DOŚWIADCZENIA GEORGA JOHANA MENDLA i POCZĄTKI GENETYKI

Pierwszym odkryciem naukowym obalającym ówczesne poglądy...

Np. powszechnie sądzono, że gdy skrzyżujemy ze sobą dwa osobniki różniące się jakąś właściwością, np. barwą skóry (przedstawiciela rasy czarnej i białej), to potomstwo będzie barwy pośredniej, jak to widzimy u mulatów, co rzeczywiście bardzo często występuje. Wyciągano z tej prostej obserwacji całkiem fałszywy wniosek, że mulat nie posiada już właściwości dziedzicznych ani murzyna, ani osobnika rasy białej, ale nowe właściwości dziedziczne pośredniej barwy ciała. (...) (tak jak płyn biały i płyn czarny wymieszane dają płyn pośredni - szary tzn. nowy materiał genetyczny) Wynikało by z tego, że w potomstwie mulatów nie mogą pojawić się dzieci ani białe ani czarne, a tylko barwy pośredniej

... były słynne badania G. Mendla, który przeprowadzając w połowie ubiegłego wieku w Brnie Morawskim doświadczenia nad dziedzicznością rożnych cech grochu wykazał, że poszczególnym właściwościom tej rośliny odpowiadają specyficzne czynniki dziedziczne, nie zatracające swej odrębności i indywidualności przy krzyżowaniu dwóch odmian. Jeżeli nawet u mieszańca właściwości rodziców nie przejawiają się to, w potomstwie mieszańców można z powrotem wykryć „czyste” właściwości rodziców.

Czynniki dziedziczne Mendla nie zachowywały się więc jak dwa różne płyny, których po zmieszaniu nie można już z powrotem rozdzielić.

Praca Mendla, która do dziś może być wzorem właściwego zaplanowania doświadczenia, matematycznego opracowania wyników i poprawnego wyciągania wniosków, nie znalazła wśród ówczesnych biologów uznania, aż do naszego stulecia. Dopiero w roku 1900 jednocześnie i niezależnie od siebie, w Holandii, Niemczech i Austrii słuszność praw Mendla została ponownie potwierdzona a jego zasługi ocenione właściwie.

Gregor Johann Mendel - czeski zakonnik żyjący w Brnie w XIX w. (1822-1884), z wykształcenia przyrodnik, oprócz codziennych zajęć klasztornych zajmował się hodowlą roślin. Uwagę skoncentrował na grochu, którego wiele odmian krzyżował między sobą. W wyniku wieloletnich obserwacji opublikował pracę zapoczątkowującą rozwój nowej dziedziny biologii - genetyki, nauki o dziedziczności i zmienności.

Pojęcie genu wywodzi się ze znanych doświadczeń G. Mendla wykonanych i opublikowanych w 1863 roku. Dla interpretacji otrzymanych wyników wyprowadził on pojęcie czynnika dziedzicznego, który na początku XX wieku został nazwany krótszym i wygodniejszym terminem gen.

DOŚWIADCZENIA G. MENDLA

Mendel zastosował jako materiał wyjściowy do swych doświadczeń genetycznie czyste odmiany grochu (Pisum sattivum L), tzn. takie, które przez szereg kolejnych pokoleń zapylane między sobą dawały potomstwo pod względem badanych cech całkowicie jednolite. Następnie dokonywał krzyżówek między osobnikami różniącymi się jedną cechą, na przykład:

1. barwą kwiatów; kwiaty białe nie zawierające antocyjanu i barwne - zawierające ten barwnik,

2. barwą nasion; nasiona żółte i zielone,

3. kształtem nasion; nasiona gładkie i pomarszczone.

Badał on jeszcze dziedziczenie kilku innych cech.

KRZYŻÓWKI MIĘDZY ROŚLINAMI RÓŻNIĄCYMI SIĘ JEDNĄ CECHĄ

Dla przykładu weźmy tu krzyżówkę między odmianami grochu o kwiatach białych i barwnych (czerwonych). Na słupki roślin o kwiatach białych, z których poprzednio usunięto pręciki, aby nie nastąpiło samozapylenie, Mendel przenosił pyłek z kwiatów czerwonych. W czasie tych zabiegów kwiaty były w izolatorach, aby nie zapyliły się przypadkowo. Wynik krzyżówek był ten sam bez względu na kierunek krzyżowania, to znaczy bez względu na to czy pyłek roślin o kwiatach czerwonych był przenoszony na słupki roślin o kwiatach białych, czy tez pyłek roślin o kwiatach białych był przenoszony na słupki roślin o kwiatach czerwonych. W efekcie tego dwukierunkowego krzyżowania pierwsze pokolenie mieszańców miało kwiaty czerwone, identyczne z jedną z form rodzicielskich.

