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孟德爾單因子雜交實驗 指南

生物初級閱讀時間: 3 分鐘

概述

為什麼一對棕眼睛的夫婦會生出一個藍眼睛的孩子？為什麼高莖豌豆的後代裡會出現矮莖？19 世紀中葉，孟德爾透過栽培豌豆揭開了遺傳學的神秘面紗。本實驗模擬了單因子雜交實驗，帶你理解性狀是如何分離的，以及隨機性背後的統計規律。

背景知識

1865 年，奧地利修道士格雷戈爾·孟德爾（Gregor Mendel）發表了他對豌豆雜交實驗的研究結果。在那個甚至還沒發現染色體和 DNA 的時代，他透過嚴謹的數學分析，推導出了生物性狀遺傳的基本規律。他發現，生物的性狀是由成對的「遺傳因子」決定的，這些因子在產生配子時會發生分離。這一發現被後人稱為孟德爾第一定律，即「分離定律」，它標誌著現代遺傳學的誕生。

核心概念

等位基因 (Allele)

位於一對同源染色體相同位置上，控制相對性狀的基因。常用 AA（顯性）和 aa（隱性）表示。

基因型 (Genotype)

生物體個體的基因組合。如純合子（AAAA、aaaa）和雜合子（AaAa）。

表型 (Phenotype)

生物體表現出來的性狀。在完全顯性下，AAAA 和 AaAa 表現相同的顯性表型。

分離定律 (Law of Segregation)

在形成配子時，成對的等位基因彼此分離，分別進入不同的配子中。每個配子只含有其中一個基因。

公式與推導

雜合子自交後代比例 (Aa×AaAa \times Aa)

基因型=1AA:2Aa:1aa,表型=3 顯性:1 隱性\text{基因型} = 1AA : 2Aa : 1aa, \quad \text{表型} = 3 \text{ 顯性} : 1 \text{ 隱性}
這是孟德爾實驗中最經典的比例關係。顯性性狀與隱性性狀的數量比接近 3:13:1。

實驗步驟

  1. 1

    設置親本

    在控制面板中選擇父本和母本的基因型。嘗試設置為經典的「Aa×AaAa \times Aa」模型。
  2. 2

    觀察配子分離

    查看中間的圖示，觀察親本產生 AA 和 aa 配子的過程。兩種配子出現的機率分別是多少？
  3. 3

    構建 Punnett 方格

    方格展示了配子隨機結合的所有可能結果（2×2=42 \times 2 = 4 種組合）。每種組合出現的概率是多少？
  4. 4

    大規模模擬

    設置子代數量 N=100N=100，點擊「運行模擬」。觀察實際產生的顯性與隱性表型比例，它精確等於理論預期嗎？嘗試將 NN 增加到 20002000，比例變化趨勢如何？（提示：樣本量越大，規律越____）

學習目標

  • 掌握等位基因、基因型和表型的基本定義
  • 深刻理解孟德爾分離定律的力學機制（配子分離與隨機結合）
  • 能夠運用 Punnett 方格預測雜交後代的基因型和表型分佈
  • 認識到生物遺傳中的隨機性與大數定律的關係

生活應用

  • 遺傳諮詢：透過調查家族史，預測後代患某些隱性遺傳病（如白化病）的風險。
  • 動植物育種：透過雜交選育，將分散在不同品種中的優良性狀（如抗病、高產）集中到同一品種中。
  • 醫學診斷：根據家系圖推斷個體的基因攜帶情況，輔助精準醫療。
  • DNA 親子鑑定：法醫學和個人基因檢測服務利用孟德爾遺傳原理，透過比對等位基因判斷親緣關係。
  • 基因編輯（CRISPR）：現代基因編輯技術以孟德爾遺傳規律為理論基礎，精準修改特定基因。

常見誤區

誤區
顯性性狀在群體中一定佔多數
正解
錯誤。顯性僅僅是指該基因能掩蓋隱性基因的表達。一個性狀在群體中的多寡取決於自然選擇和等位基因頻率，而非顯隱性本身。例如，多指症是顯性遺傳，但在人群中非常罕見。
誤區
若後代比例不是精確的 3:13:1，說明實驗失敗了
正解
錯誤。遺傳本質上是概率事件。樣本量越小，隨機偏差越大。只有在大樣本下（大數定律）才會趨近理論值。

延伸閱讀

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