Святая святых генетики
«Скрестили белый горох с гладкими плодами и высокий горохом с морщинистыми плодами…». Если вы сдавали ЕГЭ по биологии или просто хорошо помните школьную программу, то эти слова вам покажутся знакомыми. Но почему именно с этим растением школьники экспериментируют в своих тетрадях? Возможно, это дань уважения одному чешскому монаху.
Плоть от плоти
Летом 1822 года в семье немецко-славянского фермера Менделя родился второй ребенок, мальчик Иоганн. Его родители владели землей, которая возделывалась их предками вот уже более ста лет, и сын с детства начал осваивать работу в поле. Как библейский Авель, он ухаживал за садом и пчелами.
Окончив деревенскую школу, мальчик поступил в гимназию, а затем и в университет Ольмюца на философский факультет. Семья работала в поте лица, но все равно не могла оплачивать обучение сына, поэтому Иоганн принял решение постричься в монахи. Это бы позволило ему продолжить бесплатно учиться не только в Ольмюце, но и в других городах. Молодой человек взял себе монашеское имя Грегор и присоединился к ордену святого Августина.
Брно — Вена — Брно
После принятия сана Мендель переехал в монастырь Святого Томаса в Брно, (современная Чехия). Там он начал учиться на священника, одновременно подрабатывая учителем в местной школе. В 1850 году Грегор не сдал экзамен на получение диплома полноценного преподавателя и по совету настоятеля своего монастыря отправился в Вену изучать естественные науки. Там Мендель познакомился с Францем Унгером, одним из основателей науки о клетках — цитологии, и Кристианом Допплером, знаменитым физиком, открывшим эффект изменения длины волны.
После возвращения в Брно в 1854 году Иоганн еще два раза сдавал экзамен на должность учителя, но не смог получить ее. Он так и остался преподавателем на полставки.
Августинский монастырь в Брно. Источник: wikipedia.org
Плодись и размножайся, горох
В Вене Мендель заинтересовался растениями и их гибридизацией. Вдохновившись работами Унгера, он начал свои эксперименты на двух гектарах монастырского сада. Основной культурой монах выбрал горох: растение было нетребовательно в уходе, росло быстро и давало много потомков, что особенно важно в селекции. Более того, признаки разных сортов сильно отличались, поэтому фиксировать различия между двумя особями было легко. Наконец самое главное — цветок гороха имел такое строение, что растение опыляло само себя, пыльца с других цветов могла быть внесена только искусственным путем.
Цветок гороха. Источник: wikipedia.org
Сама схема эксперимента была проста: у одного из растений удаляются тычинки, чтобы оно не могло опылить само себя, а затем в цветок вносится пыльца с другого растения. Созревшие позже семена высаживают в землю и ждут появления гибридных растений. Признаки потомства, такие как рост, форма боба, цвет лепестков, могут рассказать о генотипе родительских растений. Правда, самого слова «ген» тогда еще не существовало, и Иоганн говорил о некоторых «невидимых факторах» в организмах.
«Ищите, и найдете; стучите, и отворят вам», — так было сказано в одной известной книге. Мендель по долгу службы усвоил эту мудрость на отлично: за семь лет с 1856 по 1863 он провел огромную и трудоемкую работу: вырастил более 28 000 растений, кропотливо посчитал количество потомков и записал их признаки, а затем провел статистический анализ. Результатом стали три закона наследственности.
В хромосоме есть ген, отвечающий за определенный признак, например цвет лепестков. Растение гороха — диплоидное, то есть у каждой хромосомы есть пара. Таким образом, в организме одновременно содержатся два гена, называемые аллелями, отвечающие за один и тот же признак. Внешность растения зависит от соотношения между этими генами: если хотя бы один из аллелей доминантный, то цветки будут красными, если оба аллеля рецессивные — цветки будут иметь белый цвет.
Иллюстрация первого и второго закона Менделя. Источник: wikipedia.org
Первый закон Менделя гласит, что при скрещивании двух линий, то есть генетически однородных особей, одна из которых полностью доминантна, а вторая полностью рецессивна, все потомство будет обладать доминантным признаком.
Второй закон гласит, что при скрещивании между собой потомков из первого закона соотношение фенотипов, то есть различных внешних видов, будет 3:1.
Третий закон описывает сложный случай наследования сразу двух признаков.
На самом деле Менделю очень повезло: возьми он другое растение, и результат мог бы быть не таким простым и предсказуемым. Признаки гороха, рассматриваемые монахом, зависели от генов, расположенных в разных хромосомах. Это значит, что не наблюдалось такое явление, как сцепленное наследование, когда два гена из одной хромосомы передаются потомкам вместе. Тут уже теория вероятности не помогла бы, и Менделю пришлось бы просто наблюдать за потомками с непонятной закономерностью наследования признаков.
Не притча во языцех
Оформив свои мысли и расчеты в слова, брат Грегор решил рассказать о своих экспериментах ученым. Впервые он это сделал 8 февраля 1865 года на конференции Общества естествоиспытателей в Брно. Мендель был уверен, что совершил значительное открытие, однако его работу ждал провал. Никто из научного сообщества не заинтересовался «Экспериментами по гибридизации растений», о докладе монаха-ботаника написали лишь несколько местных газет. Люди решили, что работа посвящена селекции, а не исследованию принципов наследственности. Статью с результатами семилетних опытов процитировали три раза за следующие тридцать пять лет…
Чтобы удостовериться в правильности результатов, Мендель решил повторить скрещивания с пчелами и ястребинкой, декоративным растением. Эксперименты имели обратный эффект: соотношение признаков и близко не было похоже на ожидаемое. Разочаровавшись в результатах, Мендель поменял мнение насчет значимости своих открытий, и, став аббатом монастыря, в котором жил, окончательно забросил биологию.
Второе прочтение
«Эксперименты по гибридизации растений» так и простояли бы на полках библиотек и архивов, если бы не поиски новой теории наследственности. Все дело в другой книге не менее известного биолога. «Происхождение видов» вызвала такой резонанс в обществе, что последующие десятилетия ученые активно искали аргументы за и против теории Дарвина. Одним из аргументов противников эволюции была господствовавшая тогда теория смешанной наследственности. Вкратце, если представить совокупность признаков одного родителя как стакан с красной жидкостью, а признаки второго — как стакан с белой жидкостью, то потомки неизбежно окажутся розового цвета.
Такая теория оказалась камнем преткновения для эволюции, ведь все организмы внутри одного вида с течением времени стали бы абсолютно одинаковы. Тогда и о видообразовании не могло быть и речи. Дарвин и сам это прекрасно понимал, но ничего не мог предложить научному сообществу. Только в 1900 году Хьюго де Фриз и Карл Корренс независимо друг от друга опровергли теорию смешанной наследственности. Они получили результаты, о которых писал Мендель. Вот тогда все и поняли, что открытие уже было совершено тридцать пять лет назад.
С тех пор имя Иоганна Грегора Менделя сопровождается почетным титулом «отец генетики», а школьники вынуждены думать, почему белые цветки гороха есть только у четверти потомков.