Zgodnie z przyjętą w genetyce zasadą, pierwsze pokolenie mieszańców oznacza się symbolem F₁, zaś pokolenie rodzicielskie symbolem P.

Krzyżując rośliny o nasionach gładkich z roślinami o nasionach pomarszczonych G. Mendel otrzymał mieszańce F₁ jedynie o nasionach gładkich, a jeśli formy rodzicielskie różniły się barwą nasion, żółta albo zieloną, to mieszańce F₁ odznaczały się żółtą barwą nasion.

Z pokolenia F₁ G. Mendel otrzymał następnie drugie pokolenie mieszańców, które oznacza się symbolem F₂. Aby je otrzymać wystarczy poddać samozapyleniu rośliny pokolenia F₁ albo też pozwolić im się zapylać między sobą. W drugim pokoleniu mieszańców G. Mendel stwierdził, że pod względem badanej cechy osobniki pokolenia F₂ są niejednolite i wskazują rozszczepienia. Na przykład wskutek skrzyżowania roślin o różnej barwie kwiatów w pokoleniu F₂ wystąpiły zarówno rośliny o kwiatach białych, jak i rośliny o kwiatach czerwonych. Stosunek liczbowy roślin o kwiatach barwnych do roślin o kwiatach białych w pokoleniu F₂ wynosił w przybliżeniu 3:1, czyli 3/4 i 1/4. Konkretnie w jednym z doświadczeń G. Mendel otrzymał wśród 929 osobników pokolenia F₂ 705 (75,89%) roślin o kwiatach czerwonych i 224 (24,11%) roślin o kwiatach białych. W pokoleniach F₂ krzyżówek między roślinami różniącymi się barwa bądź kształtem nasion G. Mendel otrzymał również rozszczepienie zbliżone bardzo do stosunku 3:1, przy czym w pokoleniu F₂ trzykrotnie liczniejsze były rośliny o cesze, która ujawniała się w pokoleniu F₁.

G. Mendel założył, że np. barwę lub bezbarwność kwiatów grochu warunkuje jedna para czynników dziedzicznych, czyli jak dziś mówimy genów. Geny te oznaczył symbolami A i a.

Mendel założył, że w każdej roślinie powstającej z zygoty występują po dwa geny dla danej cechy. Tak więc rośliny czystej odmiany grochu o kwiatach barwnych możemy oznaczyć symbolem AA, zaś rośliny o kwiatach bezbarwnych jako aa. Celem wyjaśnienia wyników otrzymanych w krzyżówkach G. Mendel założył następnie, że do komórek płciowych, czyli gamet, przechodzi tylko jeden gen z danej pary genów, a więc A bądź też a.

Przy zapłodnieniu roślin o kwiatach białych przez rośliny o kwiatach barwnych (czy też odwrotnie) następuje połączenie gamety żeńskiej z gameta męską. W wyniku zapłodnienia powstaje zygota, a następnie osobnik pokolenia F₁ o składzie genetycznym Aa. Gdy osobnik F₁ będzie wytwarzał gamety, to do połowy gamet przejdzie gen A, a do drugiej połowy zostanie przekazany gen a.

Gdy teraz skojarzymy ze sobą dwa osobniki F₁, aby otrzymać pokolenie F₂, to dwa rodzaje gamet żeńskich, czyli komórek jajowych, z genami A i a są zapładniane przez dwa rodzaje komórek płciowych męskich, czyli plemników, również po połowie niosących gen A bądź gen a.

W wyniku tego zapłodnienia powstaje pokolenie F₂ składające się z trzech rodzajów zygot AA, Aa i aa w stosunku liczbowym 1:2:1. Osobniki powstające z zygot AA i Aa będą miały kwiaty barwne, a osobniki powstające z zygot aa - kwiaty białe. Zgodnie z tym rozumowaniem w pokoleniu mieszańców F₂ powinno być 3/4 (75%) roślin o kwiatach barwnych i 1/4 (25%) roślin o kwiatach białych. A więc rośliny barwne i bezbarwne w pokoleniu F₂ powinny wystąpić w stosunku 3:1 zgodnie z wynikami otrzymanymi w krzyżówkach wykonanych przez G. Mendla.

