基因、染色體組、共顯性遺傳、交叉遺傳的概念

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基因
   人體基因組圖譜好比是一張能說明構成每一個人體細​​胞脫氧核糖核酸(dna)的30億個鹼基對精確排列的“地圖”。科學家們認為，通過對每一個基因的測定，人們將能夠找到新的方法來治療和預防許多疾病，如癌症和心髒病等。該圖非常形像地把基因家族的各種基因描繪出來。【基因概述】

    基因（Gene,Mendelian factor）是指攜帶有遺傳信息的DNA或RNA序列，也稱為遺傳因子，是控制性狀的基本遺傳單位。基因通過指導蛋白質的合成來表達自己所攜帶的遺傳信息，從而控制生物個體的性狀表現。

【英文簡述】
    A gene is a set of segments of nucleic acid that contains the information necessary to produce a functional RNA product in a controlled manner. They contain regulatory regions dictating under what conditions this product is made, transcribed regions dictating the sequence of the RNA product, and /or other functional sequence regions. The physical development and phenotype of organisms can be thought of as a product of genes interacting with each other and with the environment，and genes can be considered as units of inheritance.【基因特點】

    基因有兩個特點，一是能忠實地複制自己，以保持生物的基本特徵；二是基因能夠“突變”，突變絕大多數會導致疾病，另外的一小部分是非致病突變。非致病突變給自然選擇帶來了原始材料，使生物可以在自然選擇中被選擇出最適合自然的個體。

    含特定遺傳信息的核苷酸序列，是遺傳物質的最小功能單位。除某些病毒的基因由核糖核酸（RNA）構成以外，多數生物的基因由脫氧核糖核酸（DNA）構成，並在染色體上作線狀排列。基因一詞通常指染色體基因。在真核生物中，由於染色體都在細胞核內，所以又稱為核基因。位於線粒體和葉綠體等細胞器中的基因則稱為染色體外基因、核外基因或細胞質基因，也可以分別稱為線粒體基因、質粒和葉綠體基因。

    在通常的二倍體的細胞或個體中，能維持配子或配子體正常功能的最低數目的一套染色體稱為染色體組或基因組，一個基因組中包含一整套基因。相應的全部細胞質基因構成一個細胞質基因組，其中包括線粒體基因組和葉綠體基因組等。原核生物的基因組是一個單純的DNA或RNA分子，因此又稱為基因帶，通常也稱為它的染色體。

    基因在染色體上的位置稱為座位，每個基因都有自己特定的座位。凡是在同源染色體上佔據相同座位的基因都稱為等位基因。在自然群體中往往有一種佔多數的（因此常被視為正常的）等位基因，稱為野生型基因；同一座位上的其他等位基因一般都直接或間接地由野生型基因通過突變產生，相對於野生型基因，稱它們為突變型基因。在二倍體的細胞或個體內有兩個同源染色體，所以每一個座位上有兩個等位基因。如果這兩個等位基因是相同的，那麼就這個基因座位來講，這種細胞或個體稱為純合體；如果這兩個等位基因是不同的，就稱為雜合體。在雜合體中，兩個不同的等位基因往往只表現一個基因的性狀，這個基因稱為顯性基因，另一個基因則稱為隱性基因。在二倍體的生物群體中等位基因往往不止兩個，兩個以上的等位基因稱為複等位基因。不過有一部分早期認為是屬於復等位基因的基因，實際上並不是真正的等位，而是在功能上密切相關、在位置上又鄰接的幾個基因，所以把它們另稱為擬等位基因。某些表型效應差異極少的複等位基因的存在很容易被忽視，通過特殊的遺傳學分析可以分辨出存在於野生群體中的幾個等位基因。這種從性狀上難以區分的複等位基因稱為同等位基因。許多編碼同工酶的基因也是同等位基因。

    屬於同一染色體的基因構成一個連鎖群(見連鎖和交換)。基因在染色體上的位置一般並不反映它們在生理功能上的性質和關係，但它們的位置和排列也不完全是隨機的。在細菌中編碼同一生物合成途徑中有關酶的一系列基因常排列在一起，構成一個操縱子（見基因調控）；在人、果蠅和小鼠等不同的生物中，也常發現在作用上有關的幾個基因排列在一起，構成一個基因複合體或基因簇或者稱為一個擬等位基因係列或複合基因。【認識的發展】

  從孟德爾定律的發現到現在,100多年來人們對基因的認識在不斷地深化。

  1866年，奧地利學者GJ孟德爾在他的豌豆雜交實驗論文中，用大寫字母A、B等代表顯性性狀如圓粒、子葉黃色等，用小寫字母a、b等代表隱性性狀如皺粒、子葉綠色等。他並沒有嚴格地區分所觀察到的性狀和控制這些性狀的遺傳因子。但是從他用這些符號所表示的雜交結果來看，這些符號正是在形式上代表著基因，而且至今在遺傳學的分析中為了方便起見仍沿用它們來代表基因。

  20世紀初孟德爾的工作被重新發現以後，他的定律又在許多動植物中得到驗證。 1909年丹麥學者WL約翰森提出了基因這一名詞，用它來指任何一種生物中控制任何性狀而其遺傳規律又符合於孟德爾定律的遺傳因子，並且提出基因型和表現型這樣兩個術語，前者是一個生物的基因成分，後者是這些基因所表現的性狀。

