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遗传学是研究生物体遗传和变异的科学，主要研究基因如何传递并影响生物体的性状。遗传学的研究对象包括基因、DNA和染色体。DNA是遗传信息的载体，呈双螺旋结构。染色体是DNA高度浓缩后形成的结构，携带着生物体的遗传信息。遗传学的核心问题是研究遗传信息如何从亲代传递到子代，以及这些信息如何影响生物体的表型特征。遗传学的研究范围涵盖从分子水平到群体水平的多个层次。
孟德尔通过对豌豆的杂交实验，发现了基本的遗传规律，奠定了现代遗传学的基础。他提出的第一个定律是分离定律，指出等位基因在配子形成时会彼此分离。第二个定律是自由组合定律，表明不同性状的遗传是相互独立的。孟德尔还发现了显性和隐性的概念，即某些基因的表达可以掩盖其他基因的表达。在这个庞奈特方格中，我们可以看到一对杂合子Aa交配产生的后代，其基因型比例为1:2:1，而表现型比例为3:1，即三分之三表现为显性性状，三分之一表现为隐性性状。
DNA是遗传信息的载体，其双螺旋结构由沃森和克里克于1953年发现。DNA由两条互补的核苷酸链组成，这两条链通过碱基配对连接在一起。碱基配对遵循特定规则：腺嘌呤（A）总是与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）总是与胞嘧啶（C）配对。DNA的复制采用半保留复制方式，即在复制过程中，原有的双链解开，每条单链作为模板，合成新的互补链，最终形成两个DNA分子，每个分子都包含一条原有的链和一条新合成的链。复制过程中，DNA聚合酶是关键酶，它能够按照模板链上的碱基序列，合成互补的新链。
基因表达是遗传信息从DNA转化为功能性蛋白质的过程，包括转录和翻译两个主要阶段。在转录阶段，DNA上的遗传信息被转录成信使RNA（mRNA）。这一过程由RNA聚合酶催化，它能够识别DNA上的启动子序列，并按照DNA模板合成互补的RNA链。在真核生物中，新合成的RNA称为前体mRNA，需要经过加工才能成为成熟的mRNA。加工过程包括剪接，即去除内含子并连接外显子。成熟的mRNA随后进入翻译阶段，在核糖体的帮助下，按照遗传密码将核苷酸序列翻译成氨基酸序列，最终合成蛋白质。基因表达受到严格调控，确保基因在正确的时间和地点表达适量的蛋白质。
遗传学在多个领域有着广泛的应用。在医学领域，基因诊断技术可以检测遗传疾病，基因治疗则为一些遗传性疾病提供了新的治疗方法。在农业领域，遗传学知识被用于作物育种和转基因技术，提高作物产量和抗性。在法医学领域，DNA指纹技术和亲子鉴定已成为重要的鉴定手段。在进化生物学中，遗传学为研究物种起源和演化提供了有力工具。遗传学的发展经历了多个重要里程碑：1866年孟德尔发表遗传定律；1953年沃森和克里克发现DNA双螺旋结构；1977年桑格开发DNA测序技术；1990年人类基因组计划启动；2003年人类基因组测序基本完成；2012年CRISPR基因编辑技术问世。随着技术的不断进步，遗传学将在未来继续发挥重要作用，推动生命科学和医学的发展。