Jeden z alleli - allel A - dominuje i uwarunkowana przezeń cecha się uzewnętrznia w postaci czerwonej barwy kwiatu, drugi zaś ustępuje i zewnętrznie się nie przejawia - jest to allel a warunkujący barwę białą. Allel, który nie przejawia się zewnętrznie (w postaci cech) nosi nazwę recesywnego, ustępującego, i oznaczamy go małą literą. Natomiast allel ujawniający się w postaci zewnętrznej cechy i maskujący obecność allelu recesywnego nazywamy dominującym, panującym i oznaczamy wielką literą.

Zygota, osobnik diploidalny powstały z dwu zlewających się ze sobą gamet (męskiej i żeńskiej), zawierająca (dwa) takie same allele danego genu nazywa się homozygotą, a jej skład genetyczny (w odniesieniu do omawianej cechy) oznacza się AA lub aa. Zygotę zawierającą różne allele tego samego genu nazywa się heterozygotą i oznacza Aa. Obserwując czerwone kwiaty grochu nie wiemy, że mamy do czynienia z homozygotą AA, czy heterozygotą Aa. Można to ustalić dopiero w wyniku tzw. krzyżowania testowego (kojarząc osobnika uważanego za heterozygotę z osobnikiem homozygotycznym recesywnym, np. osobnika Aa z osobnikiem aa: jeśli wśród potomstwa znajdą się recesywny aa o białych kwiatach, to testowany groch był heterozygotyczny).

Zewnętrzny wygląd osobnika (rośliny, zwierzęcia) - dostrzegalne dla nas cechy będące efektem współdziałania genów i warunków środowiska, sprzyjających lub nie sprzyjających rozwojowi tych cech, nazywamy fenotypem, natomiast zespół genów danego osobnika określa się jako genotyp. Określeń tych używamy zarówno w odniesieniu do jednej cechy (genotyp i fenotyp cechy), jak i do wszystkich cech (genotyp i fenotyp osobnika).

Można więc powiedzieć, że homozygoty AA i heterozygoty Aa mają ten sam fenotyp (barwy kwiatów), ale odmienny genotyp. Reasumując, allel dominujący to taki, którego działanie w heterozygocie przejawia się fenotypowo (np. kolorem, który warunkuje) maskując obecność allelu recesywnego.

Na podstawie wyników swych badań Mendel sformułował pewną ogólną regułę, zwaną pierwszym prawem Mendla. Jest to tak zwane prawo czystości gamet, które stwierdza, że w gametach allele tego samego genu nawzajem się wykluczają, co oznacza, że gamety mogą zawierać tylko jeden allel danego genu. Z powyższego prawa wynika, że homozygoty wytwarzają tylko jeden rodzaj gamet, zaś heterozygoty dwa rodzaje gamet, z jednym bądź drugim allelem, w równych ilościach, czyli po 50%.

KRZYŻOWANIE ROŚLIN RÓŻNIĄCYCH SIĘ DWIEMA CECHAMI

Pierwsze prawo Mendla odnosi się do dziedziczenia jednej cechy, natomiast jego drugie prawo dotyczy dziedziczenia 2 niezależnych cech, a autor oparł je na przykładzie barwy i kształtu nasion. Otóż Mendel skrzyżował dwie odmiany grochu: jedną o nasionach okrągłych i żółtych z drugą o nasionach pomarszczonych i zielonych. Z poprzednich doświadczeń z grochem wiedział, że allel warunkujący barwę żółtą nasion A jest dominujący nad allelem warunkującym barwę zieloną a oraz, że allel warunkujący kształt okrągły B dominuje nad allelem warunkującym kształt kanciasty b.