  1910年美國遺傳學家兼胚胎學家TH摩爾根在果蠅中發現白色複眼(white eye,W)突變型，首先說明基因可以發生突變，而且由此可以知道野生型基因W+具有使果蠅的複眼發育成為紅色這一生理功能。 1911年摩爾根又在果蠅的X連鎖基因白眼和短翅兩品系的雜交子二代中，發現了白眼、短翅果蠅和正常的紅眼長翅果蠅，首先指出位於同一染色體上的兩個基因可以通過染色體交換而分處在兩個同源染色體上。交換是一個普遍存在的遺傳現象，不過直到40年代中期為止，還從來沒有發現過交換發生在一個基因內部的現象。因此當時認為一個基因是一個功能單位，也是一個突變單位和一個交換單位。

  40年代以前，對於基因的化學本質並不了解。直到1944年OT埃弗里等證實肺炎雙球菌的轉化因子是DNA，才首次用實驗證明了基因是由DNA構成。

  1955年S.本澤用大腸桿菌T4噬菌體作材料，研究快速溶菌突變型rⅡ的基因精細結構,發現在一個基因內部的許多位點上可以發生突變，並且可以在這些位點之間發生交換，從而說明一​​個基因是一個功能單位，但並不是一個突變單位和交換單位，因為一個基因可以包括許多突變單位（突變子）和許多重組單位(重組子)（見互補作用）。

  1969年J.夏皮羅等從大腸桿菌中分離到乳糖操縱子，並且使它在離體條件下進行轉錄，證實了一個基因可以離開染色體而獨立地發揮作用，於是顆粒性的遺傳概念更加確立。隨著重組DNA技術和核酸的順序分析技術的發展，對基因的認識又有了新的發展，主要是發現了重疊的基因、斷裂的基因和可以移動位置的基因。【重疊基因的發現】

  重疊基因是在1977年發現的。早在1913年AH斯特蒂文特已在果蠅中證明了基因在染色體上作線狀排列，50年代對基因精細結構和順反位置效應等研究的結果也說明基因在染色體上是一個接著一個排列而並不重疊。但是1977年F.桑格在測定噬菌體ΦX174的DNA的全部核苷酸序列時，卻意外地發現基因D中包含著基因E。基因E的第一個密碼子（見遺傳密碼）從基因D的中央的一個密碼子TAT的中間開始，因此兩個部分重疊的基因所編碼的兩個蛋白質非但大小不等，而且氨基酸也不相同。在某些真核生物病毒中也發現有重疊基因。

  斷裂的基因也是在1977年發現的，它是內部包含一段或幾段最後不出現在成熟的mRNA中的片段的基因。這些不出現在成熟的mRNA中的片段稱為內含子，出現在成熟的mRNA中的片段則稱為外顯子。例如下面這一基因，有三個外顯子和兩個內含子。在幾種哺乳動物的核基因、酵母菌的線粒體基因以及某些感染真核生物的病毒中都發現了斷裂的基因。內含子的功用以及轉錄後的加工機制是真核生物分子遺傳學的一個吸引人的課題。

  可以移動位置的基因（見轉座因子）首先於40年代中在玉米中由B.麥克林托克發現，當時並沒有受到重視。 60年代末在細菌中發現一類稱為插入序列的可以轉移位置的遺傳因子IS,它們本身沒有表型效應,可是在插入別的基因中間時能引起插入突變。 70年代早期又發現細菌質粒上的某些抗藥性基因可以轉移位置。細菌中的這類轉座子（Tn）到80年代已經發現不下20種，它們分別帶有不同的抗藥性基因，能在不同的複制子之間轉移位置,例如從質粒轉移到染色體、噬菌體以及別的質粒上等。當他們轉移到某一基因中間時，便引起一個插入突變。類似於細菌轉座子的可以轉移位置的遺傳因子在玉米以外的真核生物中也已經發現，例如酵母菌中的接合因子基因，以及果蠅白眼基因中的轉座因子等。轉座因子的研究也已成為分子遺傳學中的一個重要方面。

    功能、類別和數目到目前為止在果蠅中已經發現的基因不下於1000個，在大腸桿菌中已經定位的基因大約也有1000個，由基因決定的性狀雖然千差萬別，但是許多基因的原初功能卻基本相同。

    1945年GW比德爾通過對脈孢菌的研究，提出了一個基因一種酶假設，認為基因的原初功能都是決定蛋白質的一級結構（即編碼組成肽鏈的氨基酸序列）。這一假設在50年代得到充分的驗證。【基因的類別】

    60年代初F.雅各布和J.莫諾發現了調節基因。把基因區分為結構基因和調節基因是著眼於這些基因所編碼的蛋白質的作用：凡是編碼酶蛋白、血紅蛋白、膠原蛋白或晶體蛋白等蛋白質的基因都稱為結構基因；凡是編碼阻遏或激活結構基因轉錄的蛋白質的基因都稱為調節基因。但是從基因的原初功能這一角度來看，它們都是編碼蛋白質。根據原初功能（即基因的產物）基因可分為：①編碼蛋白質的基因。包括編碼酶和結構蛋白的結構基因以及編碼作用於結構基因的阻遏蛋白或激活蛋白的調節基因。 ②沒有翻譯產物的基因。轉錄成為RNA以後不再翻譯成為蛋白質的轉移核糖核酸(tRNA)基因和核醣體核酸（rRNA）基因：③不轉錄的DNA區段。如啟動區、操縱基因等等。前者是轉錄時RNA多聚酶開始和DNA結合的部位；後者是阻遏蛋白或激活蛋白和DNA結合的部位。已經發現在果蠅中有影響發育過程的各種時空關係的突變型，控制時空關係的基因有時序基因、格局基因、選擇基因等（見發生遺傳學）。

