生物的变异

在前面的学习中，我们已经了解了遗传的规律，知道了生物性状是如何从父母传递到子女身上的。正是由于遗传，生物能够保证种族的延续，后代也能够大致拥有父母的主要特征。这就像我们在生活中看到的，孩子往往会长得像父母，有相似的眼睛、鼻子或者性格。但是，你仔细观察就会发现，即使是同一个家庭的兄弟姐妹，也常常存在着各种差异，比如身高、体型、肤色、爱好甚至某些疾病的易感性都不尽相同。

为什么会出现这些差异呢？仅靠遗传规律似乎无法完全解释。有时候，连双胞胎之间也会有不一样的地方。难道这些不同都是偶然的吗？其实，这些差异的产生，正是我们要探讨的核心内容——生物的变异。

变异，是指同种生物个体之间在形态、结构、生理等方面表现出来的差异。变异现象普遍存在于动植物和微生物之中，是生物界千姿百态、丰富多彩的根本原因。正因为有了变异，即使是同一对父母所生的孩子，他们之间也各具特色，世界才变得那么多样和有趣。不仅如此，生物界的进化和新物种的出现，也离不开变异的推动。

在接下来的内容中，我们将进一步探究：变异是如何产生的？有哪些典型的变异现象？变异对生物的生存和发展又有什么重要意义？让我们一起揭开生物变异的神秘面纱。

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身边的变异现象

在日常生活中，变异现象随处可见。走在大街上，你会看到各种各样的人，有的高，有的矮，有的胖，有的瘦，有的皮肤白皙，有的皮肤黝黑。即使是同一个家庭的兄弟姐妹，虽然长相相似，但仔细看还是能发现许多不同之处。也许哥哥的眼睛大，弟弟的鼻梁高；姐姐擅长跑步，妹妹喜欢唱歌。这些差异，就是变异的表现。

到公园里走一走，你会发现同一品种的菊花，有的开得特别大，有的却比较小；有的颜色鲜艳，有的颜色暗淡。即使是同一棵树上的叶子，大小、形状也不完全相同。这些也都是变异的例子。

到宠物店看看，你会被狗的种类之多而震惊。有高大威猛的德国牧羊犬，有小巧玲珑的吉娃娃，有毛发长长的阿富汗猎犬，有面容憨厚的斗牛犬。它们都是狗，都能互相交配繁殖，说明它们是同一个物种，但外形却差异巨大。这些差异，正是变异长期积累的结果。

变异是普遍存在的生物学现象。正是因为有了变异，生物界才如此丰富多彩。如果没有变异，所有的狗都长得一模一样，所有的花都开得完全相同，世界该是多么单调啊。

变异是怎么产生的

那么，变异是如何产生的呢？为什么同一父母的孩子会有差异？这要从两个方面来理解。

首先，我们在前面学习显性和隐性时已经知道，孩子从父母那里各得到一半的遗传物质。父母的基因在孩子体内重新组合，形成了新的基因组合。由于组合的方式有很多种，所以即使是同一对父母，每个孩子得到的基因组合也不完全相同。这就好比用同一副扑克牌，每次洗牌都会得到不同的排列顺序。这种由基因重新组合产生的变异，我们称为“组合变异”。

例如，父母可能都携带着高个子和矮个子的基因。第一个孩子可能恰好得到了两个高个子的基因，所以长得比较高；第二个孩子可能得到一个高个子基因和一个矮个子基因，身高中等；第三个孩子可能得到两个矮个子基因，身高就比较矮。虽然是同一对父母，但孩子们的身高却各不相同。

其次，遗传物质本身也可能发生变化。DNA在复制过程中，有时会出现错误，就像打字员打字时偶尔会打错字一样。这种DNA的改变会导致基因发生变化，从而产生新的性状。这种由基因改变产生的变异，我们称为“基因突变”。

此外，环境因素也会对生物的性状产生影响。比如，同样遗传素质的种子，种在肥沃的土地上可能长得高大茁壮，种在贫瘠的土地上可能长得矮小瘦弱。同样的婴儿，营养充足的可能长得高大健壮，营养不良的可能长得瘦小。这些由环境引起的差异，也是变异的一种表现。

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遗传的变异和不遗传的变异

虽然变异无处不在，但并不是所有的变异都能遗传给后代。根据能否遗传，我们把变异分为两类：遗传的变异和不遗传的变异。

遗传的变异是由遗传物质改变引起的变异，这种变异可以传递给后代。比如，如果一个植物因为基因改变而长出了红色的花，那么它的后代也会开红色的花。如果一个人因为基因的原因长得特别高，他的孩子也可能比一般人高。这些变异改变了生物的遗传物质，所以能够稳定地传递下去。

