Store opdagelser: Arv – Mendel og arvelighedslovene

Er det, som foreslået siden Aristoteles, særlig faderens kvaliteter, som føres videre til næste generation?

Eller blandes karaktertrækkene fra de to køn, så afkommet bliver et 'gennemsnit' af forældrene, sådan som Charles Darwin mente?

Hvorfor får børn typisk brune øjne, hvis den ene af forældrene har brune øjne, og hvorfor kan særlige karaktertræk springe en generation over?

Svaret skulle findes i ærteplanter

Spørgsmål som disse har optaget mange biologer siden oldtiden, og mennesket har igennem tusindvis af år fremavlet hensigtsmæssige karaktertræk hos både planter og husdyr.

Imidlertid var det først i midten af 1800-tallet, at den østrig-ungarske munk Gregor Johann Mendel (1822-1884) afklarede lovmæssighederne for arvelighed ved en række eksemplariske forsøg med mere end 28.000 ærteplanter og en forbilledlig detaljeret kvantitativ analyse af resultaterne.

På trods af at Mendels love for arvelighed ville have været af enorm betydning for Darwins næsten samtidige evolutionsteori, embryologien og mere anvendelsesorienterede avlsprogrammer for afgrøder og husdyr, tog samtiden ingen notits af Mendels opdagelser.

Først i år 1900 – 16 år efter Mendels død – fik en række forskere øjnene op for hans fundamentale bidrag. Arvelovene blev nu opkaldt efter Mendel – og omtales i dag som 'Mendels love' i enhver biologibog.

Hans opdagelse af arvelighedslovene er et eksempel på en opdagelse, der blev gjort 'før sin tid', og som ikke mødte anerkendelse, selvom den kunne have bidraget væsentligt til samtidens forskning.

Ærteplanten blev valgt, da den er selvbestøvende

Gregor Mendel blev født i en fattig bondefamilie og valgte i 1843 som 21-årig at gå i kloster i St. Thomas klosteret i Brno (i det nuværende Tjekkiet) for at kunne forfølge en oprigtig interesse for naturvidenskab. Mendel var nysgerrig efter at finde ud af, hvordan træk nedarves.

Under indflydelse af abbeden Cyrill Franz Napp (1792-1867) og sikkert også plantefysiologen Franz Unger (1800-1870), som underviste Mendel i botanik ved Wiens Universitet i 1850'erne, arbejdede Mendel i 1860'erne med en nøje planlagt og meget detaljeret beskrivelse af arveligheden for syv karaktertræk hos den almindelige ært med det latinske navn Pisum sativum.

Karaktertrækkene var farven og formen på både ært og bælg, blomsternes farve og position samt plantens højde.

Mendel valgte ærteplanten, fordi den er selvbestøvende. Dermed var det relativt nemt at fremelske rene linjer, hvor det samme træk optræder igen og igen gennem generationer.

Ærteblomsterne er desuden relativt store, og Mendel kunne derfor forhindre blomsterne i at befrugte sig selv ved behændigt at fjerne blomstens støvdragere. Han kunne således kontrollere krydsningen mellem planterne ved selv at overføre pollen fra et andet individ.

Efter at have etableret rene linjer kunne planterne krydses

Mendel dyrkede ærteplanterne i et drivhus bygget til formålet på gårdspladsen i klosteret.

Ærter reproducerer sig en gang om året, og da linjerne således kun kunne krydses denne ene gang om året, tog det Mendel tre år (1856-1859) at skabe de tre generationer, der skulle udødeliggøre hans navn inden for biologien.

Først skulle han etablere rene linjer, hvor ingen af de syv træk varierede mellem generationerne. Derefter kunne han krydse dem.

I første omgang krydsede Mendel planter med forskellige træk for de syv karakterer, for eksempel krydsede han planter, hvor bælgene var grønne, med planter, hvor bælgene var gule.

Den første generation efter denne krydsning var dermed hybrider mellem de to linjer og kaldes for F1-generationen.

Mendel vidste, at arvematerialet ikke kunne blandes

Mendel kunne i 1857 observere, at alle planter inden for en given hybrid var ens. Det vil sige at hele F1-afkommet fra krydsningen mellem planter med henholdsvis gule og grønne bælge havde gule bælge.