    一個生物體內的各個基因的作用時間常不相同，有一部分基因在復制前轉錄，稱為早期基因；有一部分基因在復制後轉錄，稱為晚期基因。一個基因發生突變而使幾種看來沒有關係的性狀同時改變，這個基因就稱為多效基因。

    數目不同生物的基因數目有很大差異，已經確知RNA噬菌體MS2只有3個基因，而哺乳動物的每一細胞中至少有100萬個基因。但其中極大部分為重複序列，而非重複的序列中，編碼肽鏈的基因估計不超過10萬個。除了單純的重複基因外，還有一些結構和功能都相似的為數眾多的基因，它們往往緊密連鎖，構成所謂基因複合體或叫做基因家族。【相互作用】

    生物的一切表型都是蛋白質活性的表現。換句話說，生物的各種性狀幾乎都是基因相互作用的結果。所謂相互作用，一般都是代謝產物的相互作用，只有少數情況涉及基因直接產物，即蛋白質之間的相互作用。【非等位基因的相互作用 】

    依據非等位基因相互作用的性質可以將它們歸納為：

    ①互補基因。若干非等位基因只有同時存在時才出現某一性狀，其中任何一個發生突變時都會導致同一突變型性狀，這些基因稱為互補基因。

    ②異位顯性基因。影響同一性狀的兩個非等位基因在一起時，得以表現性狀的基因稱為異位顯性基因或稱上位基因。

    ③累加基因。對於同一性狀的表型來講，幾個非等位基因中的每一個都只有部分的影響，這樣的幾個基因稱為累加基因或多基因。在累加基因中每一個基因只有較小的一部分錶型效應，所以又稱為微效基因。相對於微效基因來講，由單個基因決定某一性狀的基因稱為主效基因。

    ④修飾基因。本身俱有或者沒有任何表型效應，可是和另一突變基因同時存在便會影響另一基因的表現程度的基因。如果本身俱有同一表型效應則和累加基因沒有區別。

    ⑤抑制基因。一個基因發生突變後使另一突變基因的表型效應消失而恢復野生型表型，稱前一基因為後一基因的抑制基因。如果前一基因本身俱有表型效應則抑制基因和異位顯性基因沒有區別。

    ⑥調節基因。一個基因如果對另一個或幾個基因具有阻遏作用或激活作用則稱該基因為調節基因。調節基因通過對被調節的結構基因轉錄的控製而發揮作用。具有阻遏作用的調節基因不同於抑制基因，因為抑制基因作用於突變基因而且本身就是突變基因，調節基因則作用於野生型基因而且本身也是野生型基因。

    ⑦微效多基因。影響同一性狀的基因為數較多，以致無法在雜交子代中明顯地區分它們的類型，這些基因統稱為微效多基因或稱多基因。

    ⑧背景基因型。從理論上看，任何一個基因的作用都要受到同一細胞中其他基因的影響。除了人們正在研究的少數基因以外，其餘的全部基因構成所謂的背景基因型或稱殘餘基因型。

    等位基因的相互作用1932年HJ馬勒依據突變型基因與野生型等位基因的關係歸納為無效基因、亞效基因、超效基因、新效基因和反效基因。

    ①無效基因。不能產生野生型表型的、完全失去活性的突變型基因。一般的無效基因卻能通過回复突變而成為野生型基因。

    ②亞效基因。表型效應在性質上相同於野生型，可是在程度上次於野生型的突變型基因。

    ③超效基因。表型效應超過野生型等位基因的突變型基因。

    ④新效基因。產生野生型等位基因所沒有的新性狀的突變型基因。

    ⑤反效基因。作用和野生型等位基因相對抗的突變型基因。

    ⑥鑲嵌顯性。對於某一性狀來講，一個等位基因影響身體的一個部分，另一等位基因則影響身體的另一部分，而在雜合體中兩個部分都受到影響的現象稱為鑲嵌顯性。

    基因和環境因素的相互作用基因作用的表現離不開內在的和外在的環境的影響。在具有特定基因的一群個體中，表現該基因性狀的個體的百分數稱為外顯率；在具有特定基因而又表現該一性狀的個體中，對於該一性狀的表現程度稱為表現度。外顯率和表現度都受內在環境和外在環境的影響。

    內在環境指生物的性別、年齡等條件以及背景基因型。

    ①性別。性別對於基因作用的影響實際上是性激素對基因作用的影響。性激素為基因所控制，所以實質上這些都是基因相互作用的結果。

    ②年齡。人類中各個基因顯示它的表型的年齡有很大的區別。

    ③背景基因型。通過選擇，可以改變動植物品系的某一遺傳性狀的外顯率和表現度，說明一些基因的作用往往受到一系列修飾基因或者背景基因型的影響。

    由於背景基因型的差異而造成的影響，在下述3種情況中可以減低到最低限度：由高度近交得來的純係；一卵雙生兒；無性繁殖系（包括某些高等植物的無性繁殖系、微生物的無性繁殖係以及高等動物的細胞株）。用這些體係作為實驗系統，可以更為明確地顯示環境因素的影響，更為確切地說明某一基因的作用。雙生兒法在人類遺傳學中的應用及純係生物在遺傳學和許多生物學研究中的應用都是根據這一原理。