Tak więc genotyp formy rodzicielskiej homozygotycznej o nasionach żółtych i gładkich będzie miał symbol AABB, zaś genotyp drugiej formy rodzicielskiej również homozygotycznej o nasionach zielonych i pomarszczonych będzie miał symbol aabb. Po skrzyżowaniu tych dwóch odmian rodzicielskich G. Mendel otrzymał w pierwszym pokoleniu jedynie nasiona żółte i gładkie. Wyniku tego należało się spodziewać, skoro jedna odmiana rodzicielska wytwarzała gamety o składzie genowym AB, zaś druga odpowiednio gamety o składzie genowym ab. Z połączenia tych gamet powstaną heterozygoty o genotypie AaBb, czyli inaczej mówiąc podwójne heterozygoty. Ze względu na dominowanie alleli A i B fenotyp nasion pokolenia F₁ powinien być barwy żółtej i kształtu gładkiego.

W następnym pokoleniu mieszańców F₂ otrzymanym z samozapylenia roślin F₁, G. Mendel stwierdził występowanie czterech rodzajów nasion o różnych kombinacjach kształtu i barwy w stosunku ilościowym wynoszącym w przybliżeniu 9:3:3:1. Dane liczbowe z jednego doświadczenia Mendla i porównanie liczb stwierdzonych doświadczalnie z liczbami obliczonymi ze stosunku 9:3:3:1 są następujące:

Liczba nasion rożnego typu		Teoretyczny stosunek częstości wytwarzania	Liczby spodziewane ze stosunku teoretycznego
335	nasion żółtych i gładkich	9/16	556 x 9/16 = 312,75
108	Nasion zielonych i gładkich	3/16	556 x 3/16 = 104,25
101	Nasion żółtych i pomarszczonych	3/16	556 x 3/16 = 104,25
32	Nasion zielonych i pomarszczonych	1/16	556 x 1/16 = 34,75
Suma 556

Widzimy więc, że wynikające z doświadczeń proporcje liczbowe otrzymanych czterech typów nasion w pokoleniu F₂ są bardzo zbliżone do proporcji liczb obliczonych przy założeniu, że cztery znalezione typy nasion segregują w stosunku 9:3:3:1.

Aby wyjaśnić otrzymaną w pokoleniu F₂ segregację czterech typów nasion, G. Mendel zrobił następujące założenia. Podwójna heterozygota o genotypie AaBb wytwarza cztery rodzaje gamet, zawierające po jednym allelu z każdej pary alleli, a więc gamety AB, Ab, aB oraz ab. Wszystkie te cztery rodzaje gamet są wytwarzane z równą częstością, a więc po 25%, czyli w stosunku 1:1:1:1. Zgodnie z pierwszym prawem Mendla allele tego samego genu wykluczają się nawzajem w gametach we wszystkich możliwych kombinacjach. Wszystkie cztery możliwe kombinacje alleli dwóch genów występują w gametach z równą częstością, co by wskazywało, że łączą się w gametach zupełnie losowo.

Jeśli więc w celu otrzymania pokolenia F₂ poddajemy samozapyleniu rośliny pokolenia F₁, czy też kojarzymy je między sobą, wówczas cztery różne typy gamet żeńskich będą zapładniane przez cztery różne typy gamet męskich. Może dokonać się więc 16 różnych rodzajów zapłodnień (4 x 4 = 16) prowadzących do powstania zygot o 9 różnych genotypach. Mimo, że w pokoleniu F₂ powstaje 9 różnych genotypów, to powstaną tylko cztery odrębne fenotypy, wskutek dominowania alleli A i B, w stosunku 9:3:3:1. Najliczniejsze, bo stanowiące 9/16 całości, będą nasiona o obu cechach dominujących, czyli żółte i gładkie. Nasiona o tym fenotypie mogą mieć cztery różne genotypy. Spośród tych nasion 1/9 będzie o genotypie AABB, 2/9 o genotypie AaBB, 2/9 o genotypie AABb i wreszcie 4/9 o genotypie AaBb. Przeprowadzając samozapylenie roślin otrzymanych z nasion żółtych i gładkich pokolenia F₂ możemy sprawdzić w pokoleniu F₃ , czy rzeczywiście wśród nasion żółtych i gładkich pokolenia F₂ występują spodziewane stosunki ilościowe między czterema możliwymi genotypami warunkującymi ten sam fenotyp. Otrzymane przez Mendla wyniki w pełni potwierdziły to założenie.

