利用C語言模擬兩對相對性狀的雜交實驗

孫志濤

湖北省武漢市水果湖高級中學(xué)(430071)

1 實驗內(nèi)容分析

“兩對相對性狀的模擬雜交實驗”是浙科版普通高中教科書生物學(xué)必修2第1章“遺傳的基本規(guī)律”第2節(jié)“孟德爾從兩對相對性狀的雜交實驗中總結(jié)出自由組合定律”中“活動”部分的內(nèi)容。教科書中用“雄1”“雌1”兩個信封各裝入20張卡片(10張標(biāo)有“黃Y”的卡片和10張標(biāo)有“綠y”的卡片),“雄2”“雌2”兩個信封各裝入20張卡片(10張標(biāo)有“圓R”的卡片和10張標(biāo)有“皺r”的卡片),從“雄1”和“雄2”中各取一張卡片得到的字母組合代表F1(YyRr)產(chǎn)生的雄配子基因型,從“雌1”和“雌2”中各取一張卡片得到的字母組合代表F1(YyRr)產(chǎn)生的雌配子基因型,然后,將雌雄配子隨機結(jié)合得到F2基因型,再重復(fù)多次得到F2的基因型及表現(xiàn)型的比例。

此實驗在重復(fù)次數(shù)足夠多時才會比較符合理論比例,其優(yōu)點在于直觀性強,然而要想得到較好的實驗數(shù)據(jù),需要花費較多時間。利用C語言對F1產(chǎn)生配子過程及雌雄配子的隨機結(jié)合進(jìn)行模擬,可以快速獲得上萬次的模擬實驗結(jié)果,能大大節(jié)約實驗的時間,并能在程序設(shè)計過程中鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力。

2 程序設(shè)計思路

本程序基于C語言設(shè)計,首先需要使用者輸入需要模擬的受精卵數(shù)量,即F2個體數(shù)量。程序的核心是模擬F1產(chǎn)生配子時的自由組合過程及雌雄配子的隨機結(jié)合。程序中F1的基因型用AaBb表示。程序的總體思路如圖1所示。

圖1 程序的總體思路

3 具體實現(xiàn)方法

利用字符數(shù)組sperm[ ]儲存雄配子基因型,sperm[0]儲存雄配子的A或a基因,sperm[1]儲存雄配子的B或b基因。利用字符數(shù)組egg[ ]儲存雌配子基因型,egg[0]儲存雌配子的A或a基因,egg[1]儲存雌配子的B或b基因。這樣sperm[ ]和egg[ ]就分別代表雄配子和雌配子的基因型了。利用字符數(shù)組zygote[ ]儲存受精卵基因型,zygote[0]和zygote[1]儲存受精卵中的A、a基因,zygote[2]和zygote[3]儲存受精卵中的B、b基因。

3.1 隨機性的實現(xiàn)

C語言的rand( )函數(shù)可以隨機產(chǎn)生一個0到RAND_MAX(至少是32767)之間的整數(shù),在隨機產(chǎn)生的數(shù)中,奇數(shù)和偶數(shù)出現(xiàn)的概率幾乎相同,可以用來模擬F1(AaBb)產(chǎn)生的配子中含A的配子:含a的配子=1∶1,產(chǎn)生的配子中含B的配子:含b的配子=1∶1。只是在每次開始模擬實驗前,要用srand( )函數(shù)設(shè)置隨機數(shù)種子,才能使每次產(chǎn)生的隨機數(shù)不同。本模擬實驗中使用〔srand(unsigned)time(NULL)〕來設(shè)置隨機數(shù)種子,即通過獲取當(dāng)前時間將之作為種子值,這樣每次模擬實驗的具體時間不同,就能保證種子值不同,獲得的隨機數(shù)也能不同,充分保證了隨機性。

