遗传这一章最难跨过去的一道坎，是“看不见的基因”和“看得见的性状”对不上：两株高茎豌豆杂交，后代里偏偏冒出矮茎；而高茎和矮茎杂交，后代却清一色全是高茎。这个模拟把基因组合摊开成一张庞纳特方格，再让学生一次生成上百个子代，理论比例和实际比例并排放着，那个反直觉的 3 : 1 就自己显出来了。

实验目的

学生用完这个模拟，应该能做到：

  • 区分性状（看得见的高矮）和基因组成（看不见的 DD、Dd、dd）；
  • 说出显性基因掩盖隐性基因的表现：只要有一个 D 就是高茎，只有 dd 才是矮茎；
  • 用“形成生殖细胞时成对的基因要分开”解释一株 Dd 为什么能产生两种配子；
  • 读懂 Dd × Dd 后代里 3 : 1 的表现型比和 1 : 2 : 1 的基因型比；
  • 理解这些比例是概率，子代越多才越接近理论值。
互动模拟 · 基因的显性和隐性
× 父本 Dd（高茎） 母本 Dd（高茎） 配子 D d D d DD Dd Dd dd 四种组合的机会均等 子代统计 表现型（看得见的样子） 高茎 0 矮茎 0 理论上 3 高茎 : 1 矮茎 基因型（看不见的组成） DD 0 Dd 0 dd 0 还没有子代，点“生一个子代”开始

双亲都是高茎（Dd），子代却会出现矮茎。

父本：
母本：
D 是高茎基因（显性），d 是矮茎基因（隐性）。先看左边的方格算出理论比例，再用右边的统计验证它。动手版实验：两枚硬币做一次遗传实验

如何操作

  1. 默认是 Dd × Dd：两株亲本都是高茎。看左边的方格，父本能给出 D 或 d，母本也能给出 D 或 d，四格里出现了 DD、Dd、Dd、dd。
  2. 点几次“生一个子代”。前几个很可能全是高茎，也可能一上来就出矮茎，单个后代是随机的。
  3. 连点几次“一次生 100 个”。看表现型那根条：高茎的绿色段会稳定在四分之三左右，实际比逐渐逼近 3 : 1。
  4. 再看基因型的三根条：DD 和 Dd 加起来才是绿色的高茎，Dd 大约是 DD 的两倍。
  5. 把父本改成 DD、母本改成 dd：方格四格全是 Dd，无论生多少个，矮茎一个都不会出现。
  6. 再把父本改成 Dd、母本保持 dd：这叫“测交”，高矮各占一半。
  7. 最后试 dd × dd：子代全部矮茎，再也回不到高茎。
方格该怎么读：上面一行是父本产生的两种配子（精子），左边一列是母本产生的两种配子（卵细胞）。每一格就是一次受精：横竖两个基因凑成一对，构成子代的基因组成。四格机会均等，所以数格子就能得到理论比例。

实验现象

把学生统计到的结果和下面这些对照一下：

  • Dd × Dd：方格里三格含 D、一格是 dd。生 400 个以上时，高茎大约 75%、矮茎大约 25%，基因型接近 1 DD : 2 Dd : 1 dd。
  • DD × dd：四格全是 Dd，子代 100% 高茎。矮茎基因 d 每个后代都带着，却一个也没表现出来。
  • Dd × dd：两格 Dd、两格 dd，高矮各约一半。
  • DD × Dd：子代一半 DD、一半 Dd，但全部是高茎，基因组成不同，外表却完全一样。
  • dd × dd：子代全部 dd，全部矮茎。
  • 只生十几个的时候，实际比例往往偏得很离谱（比如 9 : 1 甚至 12 : 0）；生到几百个才稳定下来。

实验原理

生物体的性状由基因控制。在体细胞里，控制同一性状的基因成对存在，分别位于一对染色体上。豌豆的茎高由一对基因控制：D 是控制高茎的显性基因，d 是控制矮茎的隐性基因。

于是基因组成只有三种可能，对应的性状却只有两种：

  • DD：高茎。两个都是显性基因。
  • Dd：还是高茎。D 存在时，d 控制的性状不表现出来。
  • dd：矮茎。隐性性状只有在两个基因都是隐性时才表现。

要看生殖细胞是怎么来的：形成精子或卵细胞时，成对的基因要彼此分开，各自进入一个生殖细胞，所以每个配子里只有一个基因。Dd 的个体因此能产生两种配子（含 D 的和含 d 的），数量大致相等；DD 只能产生含 D 的配子，dd 只能产生含 d 的配子。受精时，精子和卵细胞随机结合，基因又恢复成对。这就是方格里四种组合的由来。

这就是孟德尔在十九世纪用豌豆做出的发现。他让纯种高茎和纯种矮茎杂交，子一代全部是高茎，矮茎像是消失了；再让子一代自交，矮茎又出现了，而且高矮之比接近 3 : 1。矮茎从未消失，它只是以 d 的形式藏在 Dd 里被带了下去。学生在模拟里做的，就是这两步。

还要注意 3 : 1 的性质：它是概率，不是配额。每一次受精都像抛一次硬币，互相独立。所以“已经生了三个高茎，第四个一定是矮茎”是错的，第四个仍然有 3/4 的机会是高茎。只有当后代数量足够多，实际比例才会向理论值靠拢，这也是孟德尔要统计上千株豌豆的原因。

这套规律直接解释了一个常被追问的现象：父母双方都正常，孩子却可能患上隐性遗传病。如果父母都是 Aa（携带者，本人不患病），孩子就有大约 1/4 的可能是 aa 而患病。近亲之间携带同种隐性致病基因的可能性远高于常人，后代患隐性遗传病的风险因此明显升高。这就是法律禁止近亲结婚的生物学依据。

常见误区

  • “显性基因比隐性基因更强、更好” —— 不对。显性只是描述在杂合时哪个性状表现出来，与好坏、多少无关。人的多指是显性，白化病是隐性，显然不是“显性更好”。
  • “Dd 里的 d 被 D 消灭了” —— 没有。d 完好地保存着，还会照样传给下一代，只是在这一代没有表现的机会。
  • “高茎的豌豆基因组成一定是 DD” —— 不一定，也可能是 Dd。想知道是哪一种，就和 dd 测交：若后代出现矮茎，它必然是 Dd。
  • “3 : 1 意味着每 4 个后代里必有 1 个矮茎” —— 错。这是概率，样本小时偏差很大，模拟里生 8 个常常一个矮茎都没有。
  • “父母都是高茎，后代就不可能有矮茎” —— 正好相反，Dd × Dd 就会有。这也是本模拟最该多点几次的一步。
  • “性状完全由基因决定” —— 基因决定的是可能的范围，环境也会影响最终表现。同样基因的作物在贫瘠土地上依然长不高，但这种变化不会遗传。

应用与延伸

  • 选育良种时，育种者常用测交来判断一株表现优良的植株是纯合还是杂合，纯合的才好留种。
  • 人的耳垂、卷舌、有无酒窝等性状常被当作显隐性的课堂例子，但真实的人类性状多数由多对基因共同控制，比豌豆复杂得多，别把课本的简化模型直接套到自家人身上。
  • 婚前与孕前的遗传咨询，做的就是同一套推算：根据双方是否携带某个隐性致病基因，估算后代的患病概率。
  • 把模拟设成 Dd × Dd，每次只生 10 个、重复十轮，把十轮的比例记下来，学生会直观地看到小样本的波动有多大，这也是统计学里最基本的一课。
  • 动手补充：用两枚硬币代替配子，正面当 D、反面当 d，抛 100 次统计三种组合，能得到几乎一样的结果。

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