    外在環境 ①溫度。溫度敏感突變型只能在某些溫度中表現出突變型的性狀，對於一般的突變型來說，溫度對於基因的作用也有程度不等的影響。 ②營養。家兔脂肪的黃色決定於基因y的純合狀態以及食物中的葉黃素的存在。如果食物中不含有葉黃素，那麼yy純合體的脂肪也並不呈黃色。 y基因的作用顯然和葉黃素的同化有關。

    演化就細胞中DNA的含量來看，一般愈是低等的生物含量愈低，愈是高等的生物含量愈高。就基因的數量和種類來講，一般愈是低等的生物愈少，愈是高等的生物愈多。 DNA含量和基因數的增加與生理功能的逐漸完備是密切相關的。

    基因最初是一個抽象的符號，後來證實它是在染色體上佔有一定位置的遺傳的功能單位。大腸桿菌乳糖操縱子中的基因的分離和離體條件下轉錄的實現進一步說明基因是實體。今已可以在試管中對基因進行改造（見重組DNA技術）甚至人工合成基因。對基因的結構、功能、重組、突變以及基因表達的調控和相互作用的研究始終是遺傳學研究的中心課題。
遺傳率的概念
 一、概念遺傳率（heritability），又稱遺傳力，是指一群體中某性狀遺傳方差與表現型總方差的比值，通常以百分數表示。遺傳率是一個從群體角度反映表現型值替代基因型值的可靠程度的遺傳統計量，它表明了親代群體的變異能夠傳遞到子代的程度，可以作為對雜種後代進行選擇的一個指標。生物的任何性狀均受著基因和環境的共同影響。在現有的科學技術水平條件下，在遺傳研究和育種工作中，能夠方便地直接觀察測量到的是生物個體性狀的表現型值，選擇往往是從表現型著手的。全面了解群體中基因和環境的影響對於性狀表型總變異的相對重要性，對確定最佳的選擇方案，提高選擇效果，具有重要意義。數量性狀不僅受到基因加性效應、顯性效應的影響，而且還可能受上位性效應、基因型×環境的互作效應等等的影響。由於根據各種試驗設計和統計分析方法而估算的遺傳方差的組成成分不同以及選擇方案的需要，遺傳率又可分為不同的類型，如廣義遺傳率、狹義遺傳率、生統遺傳率、現實遺傳率等等，在此僅僅介紹前面兩種遺傳率，其餘的請參看有關書籍。通過測量性狀的表現型所得到的數值稱為表現型值，以P表示；表現型值中由基因型所決定的部分數值，稱為基因型值，以G來表示；如果不存在基因型與環境互作效應，則表現型值與基因型值之差就是環境條件所引起的變異，稱為環境效應，以E表示。三者的數量關係可以用下面式子表示：P = G + E (5-10)若以、 和分別表示表現型值、基因型值和環境效應值的平均數，則有

                 (5-11)於是可得

    

                    = + +2如果基因型與環境條件之間不存在相關關係，則有=0於是可得= + (5-12)等式兩邊同除以自由度n-1即得= + (5-13)上式也即

           VP=VG+VE (5-14)其 中VP、VG和VE分別表示表現型方差（phenotypic variance，在此即是總方差）、遺傳方差（或稱基因型方差，genetic variance or genotypic variance）和環境方差（environmental variance）。上式表明表現型方差則遺傳方差和環境方差兩部分構成。二、廣義遺傳率廣義遺傳率(broad-sense heritability)是指遺傳方差佔表型總方差的比值，通常以百分數表示，記作，用公式表示如下：== (5-15)由此可知，遺傳方差佔表型總方差的比重愈大，也即環境方差佔表現型總方差的比重愈小，所求得的廣義遺傳率也就愈大，說明這個性狀傳遞給子代的傳遞能力就愈強，受環境條件的影響也就愈小​​。當一個性狀從親代傳遞給子代的傳遞能力大時，親本的性狀在子代中將有較多的機會表現出來，而且容易根據表現型來辨別其基因型，選擇的效果也就較大；反之，如果所求得的廣義遺傳率較小，說明環境條件對該性狀的影響較大，也就是說該性狀從親代傳遞給子代的傳遞能力較小，直接對這種性狀進行選擇的效果也就較小。所以說廣義遺傳率的大小可以作為衡量親代和子代之間遺傳關係的一個標準和指導育種工作確定選擇方法的一個指標。從基因作用方面進行分析，基因型效應值G還可進一步分解成加性效應A、顯性效應D和上位性效應I等三個部分，即

         G=A+D+I （5-16）加性效應(additive effect)是指各個基因位點上純合基因型對基因型總效應的貢獻的大小，這部分效應一般是累加性的；顯性效應(dominant effect)是指同一基因位點內相對等位基因間的交互作用對基因型總效應的貢獻；上位性效應(epistatic effect)是指不同位點的基因之間的交互作用對基因型總效應的貢獻。如果A、D和I兩兩間不存在相關關係，則遺傳方差可進一步分解成加性方差(additive variance，記為VA)、顯性方差(dominance variance，記為VD)和上位性方差(epistatic variance，記為VI)三個組成部分，即

