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遗传学是研究生物遗传和变异规律的科学。让我们从细胞开始了解遗传的基础概念。在细胞核中，染色体携带着遗传信息。染色体由DNA和蛋白质组成，DNA呈双螺旋结构，由两条反向平行的链组成，通过碱基配对连接。基因是DNA上具有特定功能的片段，控制着生物的各种性状。这些遗传物质确保了生物性状能够从亲代准确传递给子代。
孟德尔通过豌豆杂交实验发现了遗传的基本规律。分离定律指出，等位基因在配子形成时会分离，每个配子只含有一个等位基因。当纯合子亲本AA与aa杂交时，F1代全为杂合子Aa。自由组合定律说明不同基因的等位基因可以自由组合。通过棋盘图分析，我们可以预测杂交后代的基因型和表现型比例。F2代会出现AA、Aa、aa三种基因型，比例为1比2比1。这些定律为现代遗传学研究奠定了重要基础。
DNA复制是遗传信息准确传递的关键过程。复制采用半保留方式进行，每个新DNA分子都含有一条原有链和一条新合成链。首先，解旋酶打开DNA双螺旋结构，形成复制叉。然后RNA引物酶合成短的RNA引物，为DNA合成提供起点。DNA聚合酶沿着模板链方向合成新的DNA链。由于DNA聚合酶只能沿5'到3'方向合成，前导链连续合成，而滞后链则分段合成形成冈崎片段。这个精确的复制机制确保了遗传信息的忠实传递。
基因表达是将DNA中的遗传信息转化为蛋白质的过程，遵循中心法则：DNA转录为RNA，RNA翻译为蛋白质。转录阶段，RNA聚合酶结合DNA启动子区域，解开双链，以DNA为模板合成信使RNA。转录完成后，mRNA离开细胞核进入细胞质。翻译阶段，mRNA结合核糖体，转运RNA携带相应氨基酸，按照密码子的指导顺序连接氨基酸形成蛋白质链。每三个核苷酸组成一个密码子，对应一个特定氨基酸。这个精确的过程将基因信息转化为具有生物功能的蛋白质分子。
遗传变异是生物多样性的重要来源，主要包括三种类型。基因突变是DNA分子水平的变化，包括点突变、插入和缺失等，可能改变基因的功能。染色体变异分为结构变异和数目变异，结构变异包括缺失、重复、倒位和易位，数目变异如三体综合征属于非整倍体变异。基因重组通过减数分裂时的交叉互换和自由组合，重新组合亲本的遗传物质，产生新的基因型组合。这些变异为自然选择提供了丰富的原材料，是生物进化的重要驱动力，使生物能够适应环境变化并产生新的性状。