Грегор Мендель: Основоположник генетики

Введение

Августинский монах и ученый (1822–1884)

Грегор Иоганн Мендель OSA (; 20 июля 1822 – 6 января 1884) был австрийским чешским биологом, метеорологом, математиком, августинским монахом и аббатом аббатства Святого Томаса в Брно (Брунн), Маркграфстве Моравии. Мендель родился в немецкоязычной семье в силезской части Австрийской империи (ныне Чешская Республика) и получил посмертное признание как основатель современной науки о генетике. Хотя фермеры на протяжении тысячелетий знали, что скрещивание животных и растений может способствовать развитию определенных желательных признаков, эксперименты Менделя с горохом, проведенные между 1856 и 1863 годами, установили многие правила наследственности, ныне известные как законы менделевского наследования. Мендель работал с семью характеристиками гороховых растений: высотой растения, формой и цветом стручков, формой и цветом семян, а также положением и цветом цветков. В качестве примера, взяв цвет семян, Мендель показал, что при скрещивании чистопородного желтого гороха и чистопородного зеленого гороха их потомство всегда дает желтые семена. Однако в следующем поколении зеленый горох вновь появляется в соотношении 1:3 (один зеленый к трем желтым). Чтобы объяснить это явление, Мендель ввел термины «рецессивный» и «доминантный» по отношению к определенным признакам. В приведенном выше примере зеленый признак, который, казалось, исчез в первом поколении, является рецессивным, а желтый – доминантным. Он опубликовал свою работу в 1866 году, продемонстрировав действие невидимых «факторов» – ныне называемых генами – в предсказуемом определении признаков организма. Глубокое значение работы Менделя не было признано до начала XX века (более чем через три десятилетия после публикации) с повторным открытием его законов. Эрих фон Чермак, Хьюго де Фрис и Карл Корренс независимо подтвердили несколько экспериментальных результатов Менделя в 1900 году, положив начало современной эпохе генетики.

Ранние годы и образование

Мендель родился в немецкоязычной семье в Хайнцендорфе-бей-Одрау (дом, в котором родился Мендель, теперь является музеем, посвященным Менделю). В детстве Мендель работал садовником и изучал пчеловодство. В юности он посещал гимназию в Троппау. Ему пришлось прервать учебу в гимназии на четыре месяца из-за болезни. С 1840 по 1843 год он изучал практическую и теоретическую философию и физику в Философском институте Оломоуцкого университета (Ольмюц), еще на год прервав обучение по болезни. Он также испытывал финансовые трудности с оплатой учебы, и Терезия дала ему свое приданое. Позже он помогал содержать ее троих сыновей, двое из которых стали врачами. Он стал монахом отчасти потому, что это позволило ему получить образование, не оплачивая его самостоятельно. Как сын небогатого фермера, монашеская жизнь, по его словам, избавляла его от "постоянной тревоги о средствах к существованию". Родившись Иоганном Менделем, он получил имя Грегор (Řehoř в чешском языке). Мендель поступил в августинское аббатство святого Фомы в Брно и начал подготовку к священству. Мендель работал учителем в средней школе на замене. В 1850 году он не сдал устную часть, последнюю из трех частей, экзаменов на получение квалификации учителя средней школы. В 1851 году он был отправлен в Венский университет для обучения под покровительством аббата Кирилла Франтишека Наппа, чтобы получить более формальное образование. В Вене его профессором физики был Кристиан Допплер. После возведения в сан аббата в 1868 году его научная работа в значительной степени прекратилась, поскольку Мендель был перегружен административными обязанностями, особенно спором с гражданскими властями из-за попытки ввести специальные налоги на религиозные учреждения. Мендель умер 6 января 1884 года в возрасте 61 года в Брно. После его смерти преемник аббата сжег все бумаги из коллекции Менделя, чтобы положить конец спорам о налогообложении. Эксгумация тела Менделя в 2021 году позволила установить некоторые физиогномические детали, такие как рост. Его геном был проанализирован, и было выявлено, что Мендель был предрасположен к сердечным заболеваниям.

Mendel was born into a German speaking family in Heinzendorf bei Odrau, (the house where Mendel was born is now a museum devoted to Mendel). During his childhood, Mendel worked as a gardener and studied beekeeping. As a young man, he attended gymnasium in Troppau He had to take four months off during his gymnasium studies due to illness. From 1840 to 1843, he studied practical and theoretical philosophy and physics at the Philosophical Institute of the University of Olomouc (Olmütz), taking another year off because of illness. He also struggled financially to pay for his studies, and Theresia gave him her dowry. Later he helped support her three sons, two of whom became doctors. He became a monk in part because it enabled him to obtain an education without having to pay for it himself. As the son of a struggling farmer, the monastic life, in his words, spared him the "perpetual anxiety about a means of livelihood." Born Johann Mendel, he was given the name Gregor (Řehoř in Czech) Mendel entered the Augustinian St Thomas's Abbey in Brno and began his training as a priest. Mendel worked as a substitute high school teacher. In 1850, he failed the oral part, the last of three parts, of his exams to become a certified high school teacher. In 1851, he was sent to the University of Vienna to study under the sponsorship of Abbot Cyril František Napp so that he could get more formal education. At Vienna, his professor of physics was Christian Doppler. After he was elevated as abbot in 1868, his scientific work largely ended, as Mendel became overburdened with administrative responsibilities, especially a dispute with the civil government over its attempt to impose special taxes on religious institutions. Mendel died on 6 January 1884, at the age of 61, in Brno, After his death, the succeeding abbot burned all papers in Mendel's collection, to mark an end to the disputes over taxation. The exhumation of Mendel's corpse in 2021 delivered some physiognomic details like body height His genome was analysed, revealing that Mendel was predisposed to heart problems.