Dette var ikke en ny opdagelse, men viste, at arvematerialet ikke blandes, sådan at F1 fremstår som en mellemting mellem de to 'forældre'. I stedet er nogle træk, i dette tilfælde den gule farve, dominante, mens andre træk, her den grønne farve, er recessive (eller vigende).

Mendel opnåede desuden identiske resultater, uafhængigt af om det var den gule eller den grønne plante, der modtog pollen, og han kunne derfor fastslå, at begge køn bidrager ligeligt til afkommet. Det var en ny og vigtig opdagelse.

Mendel fandt en lovmæssighed i anden generation

I modsætning til tidligere studier, hvor man havde krydset planter med forskellige karaktertræk, fortsatte Mendel nu med at så F1-generationens ærter og lade planterne selvbestøve. Det var i denne næste generation – F2 – at det egentlige gennembrud kom.

Mendel observerede, som flere før ham, at F2 generationens planter satte enten gule eller grønne bælge. Det recessive træk viste sig altså igen efter at have været skjult i F1-generationen.

Mendel nøjedes dog ikke med denne observation. Han talte planterne med gule eller grønne bælge og konkluderede, at ¾ af planterne bar gule bælge ligesom hybridplanterne, mens ¼ var grønne som den ene af de oprindelige linjer.

Disse observationer gik igen i eksperimenterne med de øvrige seks karaktertræk, og han øjnede en lovmæssighed.

Mendel brugte bogstaver til at beskrive dominante- og recessive gener

Mendel beskrev de dominante træk med store bogstaver (A, B, C og så videre), mens de vigende træk måtte nøjes med små bogstaver (a, b, c og så videre).

Som forklaring på at det vigende karaktertræk genopstod i F2-generationen, foreslog Mendel, at hvert karaktertræk kan tilskrives to elementer (Mendel brugte ordet element for det, vi i dag kalder for et gen).

Krydsning inden for rene linjer med gule bælge (AA) og grønne bælge (aa) giver henholdsvis gule og grønne bælge. Men krydsning mellem linjerne resulterer i, at alle individer i F1-generationen har begge elementer (Aa), én fra hver af de rene 'forældre-linjer'.

Sådanne individer, som altså bærer både det dominante (A) og det recessive element (a), kaldes heterozygote (afledt af græsk, idet heteros betyder forskellig eller fremmed) og vil alle have gule bælge, idet gul (A) dominerer over grøn (a).

Den observerede udspaltning i F2 (¾ og ¼) opnås, når generne i hybridplanten blandes tilfældigt, hvorved ¼ af afkommet er AA (gule), 2/4 Aa (gule) og ¼ aa (grønne).

Farven af ærtebælgen afhænger ikke af ærtens farve eller form

I dag kaldes lovmæssigheden for 'Mendels første lov' eller 'Udspaltningsloven': »Ethvert individ har to allele gener for en given egenskab, der adskilles i et ens forhold, når kønscellerne dannes. Herefter forenes de hunlige og hanlige kønsceller tilfældigt ved befrugtning.«

Mendel viste også, at udspaltningen af de forskellige karaktertræk (for eksempel farve og form på ært og bælg) var uafhængige af hinanden.

Farven af bælgen afhænger altså ikke af ærtens farve eller form, og denne uafhængige fordeling af de forskellige egenskaber kaldes i dag for 'Mendels anden lov'.

Loven gælder ikke for de gener, der ligger på samme kromosom

I dag ved vi, at Mendel var lidt heldig med, at alle syv karakterer opfyldte den anden lov. Loven gælder jo ikke for gener (Mendels elementer), der ligger på samme kromosom.

Mendel var selv klar over, og sikker på, at hans resultater bidrog med en fundamental ny forståelse af arvelighedslæren.

Han holdt to foredrag i februar 1865, hvor han fremlagde resultaterne for den lokale videnskabsforening, som ikke lader til at have forstået betydningen af studierne.

Han publicerede også studiet under titlen Versuche über Pflanzen-Hybriden i 1866, men desværre i samme videnskabsforenings noget ukendte tidsskrift, Proceedings of the Natural History Society of Brünn.