         VG =VA+VD+VI （5-17）於是有

          VP=VG+VE= VA+VD+VI+VE (5-18)
其中加性方差（或稱加性遺傳方差）是由等位基因間和非等位基因間的加性效應引起的變異量，它可以在上、下代間進行傳遞，是可通過選擇加以固定的遺傳變異量。顯性方差是由等位基因間的顯性效應所引起的變異量；而上位性方差則是由非等位基因間的相互作用即上位性效應所引起的變異量；後兩部分的變異量又統稱為非加性的遺傳方差，它們不能在上、下代間進行穩定的傳遞，通常情況下顯性方差是不能通過選擇加以固定的的遺傳變異量，而上位性方差中的一部分是可通過選擇加以固定的的，另外一部分是不可固定的。
三、狹義遺傳率狹義遺傳率(narrow - sense heritability)定義為加性方差佔表型總方差的比值，通常用百分數表示，記為，用公式表示為：

         ＝ ×100 (％)

 ＝ ×100 (％) (5-19)根據有關的定義式可知，狹義遺傳率的值比廣義遺傳率的值為小。
 遺傳算法概述
1遺傳算法概述1.1遺傳算法的基本概念遺傳算法是模擬生物界的遺傳和進化過程而建立起來的一種高度並行的全局性概率搜索算法，體現著“優勝劣汰、適者生存”的競爭機制。由於遺傳算法是由進化論和遺傳學機理產生的直接搜索優化方法，所以在這個算法中要用到各種進化和遺傳學的概念。這些概念介紹如下：1.編碼（Coding）：DNA中遺傳信息在一個長鏈上按一定的模式排列，這一操作就是遺傳編碼。遺傳編碼可以看作從表現型到遺傳型的映射。2.染色體(Chromosome)：遺傳物質的主要載體，由多個遺傳因子——基因組成。3.個體（Individual）：指染色體帶有特徵的實體，遺傳算法所處理的基本結構。

   4.種群(Population)：每代所產生的染色體總數稱為種群，一個種群包含了該問題在這一代的一些解的集合。

   5.種群大小(Population Size)：在種群中個體的數量稱為種群的大小。

   6.基因(Gene)：基因是染色體中的元素，基因用於表示個體的特徵。

   7.基因位置(Gene Position)：一個基因在染色體中的位置稱為基因位置。

   8.基因特徵值(Gene Feature)：在用染色體表示整數時，基因的特徵值與二進制數的權一致。

   9.適應度(Fitness)：表示某一個體對於環境的適應程度，或者在環境壓力下的生存能力。

1.2遺傳算法的基本思想遺傳算法是一種宏觀意義下的仿生算法，它的機制是模仿一切生命與智慧的產生與進化過程。通過模擬達爾文的“優勝劣汰，適者生存”原理，激勵好的結構，通過模擬孟德爾遺傳變異理論在迭代過程中保持已有的結構，同時尋找更好的結構。因此，遺傳算法具有如下顯著特點：1.遺傳算法的處理對像不是參數本身，而是對參數集進行編碼的個體。這種對決策變量的編碼處理方法使得遺傳算法具有良好的可操作性與簡單性。2.遺傳算法直接以目標函數值作為搜索信息，僅使用由目標函數值得來的適應度函數值，就可以確定下一步的搜索方向和搜索範圍，不要求目標函數值連續可微。3.遺傳算法採用自適應概率搜索技術，增加了其搜索過程的靈活性。實踐證明，隨著進化過程的進行，新的群體中總會產生更多優良的個體。4.遺傳算法採用同時處理群體中多個個體的方法，同時對搜索空間中的多個解進行評價。這一點使遺傳算法具有較好的全局搜索性能，減少了陷於局部最優解的風險。5.在遺傳算法中，個體的重組技術使用交叉操作算子，這種交叉操作算子是遺傳算法所強調的關鍵技術，它是遺傳算法中產生新個體的主要方法，也是遺傳算法區別於其他算法的一個主要特點。1.3遺傳算法的應用遺傳算法提供了一種求解複雜系統問題的通用框架，它不依賴於問題的具體領域，對問題的求解有很強的魯棒性，所以遺傳算法在函數和組合優化、生產調度、自動控制、智能控制、機器學習、數據挖掘、圖像處理以及人工生命等領域得到了成功而廣泛的應用，成為21世紀的關鍵技術之一。從表2.1可見，遺傳算法的應用研究已從初期的組合優化求解拓展到了許多更新、更工程化的應用方面。表2.1遺傳算法的主要應用領域

應用領域	例子
控制	瓦斯管道控制，防避導彈控制，機器人控制
規劃	生產規劃，並行機任務分配
設計	VLSI佈局，通信網絡設計，噴氣發動機設計
組合優化	TSP問題，背包問題，圖劃分問題
圖像處理	模式識別，特徵提取，圖像恢復
信號處理	濾波器設計，目標識別，運動目標分割
機器人	路徑規劃
人工生命	生命的遺傳進化