3.2 模擬隨機產(chǎn)生雌雄配子

通過rand( )函數(shù)產(chǎn)生一個隨機數(shù),當(dāng)它為偶數(shù)時,模擬F1(AaBb)隨機產(chǎn)生的雄配子中含A,當(dāng)它為奇數(shù)時,模擬F1(AaBb)隨機產(chǎn)生的雄配子含a,并將該字母存入sperm[0]中。重復(fù)上述方法,將隨機產(chǎn)生的B或b存入sperm[1]中。用同樣的方法模擬隨機產(chǎn)生的雌配子,并將其A或a基因存入egg[0]中,將其B或b存入egg[1]中。這樣就得到了隨機產(chǎn)生的雌雄配子,其中字符數(shù)組sperm[ ]代表雄配子基因型,字符數(shù)組egg[ ]代表雌配子基因型。

3.3 各基因型配子的計數(shù)

在C語言中,每個字母都有對應(yīng)的ASCII碼,A的ASCII碼是65,B的ASCII碼是66,a的ASCII碼是97,b的ASCII碼是98,本模擬實驗利用ASCII碼之和判斷雄配子類型,并進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)sperm[0]+sperm[1]=131時,說明雄配子基因型是AB,此時將AB型雄配子數(shù)量+1;當(dāng)sperm[0]+sperm[1]=195時,說明雄配子基因型是ab,此時將ab型雄配子數(shù)量+1;當(dāng)sperm[0]+sperm[1]=163時,說明雄配子基因型是Ab或aB,再判斷sperm[0]是否為A,若為A則說明雄配子基因型是Ab,此時將Ab型雄配子數(shù)量+1,否則說明雄配子基因型是aB,此時將aB型雄配子數(shù)量+1,然后用同樣方法對雌配子進(jìn)行計數(shù)。

3.4 模擬雌雄配子隨機結(jié)合

將每次隨機產(chǎn)生的sperm[ ]和egg[ ]拼接起來組合成受精卵基因型來模擬雌雄配子隨機結(jié)合,并將受精卵基因型存入字符數(shù)組zygote[ ]中,存入時,字母A、a、B、b按基因型書寫規(guī)范進(jìn)行排序,然后再進(jìn)行儲存。排序方法如下:

先對sperm[0]和egg[0]進(jìn)行排序,通過sperm[0]-egg[0]的值來判斷受精卵的第1對等位基因是AA、Aa還是aa。當(dāng)sperm[0]-egg[0]=32或-32時,說明受精卵的第1對等位基因是Aa;當(dāng)sperm[0]-egg[0]=0時,說明受精卵的第1對等位基因是AA或aa,再判斷sperm[0]是否為A,若為A,則說明受精卵的第1對等位基因是AA,否則,則說明受精卵的第1對等位基因是aa。然后通過賦值的方式將這對基因依次存入zygote[0]和zygote[1]中,這樣就將受精卵的A/a這對基因按基因型書寫規(guī)范存入字符數(shù)組zygote[ ]中對應(yīng)位置了。

再對sperm[1]和egg[1]進(jìn)行排序,通過sperm[1]-egg[1]的值來判斷受精卵的第2對等位基因是BB、Bb還是bb。當(dāng)sperm[1]-egg[1]=32或-32時,說明受精卵的第2對等位基因是Bb;當(dāng)sperm[1]-egg[1]=0時,說明受精卵的第2對等位基因是BB或bb,再判斷sperm[1]是否為B,若為B,則說明受精卵的第2對等位基因是BB,否則則說明受精卵的第2對等位基因是bb。然后通過賦值的方式將這對基因依次存入zygote[2]和zygote[3]中,這樣就將受精卵的B/b這對基因按基因型書寫規(guī)范存入字符數(shù)組zygote[ ]中對應(yīng)位置了。

此時,zygote[0]、zygote[1]、zygote[2]和zygote[3]共存儲了4個字母,連起來就是受精卵的基因型,并且形成的字符串的字母順序完全符合基因型書寫規(guī)范。

3.5 各表現(xiàn)型F2的計數(shù)