Aby bezpośrednio przekonać się, że podwójna heterozygota AaBb wytwarza cztery rodzaje gamet z jednakową częstością, należy wykonać krzyżówkę wsteczną, kojarząc podwójną heterozygotę z podwójną homozygotą recesywną o genotypie aabb. W wyniku takiej krzyżówki wstecznej, zgodnie z założeniami Mendla, otrzymamy rzeczywiście cztery rodzaje nasion o różnych kombinacjach kształtu i barwy w równych stosunkach, po 25% czyli w stosunku 1:1:1:1. Innymi słowy podwójna heterozygota wytwarza cztery rodzaje gamet z jednakową częstością.

Na podstawie wyników otrzymanych z krzyżówek, w których rodzice różnili się jednocześnie dwiema cechami, G. Mendel sformował ogólną regułę zwaną drugim prawem Mendla. Głosi ono, że allele dwóch różnych genów są rozdzielane do gamet niezależnie od siebie w sposób czysto losowy. Zatem cechy zależne od odrębnych genów dziedziczą się niezależnie, a w potomstwie heterozygoty powstają losowo wszelkie możliwe kombinacje warunkujących je alleli genów.

Prace Mendla nie znalazły uznania u jemu współczesnych, a jego spostrzeżenia i przemyślenia sformułowali w oba prawa dopiero inni, późniejsi uczeni. Toteż używane tu terminy i pojęcia genetyczne (jak gen, allel, chromosomy jako zbiory genów, fenotyp, genotyp itd.) pochodzą z czasów pomendlowskich i wprowadzono je tu dla ułatwienia. Jednakże niewątpliwą zasługą Mendla stało się ustalenie natury czynników dziedziczenia cech jako wyodrębnionych „cząstek” i rządzących nimi praw. Obecnie mendelizm zalicza się do genetyki klasycznej, ale prawidłowości czy reguły, które opracował, cechuje pewna uniwersalność wynikająca z samej natury genów. Późniejsze zdobycze naukowe w dziedzinie genetyki wykazały, że istnieją odstępstwa od praw Mendla.

WYBRANE CECHY DOMINUJĄCE I RECESYWNE CZŁOWIEKA

Cecha dominująca	Cecha recesywna	Cecha dominująca	Cecha recesywna
Włosy ciemne ^a	Włosy blond	Nos „garbaty”	Nos prosty
Włosy nierude	Włosy rude	Grupa krwi A lub B	Grupa krwi 0
Włosy falujące	Włosy proste	Dobra krzepliwość krwi	Hemofilia ^b
Skłonność do wczesnego łysienia ^b	Brak skłonności do łysienia
				Skłonność do alergii	Brak alergii
	Normalna pigmentacja	Albinizm	Stan normalny	Skłonność do cukrzycy
Piegi	Brak piegów	Stan normalny	Anemia sierpowata
Słuch normalny	Wrodzona głuchota	Nadciśnienie	Stan normalny
Oczy brązowe ^a	Oczy niebieskie lub szare	Wzrost karłowaty	Wzrost normalny
			Odporność na gruźlicę	Podatność na gruźlicę
Oczy orzechowe lub zielone ^a		Oczy niebieskie lub piwne	Uwaga: w dziedziczeniu wielu cech (m.in. wskazanych znakiem ^a) uczestniczy więcej niż jeden gen. W wielu przypadkach (np. skłonności do chorób) istotne znaczenie mają nie tylko czynniki dziedziczne ale i środowiskowe. Niektóre cechy dziedziczą się w sposób sprzężony z płcią ( ^b)
Astygmatyzm	Wzrok normalny
Dalekowzroczność	Wzrok normalny
Krótkowzroczność	Wzrok normalny
Długie rzęsy	Krótkie rzęsy
Odstające uszy	Uszy przylegające

GRUPY KRWI RODZICÓW A GRUPY KRWI DZIECKA

Rodzice		Dziecko (możliwości)	Rodzice		Dziecko (możliwości)
A	A	A, 0	B	AB	A, B, AB
A	B	A, B, AB, 0	B	0	B, 0
A	AB	A, B, AB	AB	AB	A, B, AB
A	0	A, 0	AB	0	A, B
B	B	B, 0	0	0	0

ODPOWIEDZI DO TESTU:

1. C	7. C	13. D	19. D
2. A	8. C	14. C	20. D
3. B	9. A	15. C	21. D
4. D	10. C	16. C	22. C
5. D	11. B	17. C	23. A
6. D	12. A	18. C

1

5

---