不遗传的变异是由环境因素引起的变异，这种变异不改变遗传物质，因此不能传递给后代。比如，一个人通过健身锻炼出了发达的肌肉，但他的孩子不会天生就有发达的肌肉，还需要通过锻炼才能获得。一棵植物因为施肥充足而长得特别茂盛，但它的种子种下去，如果不施肥，也不会自动长得茂盛。这些变异只是个体表现的改变，没有改变遗传物质，所以不能遗传。

让我们通过一个经典的实验来理解这个问题。丹麦生物学家约翰森做过一个著名的实验。他选择了一些菜豆种子，把它们分成两组。第一组种在肥沃的土地上，精心照料，这些豆子长得又高又壮，结出的豆子又大又饱满。第二组种在贫瘠的土地上，很少照料，这些豆子长得又矮又弱，结出的豆子又小又瘪。

按照常理，人们可能会认为，第一组豆子长得好，它们的后代应该也会长得好。但约翰森把这两组豆子收获的种子种下去，并且给它们同样的生长条件。结果发现，两组豆子的后代长得差不多，没有明显的区别。这说明，第一代豆子因为环境好而长得好，这种优势并没有遗传给后代。这就是不遗传的变异。

下表总结了遗传的变异和不遗传的变异的区别：

从这个表格可以看出，虽然遗传的变异和不遗传的变异都会造成个体差异，但它们的本质和意义完全不同。对于生物进化和品种培育来说，遗传的变异具有重要意义，因为只有遗传的变异才能积累和保存下来，成为生物进化和育种的材料。

生活中的变异实例

我们的生活中充满了变异的例子，有些变异给我们带来了便利和美好，有些变异则可能带来困扰。

例如，现代的家犬都是由野生的狼驯化而来的。几千年前，人类开始驯养狼，选择那些性格温顺、听话的个体留下来繁殖。经过长期的选择和培育，狼逐渐变成了今天的家犬。在这个过程中，狗发生了巨大的变异。现在的狗，体型大小差异巨大，最大的藏獒可以重达80公斤，最小的吉娃娃只有2公斤，相差40倍。毛色也是五花八门，有纯黑的、纯白的、黄褐色的、斑点状的，应有尽有。性格也各不相同，有的凶猛警觉，有的温顺亲人，有的聪明伶俐，有的憨厚可爱。

这些变异是怎么来的呢？一方面，在狗的繁殖过程中，不断有新的变异出现。有的狗可能因为基因突变而长出了与众不同的毛色，有的狗可能因为基因组合而具有了特殊的体型。另一方面，人类有意识地选择和培育这些变异。需要看家护院的，就选择凶猛的大型犬培育；需要陪伴玩耍的，就选择温顺的小型犬培育；需要帮助狩猎的，就选择灵活的猎犬培育。这样，经过几百代的选择和培育，就形成了今天五花八门的犬种。

另外，我们今天吃的粮食蔬菜，和它们的野生祖先相比，也发生了巨大的变异。比如玉米，它的祖先是一种叫做大刍草的植物，果穗只有几厘米长，籽粒只有几十粒，而且外面包着坚硬的外壳。经过几千年的培育，现代的玉米果穗可以长到二三十厘米，籽粒多达几百粒，而且籽粒饱满，没有坚硬的外壳，非常容易食用。

白菜、甘蓝、花椰菜、西兰花，这些看起来完全不同的蔬菜，竟然都是从同一种野生植物——野芥菜培育出来的。通过选择不同部位的变异，人类培育出了这些各具特色的蔬菜。白菜是选择叶片变大的变异培育的，甘蓝是选择叶球变大的变异培育的，花椰菜和西兰花是选择花序变大的变异培育的。

下面的图表展示了一些常见家养动物与其野生祖先的对比：

从图表可以看出，经过人类的长期驯化和选育，家养动物的体重普遍比它们的野生祖先增加了数倍，这正是变异积累的结果。

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变异对生物的意义

变异对生物来说有什么意义呢？从表面上看，变异似乎让生物变得“不像自己”了，好像是一种缺陷。但实际上，变异对生物的生存和发展具有非常重要的意义。

首先，变异为生物提供了适应环境的可能性。环境是不断变化的，如果所有生物都完全一样，当环境发生改变时，它们要么全部适应，要么全部淘汰。但如果生物之间存在变异，就会有多样性。当环境改变时，某些变异可能恰好适应新的环境，这些个体就能生存下来，而其他个体可能被淘汰。这样，种群就能在变化的环境中延续下去。

