楊輝三角在解決遺傳學(xué)問題中的妙用

>>>辛 波

本文通過對(duì)楊輝三角和數(shù)量遺傳的分析，找到了兩者之間的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系，進(jìn)而提出解決數(shù)量遺傳題的新方法，為利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決遺傳學(xué)問題提供了新思路。

一、楊輝三角的特點(diǎn)

楊輝三角，是二項(xiàng)式系數(shù)在三角形中的一種幾何排列，由我國南宋數(shù)學(xué)家楊輝于1261年在其所著的《詳解九章算法》中首先提出。在人教版八年級(jí)數(shù)學(xué)上冊中，我們已經(jīng)接觸過楊輝三角。下圖即為楊輝三角：

圖1 楊輝三角

楊輝三角的內(nèi)容有很多，本文主要用到下面幾點(diǎn)：

（1）每個(gè)數(shù)等于它上方兩數(shù)之和。

（2）每行數(shù)字左右對(duì)稱，由1 開始逐漸變大。

（3）第n 行的數(shù)字有n 項(xiàng)。

二、數(shù)量遺傳的特點(diǎn)

楊輝三角與遺傳學(xué)有什么關(guān)系呢？楊輝三角的數(shù)學(xué)特征與遺傳學(xué)中的數(shù)量遺傳有密切關(guān)系。高中生物課本中孟德爾遺傳定律所提到的性狀，例如豌豆的高莖和矮莖、圓粒和皺粒，在表現(xiàn)型上都顯示出質(zhì)的差別，所以叫質(zhì)量性狀。但是除了質(zhì)量性狀外，生物體中還廣泛存在著另一類性狀差別，這些性狀的變異呈連續(xù)狀態(tài)，界限不清楚，不容易區(qū)分，叫做數(shù)量性狀。生物體的很多性狀，如玉米穗的長度、作物的產(chǎn)量、小麥種子的顏色等，都屬于數(shù)量性狀。數(shù)量性狀的遺傳雖然復(fù)雜，但本質(zhì)上仍然屬于孟德爾遺傳定律的范疇，可以用多基因理論來解釋。數(shù)量遺傳的多基因理論主要包括以下三點(diǎn)：

（1）數(shù)量性狀受多對(duì)基因支配。

（2）這些基因?qū)Ρ憩F(xiàn)型影響小，相互獨(dú)立，但以積累的方式影響相同的表現(xiàn)型。

（3）每對(duì)基因均表現(xiàn)為不完全顯性，按孟德爾法則分離。

三、楊輝三角和數(shù)量遺傳的邏輯關(guān)系

上面給大家介紹了楊輝三角和數(shù)量遺傳的多基因理論，那么這兩者之間到底存在著怎樣的邏輯關(guān)系呢？下面通過一道例題來分析一下。

例1.小麥的粒色受兩對(duì)基因R1和r1、R2和r2控制，且獨(dú)立遺傳。R1和R2決定紅色，r1和r2決定白色，并有累加效應(yīng)，所以麥粒的顏色隨R的增加而逐漸加深。將紅粒(R1R1R2R2)與白粒(r1r1r2r2)雜交得F1，F(xiàn)1自交得F2，則F2的表現(xiàn)型有 種，比例為 。

解析：根據(jù)題干中所給信息：R1和R2決定紅色，r1和r2決定白色，并有累加效應(yīng)，麥粒的顏色隨R的增加而逐漸加深，這屬于數(shù)量遺傳。下面把F2的基因型和表現(xiàn)型詳細(xì)展示出來。

表1 兩對(duì)基因決定的小麥粒色的遺傳

從圖表中可以看出表現(xiàn)型有5 種，比例為1:4:6:4:1。那么這組數(shù)字有什么規(guī)律呢？通過與楊輝三角比較發(fā)現(xiàn)，這組數(shù)字就出現(xiàn)在了楊輝三角中，也就是說，兩對(duì)基因控制的數(shù)量遺傳對(duì)應(yīng)的數(shù)字是楊輝三角中的1:4:6:4:1。那么，如果是由三對(duì)基因控制的數(shù)量遺傳與楊輝三角又有什么關(guān)系呢？我們繼續(xù)假設(shè)小麥的粒色是由三對(duì)等位基因R1r1R2r2R3r3控制，那么F2中顯性基因的數(shù)量和表現(xiàn)型的比例為：

表2 三對(duì)基因決定的小麥粒色的遺傳

我們把這組數(shù)字和楊輝三角比較發(fā)現(xiàn)，1:6:15:20:15:6:1 再次出現(xiàn)在了楊輝三角中，而且和剛才的1:4:6:4:1 正好隔了一行。通過比較這兩組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律：數(shù)量遺傳的數(shù)學(xué)特征是符合楊輝三角分布的，而且是取其單數(shù)行遺漏雙數(shù)行得到的。兩對(duì)基因控制的數(shù)量遺傳對(duì)應(yīng)第5行，三對(duì)基因控制的數(shù)量遺傳對(duì)應(yīng)第7 行，如果是四對(duì)基因控制的呢？答案是第9 行。其他以此類推。找到規(guī)律后，在解題中就可以直接使用了。

四、楊輝三角的應(yīng)用

例2.(2014年上海生物卷，25題）某種植物果實(shí)重量由三對(duì)等位基因控制，這三對(duì)基因分別位于三對(duì)同源染色體上，對(duì)果實(shí)重量的增加效應(yīng)相同且具疊加性。已知隱性純合子和顯性純合子果實(shí)重量分別為150g和270g?，F(xiàn)將三對(duì)基因均雜合的兩植株雜交，F(xiàn)1中重量為190g的果實(shí)所占比例為（ ）。

A.3/64 B.5/64 C.12/64 D.15/64

解析1（傳統(tǒng)方法）：由于顯性純合子AABBCC 和隱性純合子aabbcc 果實(shí)重量分別為270g 和150g，所以每個(gè)顯性基因增重為20g，AaBbCc 果實(shí)重量為210g。F1中重量為190g 的果實(shí)基因型中含有兩個(gè)顯性基因和四個(gè)隱性基因，共有六種基因型：AAbbcc、aaBBcc、aabbCC、AaBbcc、AabbCc、aaBbCc。AAbbcc所占比例為1/4×1/4×1/4=1/64，同理aaBBcc和aabbCC均為1/64；AaBbcc所占比例為2/4×2/4×1/4=4/64，同理AabbCc 和aaBbCc 均為4/64；所以1/64×3+4/64×3=15/64。

解析2（楊輝三角法）：通過對(duì)題干分析我們發(fā)現(xiàn)，果實(shí)重量是受三對(duì)基因控制的數(shù)量遺傳，三對(duì)基因在楊輝三角中對(duì)應(yīng)的數(shù)字是1:6:15:20:15:6:1，一共是64 份，190g 的個(gè)體含有兩個(gè)顯性基因，兩個(gè)顯性基因?qū)?yīng)的數(shù)字是15，這樣我們就得到15/64。

通過這兩道例題我們展示了楊輝三角和數(shù)量遺傳的邏輯關(guān)系，而這種邏輯關(guān)系巧妙地解決了數(shù)量遺傳中的數(shù)學(xué)問題，提供了一種新的方法。利用楊輝三角來解決遺傳問題，相對(duì)于傳統(tǒng)方法而言計(jì)算量下降、準(zhǔn)確度提高。數(shù)學(xué)中有很多知識(shí)可以用來解決生物問題，例如排列組合、二項(xiàng)式定理等。當(dāng)然還有更多的數(shù)學(xué)知識(shí)等待大家去發(fā)掘，希望大家能多多研究，帶來更精彩的內(nèi)容。