在C語言中strcmp( )函數(shù)用來比較兩個字符串,并且區(qū)分字母的大小寫,上述字符數(shù)組即可看作字符串,因此可以用strcmp( )函數(shù)依次和各種表現(xiàn)型的基因型進(jìn)行比較來對各表現(xiàn)型F2進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)字符數(shù)組zygote[ ]代表的字符串是AABB、AaBB、AABb或AaBb時,A_B_表現(xiàn)型個體數(shù)量+1;當(dāng)字符數(shù)組zygote[ ]代表的字符串是AAbb或Aabb時,A_bb表現(xiàn)型個體數(shù)量+1;當(dāng)字符數(shù)組zygote[ ]代表的字符串是aaBB或aaBb時,aaB_表現(xiàn)型個體數(shù)量+1;當(dāng)字符數(shù)組zygote[ ]代表的字符串是aabb時,aabb表現(xiàn)型個體數(shù)量+1。這樣就能統(tǒng)計各表現(xiàn)型F2的數(shù)目了。然后輸出AB、Ab、aB、ab型雄配子之比,AB、Ab、aB、ab型雌配子之比以及A_B_、A_bb、aaB_、aabb四種表現(xiàn)型之比。

3.6 對比例的處理

當(dāng)模擬的F2個體數(shù)量小時,可能會出現(xiàn)某種基因型配子數(shù)為0的情況,此時顯示的配子比直接用配子數(shù)量來表示。當(dāng)各基因型配子數(shù)都不為0時,配子比保留兩位小數(shù)。F2表現(xiàn)型之比也做同樣處理。

4 程序運行效果及優(yōu)點

程序代碼寫好后,可以在開發(fā)軟件中編譯成exe文件,該文件可以拷貝到任意Windows平臺的電腦上運行,方便進(jìn)行模擬實驗。輸入要模擬的F2的數(shù)量為10 000后,不到4 s便可得到F1產(chǎn)生的雌雄配子比和F2的四種表現(xiàn)型之比,如圖2(a)所示。并且程序中設(shè)置了循環(huán),運行程序后即可反復(fù)多次進(jìn)行模擬實驗,不需要通過重啟程序來進(jìn)行重復(fù)實驗。另外還可以把源代碼復(fù)制粘貼到手機App“C語言編譯器”,點擊運行即可進(jìn)行模擬實驗,如圖2(b)所示,使用十分方便。

(a) (b)圖2 程序在電腦和手機上運行圖示

另外,筆者在編寫程序過程中已經(jīng)考慮了模擬數(shù)量自定義的問題,打開exe程序后,會提示“輸入要模擬的受精卵(F2)數(shù)量”,這個數(shù)量可以在模擬實驗者運行exe文件時進(jìn)行自主設(shè)置,無需改動程序源代碼,也無需重新編譯源代碼,這樣大大拓展了程序的可用性,還能快速模擬探究樣本數(shù)據(jù)大小對實驗結(jié)果的影響,讓學(xué)生體會進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析時,樣本數(shù)據(jù)足夠大對實驗結(jié)果和結(jié)論的重要性。

5 總結(jié)

在教學(xué)過程中,模擬兩對相對性狀的雜交實驗的重點在于讓學(xué)生理解自由組合定律的本質(zhì),即基因型為AaBb的個體產(chǎn)生的AB、Ab、aB、ab型雄(雌)配子之比為1∶1∶1∶1,在本模擬實驗中,也是在保證AB、Ab、aB、ab型雄(雌)配子之比為1∶1∶1∶1及雌性配子隨機結(jié)合的基礎(chǔ)上,即模擬得到了最終的F2表現(xiàn)型之比9∶3∶3∶1,該模擬過程能讓學(xué)生深刻理解自由組合定律的實質(zhì)。并且整個程序只需要輸入要模擬的F2個體數(shù)量即可完成模擬實驗。模擬過程中需要學(xué)生進(jìn)行程序設(shè)計的總體規(guī)劃,畫出程序設(shè)計流程圖,這能鍛煉學(xué)生的模型構(gòu)建、歸納與概括、創(chuàng)造性思維等科學(xué)思維。對于有編程能力的學(xué)生,可以鼓勵他們進(jìn)行程序編寫,有利于培養(yǎng)學(xué)生運用科學(xué)的思維方法解決實際問題的能力。