举个例子，在工业革命之前，英国的桦尺蛾大多是浅色的，因为它们栖息在浅色的树皮上，浅色的蛾不容易被鸟类发现。但也有少数深色的变异个体。工业革命后，工厂排放的煤烟把树皮熏黑了，这时浅色的蛾在黑色树皮上非常显眼，容易被鸟类捕食，而深色的蛾反而不容易被发现。结果，深色蛾的数量越来越多，浅色蛾的数量越来越少。这个例子说明，变异为生物提供了适应环境变化的可能。

其次，变异是生物进化的基础。生物从简单到复杂，从低等到高等，从水生到陆生，这些进化过程都离不开变异。每一次变异都可能产生新的性状，如果这个新性状有利于生存，它就会被保留下来，逐渐积累，最终形成新的物种。可以说，没有变异就没有进化，地球上也就不会有今天如此丰富多彩的生命形式。

再次，变异为人类利用生物提供了选择的材料。如果所有的水稻都完全一样，人类就无法选择产量高的品种；如果所有的鸡都完全一样，人类就无法选择产蛋多的品种。正是因为生物存在变异，人类才能从中选择对自己有利的个体进行繁育，培育出各种各样的优良品种，为人类服务。

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育种中的变异利用

人类很早就开始利用变异来改良动植物品种。最初，人们只是简单地选择那些表现好的个体留种，这叫做“选择育种”。后来，人们学会了把不同品种杂交，让它们的优良性状结合在一起，这叫做“杂交育种”。再后来，人们还发明了一些人工诱导变异的方法，加快育种的速度。

在中国，农民培育新品种有着悠久的历史。几千年前，我们的祖先就从野生的水稻中选择产量高、口感好的个体培育，逐渐培育出了今天的栽培稻。从最初的野生稻到今天的高产水稻，经历了无数代的选择和改良，每一次改良都是利用变异的结果。

新中国成立后，我国的育种工作取得了巨大成就。袁隆平院士培育的杂交水稻，就是利用不同品种水稻之间的变异，通过杂交把优良性状结合在一起，培育出产量大幅提高的新品种。杂交水稻的推广，使中国的水稻产量大幅增加，解决了亿万人民的吃饭问题。

除了杂交育种，人们还发明了一些加速变异的方法。其中最著名的就是“诱变育种”，即用物理或化学的方法诱导生物产生变异，然后从中选择优良的变异个体培育新品种。

辐射育种就是诱变育种的一种。科学家用射线（如X射线、γ射线）照射种子，射线会破坏DNA的结构，引起基因突变，产生各种各样的变异。虽然大多数变异是有害的，但也有少数变异是有利的。科学家从成千上万的变异个体中选择那些有利的变异，就可以培育出新品种。中国利用辐射育种培育出了许多优良品种，如高产抗病的小麦、早熟高产的水稻、品质优良的棉花等。

化学诱变育种是用化学药品处理种子，引起基因突变，原理和辐射育种类似。这种方法诱导的变异类型更多样，也培育出了不少优良品种。

下表列出了中国几种常用的诱变育种方法及其应用：

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太空育种的故事

说到诱变育种，就不得不提一个有趣的育种方法——太空育种。这是中国育种科学家的一项创新。

1987年，中国科学家首次把农作物种子搭载在返回式卫星上送入太空。在太空中，种子经历了宇宙射线的辐射、微重力环境、高真空等特殊条件，这些条件都可能引起基因突变，产生变异。卫星返回地面后，科学家把这些“太空种子”种下去，观察它们是否产生了有益的变异。

结果发现，太空环境确实大大提高了变异的频率，而且产生的变异类型也更加多样。有的种子长出的植株特别高大，有的果实特别大，有的抗病能力特别强，有的营养成分特别丰富。科学家从这些变异中选择有益的个体，经过多代培育，成功培育出了一些优良的新品种。

比如，“航椒一号”是中国第一个通过太空诱变培育的辣椒品种。这种辣椒不仅个头大，产量高，而且维生素C的含量比普通辣椒高出很多。“航麦一号”是一种太空小麦，它的产量比普通小麦高20%以上，而且抗病能力强，适应性广。还有太空番茄、太空茄子、太空黄瓜等，这些蔬菜不仅产量高，品质也很好。

到目前为止，中国已经进行了几十次太空育种实验，培育出了200多个太空品种，涉及粮食、蔬菜、水果、花卉等多个领域。这些品种不仅在中国推广种植，还出口到其他国家，为世界粮食安全和农业发展做出了贡献。