2基本遺傳算法基本遺傳算法（Simple Genetic Algorithm，簡稱SGA）是一種群體型操作，該操作以群體中的所有個體為對象，只使用基本遺傳算子：選擇算子、交叉算子和變異算子，其遺傳進化操作過程簡單，容易理解，是其它一些遺傳算法的基礎，它不僅給各種遺傳算法提供了一個基本框架，同時也具有一定的應用價值。2.1基本遺傳算法描述基本遺傳算法可表示為：式中： ———個體的編碼方法

       ———個體適應度評價函數

       ———初始種群

       ———種群大小

       ———選擇算子

       ———交叉算子

       ———變異算子

       ———遺傳運算終止條件下面給出基本遺傳算法的偽代碼描述：

Procedure SGA
begin
    initialize P(0)；
    t=0；
    while (tT) do
         for i=1 to M do
               Evaluate fitness of P(t)；
         end for
         for i=1 to M do
               Select operation to P(t)；
         end for
         for i=1 to M /2 do
               Crossover operation to P(t)；
         end for
         for i=1 to M do
               Mutation operation to P(t)；
         end for
         for i=1 to M do
               P(t+1)=P(t)；
end for
t=t+l;
end while
end
 
2.2基本遺傳算法運算流程基本遺傳算法的運算流程如圖2.1所示，從圖2.1可以看出，基本遺傳算法的主要運算過程如下：1.編碼：解空間中的解數據，作為遺傳算法的表現型形式。從表現型到基因型的映射稱為編碼。遺傳算法在進行搜索之前先將解空間的解數​​據表示成遺傳空間的基因型串結構數據，這些串結構數據的不同組合就構成了不同的點。2.初始群體的生成：隨機產生個初始串結構數據，每個串結構數據稱為一個個體，個個體構成了一個群體。遺傳算法以這個串結構作為初始點開始迭代。設置進化代數計數器；設置最大進化代數；隨機生成個個體作為初始群體。3.適應度值評價檢測：適應度函數表明個體或解的優劣性。對於不同的問題，適應度函數的定義方式不同。根據具體問題，計算群體中各個個體的適應度。4.選擇：將選擇算子作用於群體。5.交叉：將交叉算子作用於群體。6.變異：將變異算子作用於群體。7.群體經過選擇、交叉、變異運算後得到下一代群體。8.終止條件判斷：若，則，轉到步驟(2)；若，則以進化過程中所得到的具有最大適應度的個體作為最優解輸出，終止運算。
3遺傳算法的理論基礎3.1模式定理模式(schema)是一個描述字符串集的模板，該字符串集中串的某些位置上存在著相似性。不失一般性，我們以二進制串作為編碼方式來討論模式定理。定義2.1基於三值字符集{0,1,*}所產生的能描述具有某些結構相似性的0、1字符串集的字符串稱作模式。以長度為5的串為例，模式0001*描述了在位置1、2、3、4具有形式“0001”的所有字符串，即{00010，00011}。由此可以看出，模式的概念為我們提供了一種簡潔的用於描述在某些位置上具有相似性的0、1字符串集合的方法。在引入模式的概念後，我們看到一個串實際上隱含了多個模式(長度為n的串隱含著2n個模式)，一個模式可以隱含在多個串中，不同的串之間通過模式而相互聯繫。遺傳算法中串的運算實際上就是模式的運算，因此，通過分析模式在遺傳操作下的變化，從而把握遺傳算法的實質，這正是模式定理所要揭示的內容。定義2.2模式H中確定位置的個數稱作該模式的階數，記作。比如模式，。顯然，一個模式的階數越高，其樣本數就越少，因而確定性就越高。定義2.3模式H第一個確定位置和最後一個確定位置之間的距離稱作該模式的定義距，記作。比如，模式011*1*的定義距為4，模式0*****的定義距為0。定理2.1（模式定理） 在遺傳算子選擇、交叉和變異的作用下，具有階數低、長度短、平均適應度高於群體平均適應度的模式在子代中將以指數級增長。3.2積木塊假設定義2.4階數低、長度短、適應度高的模式稱為積木塊。假設2.1（積木塊假設（Building Block Hypothesis））階數低、長度短、適應度高的模式（積木塊）在遺傳算子作用下，相互結合，能生成階數高、長度長、適應度高的模式，可最終生成全局最優解。與積木塊一樣，一些好的模式在遺傳算法操作下相互拼搭、結合，產生適應度更高的串，從而找到更優的可行解，這正是積木塊假設所揭示的內容。定義2.5（隱含並行性）在算法的運行過程中，每代都處理了個個體，單由於一個個體編碼串中隱含了多種不同的模式，所以算法實質上卻處理了更多的模式，這種並行處理過程有別於一般意義下的並行算法的運行過程，是包含在處理過程內部的一種隱含並行性，通過這種隱含並行性，使得我們可以快速地搜索出一些比較好的模式。3.3欺騙問題在遺傳算法中，將所有妨礙評價值高的個體生成從而影響遺傳算法正常工作的問題稱為欺騙問題（Deceptive Problem）。遺傳算法運行過程具有將高於平均適應值、低階和短定義距的模式重組成高階模式的趨勢。如在低階模式中包含了最優解的話，則遺傳算法就可能找出它來；但積木塊的模式可能沒包含最優串的具體取值，於是遺傳算法就會收斂到一個次優解。設的最大值對應的X的集合為，H為包含的m階模式，H的競爭模式為，而且，則為m階欺騙。在欺騙問題中，為了造成騙局所需設置的最小問題規模（即階乘）稱為最小欺騙性。其主要思想是最大限度違背積木塊假設，是優於由平均的短積木塊生成局部最優解的方法。



