群体遗传学是遗传学的一个分支，研究群体内部和群体之间遗传变异的分布以及随时间改变等位基因频率的力量。该领域为理解进化、保护生物学和人类疾病的遗传基础提供了数学基础。
等位基因和基因型频率
群体遗传学中的基本量是等位基因频率（群体中某个基因座上每个等位基因的比例）和基因型频率（每个基因型的比例）。对于具有两个等位基因 A 和 a 的二倍体基因座，如果 p 代表 A 的频率，q 代表 a 的频率，则当仅存在两个等位基因时，p + q = 1。基因型频率是群体中 AA、Aa 和 aa 个体的比例。这些频率相关但不相同：基因型频率只能在特定假设下从等位基因频率得出，群体遗传学的中心目标之一是了解观察到的基因型频率何时以及为何偏离预期。
哈代-温伯格原理
哈代-温伯格原理指出，在没有进化力量的情况下，种群中的等位基因和基因型频率一代又一代地保持恒定。对于具有两个等位基因的基因座，Hardy-Weinberg 平衡下的预期基因型频率为 AA 的 p²、Aa 的 2pq 和 aa 的 q²。无论起始基因型频率如何，在一代随机交配后即可达到这种平衡。该原理充当群体遗传学的零模型：当观察到的基因型频率与哈迪-温伯格预期显着不同时，表明一种或多种进化力量正在发挥作用。哈代-温伯格原理适用于五个假设：无限大的种群、随机交配、无突变、无基因流（迁移）和无自然选择。真实的种群永远不会满足所有的假设，这使得该原理成为衡量进化变化的基线。
自然选择
当基因型的适应性（生存和繁殖能力）不同时，自然选择会改变等位基因频率。基因型的适合度是相对于最适合的基因型来表达的，选择系数衡量适合度的降低。方向选择有利于一个等位基因而不是另一个，导致其频率随着时间的推移而增加。对于显性优势等位基因，选择有效地起作用，因为等位基因在纯合子和杂合子中都表达。对于隐性有利等位基因，选择进行得更慢，因为该等位基因在杂合子中被隐藏而无法被选择。平衡选择通过杂合子优势（过度显性）等机制维持群体中的多个等位基因，其中杂合子比纯合子具有更高的适应度，正如赋予疟疾抗性的镰状细胞性状所见。当基因型的适应性取决于其在群体中的频率时，就会发生频率依赖性选择，而稀有基因型有时具有优势。
遗传漂变
遗传漂变是由于有限的种群规模导致等位基因频率的随机波动。在小群体中，即使没有选择，等位基因频率也可能因偶然而发生巨大变化。漂移的幅度与种群大小成反比：在大小为 N 的种群中，对于二倍体基因座，每代等位基因频率变化的方差为 pq/2N，这意味着较小的种群会经历较大的随机波动。随着时间的推移，漂移会导致遗传多样性丧失，其中一个等位基因最终会固定（频率 = 1），而其他等位基因会丢失（频率 = 0）。新的中性突变仅通过漂移而固定的概率等于其初始频率 1/2N。有效种群规模 (Ne) 是指经历与实际种群相同的漂移率的理想种群的大小，考虑了性别比例不平等、繁殖成功率差异和种群瓶颈等因素。
基因流动和迁移
基因流，也称为迁移，是等位基因在种群之间的移动。迁移将新的等位基因引入种群并减少种群之间的遗传差异。基因流的程度通过 FST 来衡量，FST 是一种统计量，用于量化归因于种群间差异的遗传变异比例，范围从 0（无分化）到 1（完全分化）。低 FST 值表明基因流高，而高值表明基因流受限和群体结构更大。岛屿模型和垫脚石模型描述了种群之间的迁移模式，并预测遗传变异如何在地理空间中划分。
突变
突变以低速率向群体引入新的遗传变异，对于点突变，通常每代每个碱基对 10⁻⁸ 至 10⁻⁹。尽管突变很罕见，但它是所有遗传变异的最终来源，并且对于长期进化至关重要。突变选择平衡描述了有害等位基因的平衡频率，该平衡频率由突变创建新副本和选择删除它们的相反力量决定。对于隐性有害等位基因，平衡频率大约是突变率除以选择系数的平方根，而对于显性有害等位基因，平衡频率大约是突变率除以选择系数的两倍。
非随机交配
非随机交配模式会影响基因型频率，但不会直接改变等位基因频率。正选型交配（具有相似表型的个体优先交配）会增加纯合性。负选型交配（不选型交配）会增加杂合性。近亲繁殖，即亲属之间的交配，增加了全基因组纯合子的比例，并通过近交系数 F 进行量化，该系数衡量一个基因座上两个等位基因在血统上相同的概率。近交暴露了纯合子中隐性的有害等位基因，导致近交抑郁，即在相关个体的后代中观察到的适应性下降。
在人类遗传学中的应用
群体遗传学原理广泛应用于人类遗传学。全基因组关联研究 (GWAS) 使用基于人群的样本来识别与疾病相关的遗传变异，但如果控制不当，人群分层（祖先群体之间的等位基因频率差异）可能会产生虚假关联。混合绘图利用非洲裔美国人等人群的混合血统来识别疾病风险变异。法医遗传学使用 Hardy-Weinberg 假设来计算 DNA 分析中随机匹配的概率。保护遗传学应用这些原则来管理濒危物种的遗传多样性，利用有效的种群规模估计和遗传分化的测量来指导育种计划和栖息地管理。
