Trong lý thuyết về biến dị, sự khác biệt về gen giữa mỗi cá nhân gọi là biến dị di truyền [genetic variation], nó góp phần cho mỗi loài thích nghi tốt hơn với môi trường sinh sống. Ở loài người, biến dị di truyền bắt nguồn từ một tế bào trứng, khoảng 100 triệu tinh trùng và sự thụ tinh. Trung bình mỗi lần một tháng, phụ nữ rụng một tế bào trứng từ buồng trứng. Sau khi tinh trùng phóng vào âm đạo, đi qua cổ tử cung đến ống dẫn trứng, sự thụ tinh có thể xảy ra.
Mỗi tế bào trứng và tinh trùng đều mang 23 nhiễm sắc thể. Nhiễm sắc thể được cấu tạo từ những chuỗi dài của chất nhiễm sắc bao gồm ADN và protein. Phân tử ADN quấn quanh khối cầu protein tạo nên nucleotit là đơn vị cấu trúc cơ bản theo chiều dọc nhiễm sắc thể. Chứa đựng trong mỗi nhiễm sắc thể, những đoạn ADN là yếu tố quyết định tính trạng [trait], màu mắt, màu tóc, v.v.. Một gen có thể có nhiều biến dị hoặc trạng thái [alen]. Alen là các trạng thái khác nhau của gen cùng quy định một tính trạng. Vậy nên, một gen nhất định có thể mã hóa tính trạng màu tóc, và các alen khác của gen đó có ảnh hưởng đến màu tóc mỗi cá nhân.
Khi tinh trùng gặp trứng, bộ nhiễm sắc thể đơn 23 kết hợp với nhau tạo thành hợp tử với 46 nhiễm sắc thể (bộ nhiễm sắc thể đôi 23). Bởi thế, người bố hoặc mẹ đều mang ½ lượng thông tin gen và di truyền cho trẻ khi mang thai. Đặc điểm hình thái tính, gọi là kiểu hình (phenotype) được xây dựng bởi quá trình trao đổi thông tin giữa hai bộ gen của bố mẹ (gọi là kiểu gen [ genotype]). Kiểu gen của một người là cấu tạo di truyền của cá nhân đó. Kiểu hình, mặt khác, đề cập các đặc điểm thể chất được di truyền của cá nhân, là sự kết hợp của các ảnh hưởng môi trường và di truyền.
Hầu hết các tính trạng được quy định bởi nhiều gen, một vài trường hợp có thể thấy, nhiều gen được quy định bởi một tính trạng. Ví dụ, đặc điểm hình thái cằm chẻ được quy định bởi một gen từ mỗi bố và mẹ. Đặt gen quy định cằm chẻ là B và gen quy định phẳng (không chẻ) là b. Cằm chẻ là kiểu hình gen trội, được di truyền từ bố/mẹ (Bb) hoặc cả bố mẹ (BB), sẽ biểu hiện thành kiểu hình cằm chẻ bởi sự thừa hưởng alen trội. Nếu cặp alen đó hoặc là cùng trội hoặc cùng lặn thì ta gọi đó là kiểu đồng nhất [homozygous]. Nếu cặp alen đó có một trội một lặn thì ta gọi đó là kiểu dị hợp [heterozygous]. Cằm phẳng (không chẻ) được xem là tính trạng lặn, chỉ biểu hiện ra kiểu hình khi có cặp alen đồng nhất lặn (bb).
Hãy hình dung một người phụ nữ cằm chẻ kết hôn cùng một người đàn ông cằm phẳng và sinh con. Đứa trẻ sinh ra sẽ có chiếc cằm như thế nào? Điều này phụ thuộc vào cặp alen trong gen bố mẹ. Nếu mẹ có gen đồng nhất trội cho kiểu hình cằm chẻ (BB) thì đứa trẻ sẽ chắc chắn có cằm chẻ. Tuy nhiên, nếu mẹ có gen dị hợp (Bb), ông bố mang gen cằm phẳng thì khả năng kiểu hình gen lặn cằm phẳng có thể xảy ra. Thế nên, tỷ lệ 50% cằm chẻ - 50% cằm phẳng cho đứa trẻ.
Trong căn bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm, những người mang gen dị hợp tử (ví dụ như Luwi) có thể phát triển khả năng kháng máu để chống lại bệnh nhiễm trùng sốt rét trong khi những người đồng hợp tử (như Sena) có khả năng tử vong. Thiếu máu hồng cầu hình liềm chỉ là một trong nhiều rối loạn di truyền do sự kết đôi của hai gen lặn. Ví dụ, phenylketonuria (PKU) là một tình trạng mà các cá nhân thiếu một loại enzyme thường chuyển đổi các axit amin có hại thành các thành phần phụ vô hại. Nếu ai đó bị tình trạng này mà không được điều trị, họ sẽ bị suy giảm đáng kể chức năng nhận thức, co giật và tăng nguy cơ mắc các chứng rối loạn tâm thần khác nhau. Vì PKU là một tính trạng lặn, mỗi bố mẹ phải có ít nhất một bản sao của alen lặn để tạo ra một đứa con hoàn chỉnh (Hình 2).
Chúng ta đã đề cập đến các tính trạng được quy định bởi một gen, trên thực tế, rất hiếm đặc điểm của loài người được quy định chỉ bởi một gen. Hầu hết đặc điểm đều được quy định bởi đa gen. Đặc điểm chiều cao là tính trạng đa gen [polygeny], cũng như màu da và cân nặng.
Vậy những kiểu gen mang bệnh như PKU bắt nguồn từ đâu? Đột biến gen cung cấp một nguồn gen có hại. Đột biến là sự thay đổi đột ngột, vĩnh viễn trong gen. Mặc dù nhiều đột biến có thể gây hại hoặc gây chết người, nhưng thỉnh thoảng, một đột biến có lợi cho một cá nhân bằng cách mang lại cho người đó lợi thế hơn những người không có đột biến. Hãy nhớ lại thuyết tiến hóa khẳng định rằng những cá thể thích nghi tốt nhất với môi trường cụ thể của chúng sẽ có nhiều khả năng sinh sản và truyền lại gen của chúng cho các thế hệ tương lai. Để quá trình này xảy ra, cần phải có sự cạnh tranh - về mặt kỹ thuật, phải có sự biến đổi gen (và các tính trạng kết quả) cho phép thay đổi khả năng thích nghi với môi trường. Nếu một quần thể bao gồm các cá thể giống hệt nhau, thì bất kỳ thay đổi mạnh mẽ nào trong môi trường cũng sẽ ảnh hưởng đến tất cả mọi người theo cách giống nhau và sẽ không có sự thay đổi nào trong quá trình chọn lọc. Ngược lại, sự đa dạng về gen và các đặc điểm liên quan cho phép một số cá thể hoạt động tốt hơn một chút so với những người khác khi đối mặt với sự thay đổi của môi trường. Điều này tạo ra một lợi thế khác biệt cho các cá thể phù hợp nhất với môi trường của họ về khả năng sinh sản thành công và truyền gen.