Von Nägeli var interesseret i Darwin fremfor Mendel

Mendel sendte imidlertid 40 særtryk af afhandlingen til forskellige naturforskere, heriblandt den indflydelsesrige plantefysiolog Carl von Nägeli (1817-1891) ved Universitetet i München.

Von Nägeli studerede selv forplantning og nedarvning hos planter, og han burde derfor om nogen have forstået arbejdet.

Men den berømte professor var tilsyneladende så betaget af Charles Darwins (1809-1882) (fejlagtige) ide om Pangenesis, hvor arveligheden søges forklaret ved, at alle kroppens celler på ikke nærmere specificeret vis udskiller signaler, der påvirker kønscellerne.

Von Nägeli svarede således både arrogant og henholdende på Mendels mange indtrængende henvendelser, hvor han bad om von Nägelis mening.

Tre uafhængige forskere kom frem til Mendels resultater

I årene efter udgivelsen af arvelovene blev Mendel som abbed optaget af administrative opgaver ved klosteret, og han døde uden at have modtaget den anerkendelse, han fortjente.

Mendels studier blev genopdaget i år 1900, hvor tre forskere uafhængigt af hinanden så betydningen af Mendels arbejde og nåede samme resultat, som Mendel havde nået 34 år tidligere.

Der udspandt sig nu en diskussion blandt de tre konkurrerende forskere om, hvorvidt den ene eller den anden havde plagieret Mendel.

Ordet 'gen' blev brugt for første gang

Kort efter genopdagelsen af Mendel brugte den danske plantefysiolog og genetiker Wilhelm Johannsen (1857-1927) for første gang ordet 'gen' som benævnelse for den arvelige enhed, som Mendel kaldte for et element.

Som Mendel studerede Johannsen også rene linjer af forskellige planter, men kunne som noget nyt vise, at planter med samme arvemateriale kunne udformes forskelligt, hvis de vokser op under forskellige levevilkår.

Johannsen fremkom dermed med begreberne genotype og fænotype. Individer med samme genotype, det vil sige at de har de samme gener, kan altså ende med at se forskellige ud, det vil sige at de har forskellig fænotype (afledt af det græske ord phaino der betyder 'vise sig' eller 'fremtræde').

Denne skelnen mellem den genetiske og miljømæssige påvirkning forbliver et centralt begreb i biologien og spiller også en anseelig samfundsvidenskabelig rolle, når man prøver at afgøre betydningen af arv og miljø.

Mendels arbejde er et skoleeksempel på et godt forsøg

På trods af at Mendels arbejde i dag fremstår som et skoleeksempel på værdien af det kontrollerede og gennemtænkte forsøgsdesign, har det ikke skortet på kritik af Mendels studier.

Den berømte statistiker og genetiker Ronald Fisher (1890-1962) gjorde i 1930'erne opmærksom på, at Mendels data fremstod som usandsynligt gode.

I kritikken lagde Fisher endvidere vægt på, at den uafhængige udspaltning af alle syv karakterer (Mendels anden lov) som nævnt kun forekommer, fordi de syv kodende gener ligger på hvert sit kromosom (en viden, som Mendel ikke havde, da man endnu ikke vidste, at kromosomerne bærer den genetiske information).

Mendels originaldata blev brændt efter hans død

Fisher rejste dermed tvivl om, hvorvidt Mendel bevidst havde valgt karakterer, der gav det ønskede resultat.

Senere studier har frikendt Mendel for denne anklage om videnskabelig uredelighed, men en endelig afklaring kommer nok aldrig, da de fleste af Mendels notesbøger og originaldata blev brændt få uger efter hans død.

Selvsamme Fisher og en række andre biologer integrerede i 1930'erne Mendels arvelighedslære og Darwins evolutionslære i det, som i dag kaldes den moderne syntese.

Her spillede statistiske modeller en central rolle, og det nu blev muligt at beregne, hvordan den naturlige selektion påvirker genernes fordeling i populationer af forskellig størrelse. Disse modeller spiller en afgørende rolle i den moderne biologi.