下图展示了不同诱变方法培育出的新品种数量对比：

从图表可以看出，太空育种虽然起步较晚，但发展非常迅速，特别是进入21世纪后，培育的品种数量快速增长，显示出这种方法的巨大潜力。

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变异并非都是好事

虽然变异为生物提供了多样性，为育种提供了材料，但并不是所有的变异都是有益的。实际上，大多数变异是有害的或者中性的，只有少数变异是有益的。

有些变异会导致疾病。比如白化病，是由于控制黑色素合成的基因发生突变，导致患者皮肤、毛发、眼睛缺乏色素，对阳光非常敏感，视力也很差。血友病是由于控制凝血因子的基因发生突变，导致患者血液难以凝固，一旦受伤出血就很难止住。这些疾病都是由基因突变引起的，会给患者带来痛苦，降低生活质量。

有些变异会影响生物的生存能力。比如，一只鹿如果因为基因突变而腿变短了，它就跑不快,容易被天敌捕食。一株植物如果因为基因突变而叶片变小了，它就不能很好地进行光合作用，生长会受到影响。这些不利的变异在自然选择中会被淘汰。

即使在人工诱变育种中，有益的变异也只占很小的比例。科学家往往需要处理成千上万的种子，才能找到几个有益的变异个体。这就好比大海捞针，需要耐心和细致的工作。

对于人类来说，我们要学会正确对待变异。一方面，要积极利用有益的变异，培育优良品种,改善生活质量。另一方面，要尽量避免有害的变异，保护好自己的遗传物质。比如，孕妇要避免接触有害的化学物质和射线，要保证营养充足，这样可以降低胎儿发生有害变异的风险。

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保护遗传多样性

变异为生物提供了多样性，这种多样性是生物适应环境、不断进化的基础，也是人类培育新品种的重要资源。因此，保护生物的遗传多样性非常重要。

什么是遗传多样性呢？简单说，就是生物在遗传上的多样性，包括物种的多样性和同一物种内个体之间的遗传差异。遗传多样性越丰富，生物就越有可能适应环境变化，人类也就越有可能从中选择有用的基因资源。

然而，由于环境破坏、过度开发、引进外来物种等原因，许多生物物种正在消失，遗传多样性正在减少。比如，许多野生植物和动物的栖息地被破坏,导致它们数量减少甚至灭绝。一些地方品种因为不如现代品种高产，被农民放弃种植，逐渐消失。这些都导致了遗传多样性的丧失。

遗传多样性的丧失对人类来说是巨大的损失。因为这些消失的物种和品种中，可能含有对人类非常有用的基因。比如，某个野生水稻品种可能含有抗某种病虫害的基因，某个地方猪品种可能含有肉质特别好的基因。一旦这些品种灭绝,这些宝贵的基因资源就永远失去了。

因此，保护遗传多样性迫在眉睫。中国政府非常重视遗传资源的保护，建立了许多种质资源库，收集保存各种农作物、家畜家禽、野生植物的种质资源。比如，中国国家作物种质库保存了40多万份作物种质资源，是世界上保存数量最多的种质库之一。这些资源为未来的育种工作提供了宝贵的基因库。

作为中学生，我们也可以为保护遗传多样性做出贡献。我们可以了解和宣传保护生物多样性的重要性，不购买和食用野生动物，不破坏野生植物的生长环境。在日常生活中，我们可以节约资源，减少污染，为保护生物的生存环境贡献自己的力量。

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本节练习

通过学习生物变异的知识，我们了解了变异产生的原因、类型和意义。下面的练习题将帮助你巩固本章学到的知识，检验你的理解程度。

第1题：下面哪些现象属于生物的变异？请分析判断。

• A. 同一棵树上的叶子有大有小
• B. 一只白猫生了几只小猫，有白色的也有黑色的
• C. 双胞胎兄弟虽然长相相似，但性格不同
• D. 一个人通过健身锻炼变得肌肉发达

第2题：约翰森的菜豆实验中，他把菜豆分别种在肥沃和贫瘠的土地上，第一代在肥沃土地上的豆子长得好，在贫瘠土地上的豆子长得差。但把两组豆子收获的种子种在相同条件下，后代却长得差不多。这个实验说明了什么？

第3题：现代的各种家犬都是由野生的狼驯化而来的，但它们在体型、毛色、性格等方面差异巨大。请分析：

1. 这些差异是如何产生的？
2. 为什么同一物种（犬科）会有如此大的差异？

第4题：中国科学家利用太空育种培育出了“航椒一号”等优良品种。请回答：

1. 太空育种的原理是什么？
2. 为什么太空育种能够快速产生变异？
3. 太空育种产生的变异都是有益的吗？

第5题：有人说：“人可以通过健身锻炼出发达的肌肉，那么他的后代也会天生就有发达的肌肉，不需要锻炼。”这种说法对吗？请用所学知识解释。