遺傳
概念
遺傳是變異的對應詞。一般指親代的性狀又在下代表現的現象，即親代與子代、子代個體間性狀的相似。遺傳是重要的生命特征之一, 其傳統的意義是指生物在通過生殖所進行的種族繁衍過程中, 表現出來的世代間的相似現象。
生物傳遞給后代的并非具體性狀，而是遺傳信息（基因）。遺傳信息蘊藏在遺傳物質（即脫氧核糖核酸，簡稱DNA；或核糖核酸，簡稱RNA）中。眾所周知, 生物的生殖過程, 在一定意義上, 其實質就是遺傳物質在上下代之間的傳遞過程, 即親代將其遺傳物質, 通過一定的方式傳遞給子代, 并使之表達親代的性狀。顯然, 這一遺傳的概念告訴我們: 遺傳是垂直式的。
分子遺傳學提出，遺傳物質從上代傳給后代叫遺傳，它強調遺傳物質所儲存的遺傳信息本身在世代延續中的穩定和真實。例如色盲是人類的一種性狀，父親患色盲，女兒視覺正常，從性狀看，色盲未遺傳；但從遺傳物質的傳遞看，女兒接受了色盲基因，并有一半機會向兒子傳遞；造成色盲的遺傳物質是遺傳的。


[返回]遺傳學的發展
遺傳學的發展, 不僅是對遺傳物質的本質和作用機理的認識過程, 也是對遺傳物質傳遞方式的證明過程。縱觀遺傳學的發展歷史, 其每一步發展, 都是對傳統遺傳概念的進一步確認和肯定。孟德爾在其著名的《植物雜交試驗》中, 首次作出了基因（遺傳因子）決定生物遺傳性狀的科學論斷; 指出: 基因是在世代相傳過程中可以觀察到為一個個相對獨立的實體。他自覺或不自覺地認定: 性狀的遺傳是一種世代間的垂直傳遞形式。摩爾根通過其卓越的研究工作, 在創立染色體遺傳理論的同時, 也繼承了孟德爾的遺傳概念。此后, 生化遺傳學的發展, 特別是1953年以Watson-Crick “DNA雙螺旋結構”模型的提出為標志的現代分子遺傳學, 闡明了基因的化學本質, 基因的表達和基因的作用機理以及基因的分子結構, 使傳統的遺傳概念得到進一步的肯定。


[返回]遺傳的實質
遺傳的實質是遺傳物質的信息傳遞和表達過程, 換而言之, 遺傳的核心問題就是遺傳物質信息流動的問題, 它包括信息編碼、信息傳遞、信息穩定性和信息變異等問題, 而信息傳遞可以發生在兩個水平上: 其一是個體水平, 其二是細胞水平。


[返回]遺傳與變異
親代性狀在子代中只是保持相對穩定性。后代與親代絕不會完全相同。子代與親代之間，子代各個體之間性狀上的差異稱變異即俗話說的“一母生九子，九子各別”。變異有遺傳的和不遺傳的。前者是指由于遺傳物質的改變，如基因突變和染色體畸變等引起的，后者則是環境影響的結果。遺傳和變異是生物普遍存在的現象，是生命活動的基本特征之一。遺傳和變異是生命運動中的一種特殊矛盾，推動著物種的系統進化過程。遺傳和變異的本質在于遺傳物質（DNA）的復制與突變。遺傳物質的缺陷導致人類的遺傳性疾病，可分為染色體病、單基因病和多基因病三大類。
隨闐生物生理學和生物化學的新理論和新技術的應用，人們對遺傳和變異的認識，已由宏觀到微觀，從整體、細胞水平到分子水平。人們對遺傳信息的復制、傳遞、表達、調控和變化等深入的理解，對動植物育種實踐、人類遺傳病的診斷防治以及人類種族延續、健康等均有重大意義。

[返回]相關文獻
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有資料這樣表述交叉遺傳：男性紅綠色盲患者將自己的色盲基因傳給了他的女兒，再通過他的女兒傳給了他的外孫。這就是交叉遺傳。可以表示成:男性（色盲）→女性（色盲基因攜帶者，男性的女兒）→男性（色盲，男性的外孫，女性的兒子）。




•     我認為這其實是很不確切的。因為就基因而言，第一代的那位男性紅綠色盲患者的女兒還可以將色盲基因傳給他的外孫女。雖然這一點大家都很清楚，但在表述交叉遺傳概念時，不少資料卻顯得十分隨意。還是人教版課標教材36頁的說法（男性紅綠色盲基因只能從母親那里傳來，以後只能傳給女兒。這種遺傳特點，在遺傳學上叫做交叉遺傳）比較確切。這種說法不僅“正其流”,而且“溯其源”。可以表示成:。即女性（色盲基因攜帶者，男性的母親） → 男性（色盲）→女性（色盲基因攜帶者，男性的女兒）。
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• 男性紅綠色盲基因只能從母親那里傳來，以後只能傳給女兒。這種遺傳特點，在遺傳學上叫做交叉遺傳.非常贊同此表述.
  
