意。
伽利略曾说:“追求科学需要特殊的勇气。”我还年轻,这样的勇气,还要经历生活的磨砺。也许在这个过程中,我会收获很多意外之喜,但我所需要做的,就是继续我的旅程,而不去思考那些随遇而得的事物。从初中到高中的蜕变,证实了奋斗的意义,而这意义也将在我向未知的人生的冲击中,得到一遍又一遍的证明。
未来的路还远着,现在的我,固然是说不出什么惊世骇俗的话。以上我所说的,没有什么箴言妙语,只是我作为一个正在路上的青年,对热爱与奋斗的一点小见解,就记在这里了。
又及:希望各位不要按动推荐按钮,教程是写给需要的人看的,如果有人真的需要,必然会自己来找。在此化身姜太公,线放长,愿者都来上钩(笑)(应该没有人需要吧)。
鸣谢
这里是本文的鸣谢名单,他(她)们给予了我不同形式不同程度的帮助,按照各自的网名或笔名等化名在这里列出,顺序不分先后:
感谢站长重生,非常及时地给我答疑解惑,本篇的公式与杂交遗传图解都是靠站长的提示贴上去的。
感谢推窗兄,在本篇的写作过程中,给予我技术上的支持与写作范例,本篇的开头参考了推窗兄的直线交点方程找要塞的教程。
感谢泽瑞兄,在写作过程中给予我理论支持,本篇中“等位基因”与“自由组合定律”“分离定律”及其相关概念与解释就是泽瑞兄告诉我的。
感谢加一姐,在理论研究中充当敝人的出气筒,一位文科女几乎每天中午都要听我讲高等数学知识,苦了加一姐。
感谢夏漱姐,作为敝人文章的首位评论员,在模型构建初期,给予我持续试错并不断修改直至成型的动力。
感谢坩埚(通流琥珀金制),为我提供线性代数的实践应用模型,为我下一项研究提供方向及思路。
感谢鸭梨不酸,在拍视频闲暇之余为我提供几分欢乐,使我不至于过度封闭而抑郁不已。
感谢模组百科,打发了我近七年的无聊时光,使得我结识了一大堆同好们(敝人2018年入站)。
感谢B站,给我推荐了许多高等数学、四大力学、矢量分析的优质课程以及扒代码、写模组的教程。
感谢人教社,提供了从小学到高中—大学衔接的所有数理化电子课本。
感谢公式编辑器,没有它就不会有连加与连乘符,以及同列上下标与多级下标。
差点忘了最重要的事——
特别感谢:所有看完教程的读者,愿你们明天会更好。
参考资料
第四单元 物种的延续
第四章 生物的遗传与变异
第一节 遗传的物质基础
第二节 性状的遗传
第四节 生物的变异
第一章 遗传因子的发现
第十章 概率
10.1 随机事件与概率
10.2 事件的相互独立性
第六章 计数原理
6.2 排列与组合
第七章 随机变量及其分布
7.2 离散型随机变量及其分布列