  X染色體上的顯性遺傳也是交叉遺傳。
  交叉遺傳不能等同伴性遺傳吧.我覺得交叉遺傳(隔代遺傳)是伴性遺傳的一種表現形式.如色盲遺傳等伴X遺傳.但是顯性遺傳病的特點是代代相傳,不能說是交叉遺傳.請您指教!
  交叉遺傳是X染色體上遺傳的特點，隔代遺傳是隱性遺傳的​​特點，顯性遺傳病的特點是代代相傳。
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• X染色體上的顯性遺傳到底是交叉遺傳
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• 交叉遺傳（criss-cross inheritance）criss-cross inheritance有的遺傳教材也翻譯為鉸花遺傳，criss-cross 本意就是像辮子的兩股左右來回穿插。交叉遺傳描述的是一種遺傳“現象”，指母親性狀傳給雄性子代，父親性狀傳給雌性子代的現象。如紅綠色盲，根據統計男性患病率是7%，女性患病率是0.5%，所以一般情況下，我們會觀察到男性患者的女兒是正常的，但是在男外孫中會有患者，外孫女基本上沒有患者，即表現為男性（色盲）→女性（表現正常）→男性（色盲）。 “資料這樣表述交叉遺傳：男性紅綠色盲患者將自己的色盲基因傳給了他的女兒，再通過他的女兒傳給了他的外孫。這就是交叉遺傳。可以表示成:男性（色盲）→女性（色盲基因攜帶者，男性的女兒）→男性（色盲，男性的外孫，女性的兒子）。 ”是沒有問題的，從本質上說明這種遺傳現象的原因。和“男性紅綠色盲基因只能從母親那里傳來，以後只能傳給女兒。這種遺傳特點，在遺傳學上叫做交叉遺傳”沒有本質差別。
      X染色體上的顯性遺傳病統計的結果肯定是女患者多於男患者，一般情況下女患者應該是雜合子，女患者的致病基因傳遞給後代時候在男女出現的概率是一樣的，不會呈現：女性患者→正常男性→女性患者的規律，所以X染色體上的顯性遺傳不能稱為交叉遺傳。
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• 交叉遺傳：男性患者的X染色體上的致病基因必然來自母親，以後又必定傳給女兒，這種遺傳方式稱交叉遺傳。 X染色體上的基因就遵循交叉遺傳，包括X染色體上的顯性遺傳和隱性遺傳。
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• 交叉遺傳不應該是伴性遺傳的代名詞
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• 交叉遺傳的關鍵是看男性患者的致病基因來自於母親，一定傳給女兒。至於母親、女兒是否患病，還要看其致病基因是顯性基因控制的，還是隱性基因控制的。如是顯性基因控制的則男性患者的母女都是患者，如果是隱性基因控制的，則其母親和女兒可以是攜帶者，也可以是患者。以上也是快速推斷遺傳系譜圖的很好的方法。
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• 交叉遺傳,我的理解是,位於染色體上的基因,其去向由染色體決定,伴X基因在人類中是:男性的X染色體只能由母方獲得,由父親傳向女兒.
  並且與顯性還是隱性無關
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  交叉遺傳是伴性遺傳的一種，它的典型特點是致病基因只傳給異性，而不是同性。伴性遺傳的重點在於一種疾病的遺傳率與性別有關。但是並沒有強調是哪條染色體上的顯性或隱性遺傳病。
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• 由於伴X染色體的遺傳中男性的X染色體只能來自母親，也只能傳給女兒，所以不管伴X顯性遺傳還是伴X隱性遺傳，男患者的致病基因只能來自母親，也只能傳給女兒。所以都是交叉遺傳。    
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• 交叉遺傳只是針對只在X染色體上含有的基因.對於男性的X染色體上的基因在遺傳時，其致病基因來自於母親，只傳給女兒。對於女性的X染色體上的基因則是既可以傳給女兒也可以傳給兒子
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• 母方的兩個XX, 攜帶致病基因的X染色體也是由母方既可以傳給兒子,又可以傳給女兒的
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• 交叉遺傳主要針對X伴性遺傳的疾病。 X連鎖遺傳病是由於致病基因位於x染色體上,女性有兩條,而男性只有一條,所以男性所帶的這一條X染色體只能傳給他的女兒,表現出男傳女的交叉傳遞；假如致病基因是隱性的,且父親是正常的,母親是帶有致病基因的,則母親攜帶的致病基因只能使兒子發病,儘管女兒可能是攜帶者但是不發病,從而表現出女傳男的交叉傳遞。這類遺傳方式稱為交叉遺傳。 
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• 交叉遺傳只是伴性遺傳的一個特徵,而且是X或Z這樣的具有同型組合的染色體上的基因,以XY型性別決定為例,由於男性的X染色體正常情況下只會來自母方,只會傳給女兒,從而表現出交叉遺傳現象.至於那個基因是顯性還是隱性,則無關緊要. 
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•   交叉遺傳是從性狀角度描述
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• 交叉遺傳為伴X遺傳特點，與顯隱性無關，並且只能看男患者，男患者的致病基因只能來自母親，只能傳給女兒。
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• 交叉遺傳：男性患者的X染色體上的致病基因必然來自母親，以後又必定傳給女兒，這種遺傳方式稱交叉遺傳。 X染色體上的基因就遵循交叉遺傳，包括X染色體上的顯性遺傳和隱性遺傳。
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• 隔代交叉遺傳就是伴X隱性遺傳；世代交叉遺傳就是伴X顯性遺傳