Эксперименты по гибридизации растений

Мендель, известный как "отец современной генетики", выбрал для изучения изменчивость растений в экспериментальном саду своего монастыря. Менделю в разработке экспериментов помогал Александр Завадский, в то время как его настоятель, аббат Нэпп, писал, чтобы отговорить его, сообщив, что епископ смеялся, узнав о подробных родословных гороха. После первоначальных экспериментов с растениями гороха Мендель сосредоточился на изучении семи признаков, которые, казалось, наследуются независимо друг от друга: форма семян, цвет цветков, окраска оболочки семени, форма стручков, цвет незрелых стручков, расположение цветков и высота растений. Сначала он сосредоточился на форме семян, которая была либо угловатой, либо округлой. В период с 1856 по 1863 год Мендель вырастил и протестировал около 28 000 растений, большинство из которых были растениями гороха (Pisum sativum). Это исследование показало, что при скрещивании чистых линий разных сортов (например, высоких растений с низкими растениями), во втором поколении у каждого четвертого растения гороха проявлялись чистые рецессивные признаки, два из четырех были гибридами, а у каждого четвертого проявлялись чистые доминантные признаки. Его эксперименты привели его к двум обобщениям – закону расщепления и закону независимого наследования, которые впоследствии стали известны как законы наследственности Менделя.

Первоначальное восприятие работы Менделя

Мендель представил свою статью Versuche über Pflanzenhybriden ("Эксперименты по гибридизации растений") на двух заседаниях Естественно-исторического общества Брно в Моравии 8 февраля и 8 марта 1865 года. В местных газетах появилось несколько благоприятных отчетов, однако работа воспринималась прежде всего как исследование гибридизации, а не наследственности, оказала незначительное влияние и была процитирована лишь около трех раз в течение последующих тридцати пяти лет. Статья Менделя подвергалась критике в то время, но сегодня признана основополагающей. Важно отметить, что Чарльз Дарвин не был знаком с работой Менделя, и предполагается, что если бы он знал о ней, генетика в том виде, в котором она существует сейчас, могла бы утвердиться гораздо раньше. Научная биография Менделя, таким образом, служит примером того, как выдающиеся, но малоизвестные новаторы не получают должного признания.

Восстановление работы Менделя

Около сорока ученых прослушали две основополагающие лекции Менделя, но, по всей видимости, не смогли понять значения его работы. Позже он также вел переписку с Карлом Нэгели, одним из ведущих биологов того времени, но и Нэгели не смог оценить открытия Менделя. Вероятно, Мендель не раз испытывал сомнения в своей работе, но не всегда: «Мой час наступит», – как он, по сообщениям, сказал другу.

При жизни Менделя большинство биологов придерживались представления о том, что все признаки передаются следующему поколению посредством смешения наследственности (и действительно, во многих случаях так и происходит), при котором признаки от каждого родителя усредняются. Случаи этого явления теперь объясняются действием множественных генов с количественным эффектом. Чарльз Дарвин безуспешно пытался объяснить наследственность теорией пангенеза. Важность идей Менделя была осознана лишь в начале XX века. Хотя де Врис позже потерял интерес к менделизму, другие биологи начали формировать современную генетику как науку. Все трое исследователей, каждый из разных стран, опубликовали свои повторные открытия работы Менделя в течение двух месяцев весной 1900 года. Результаты Менделя были быстро воспроизведены, и генетическая связь была быстро установлена. Биологи устремились к этой теории; хотя она еще не была применима ко многим явлениям, она стремилась дать генотипическое понимание наследственности, которого, по их мнению, не хватало в предыдущих исследованиях, сосредоточенных на фенотипических подходах. Наиболее известным из этих предыдущих подходов была биометрическая школа Карла Пирсона и У. Ф. Р. Уэлдона, которая в значительной степени основывалась на статистических исследованиях изменчивости фенотипа. Самым сильным противником этой школы был Уильям Бейтсон, который, возможно, больше всего сделал в первые годы популяризации преимуществ теории Менделя (слово «генетика» и большая часть другой терминологии дисциплины возникли благодаря Бейтсону). Эта дискуссия между биометриками и менделистами была чрезвычайно острой в первые два десятилетия XX века: биометрики утверждали о статистической и математической строгости, в то время как менделисты – о лучшем понимании биологии. Современная генетика показывает, что менделевская наследственность на самом деле является по своей сути биологическим процессом, хотя не все гены, использованные в экспериментах Менделя, еще поняты. В конечном итоге оба подхода были объединены, особенно благодаря работам Р. А. Фишера, начатым еще в 1918 году. Объединение менделевской генетики с дарвиновской теорией естественного отбора в 1930-х и 1940-х годах привело к современному синтезу эволюционной биологии. В Советском Союзе и Китае менделевская генетика была отвергнута в пользу ламаркизма, что привело к тюремному заключению и даже казням менделевских генетиков (см. Лысенковщину).

During Mendel's lifetime, most biologists held the idea that all characteristics were passed to the next generation through blending inheritance (indeed, many effectively are), in which the traits from each parent are averaged. Instances of this phenomenon are now explained by the action of multiple genes with quantitative effects. Charles Darwin tried unsuccessfully to explain inheritance through a theory of pangenesis. It was not until the early 20th century that the importance of Mendel's ideas was realized. Though de Vries later lost interest in Mendelism, other biologists started to establish modern genetics as a science. All three of these researchers, each from a different country, published their rediscovery of Mendel's work within a two month span in the spring of 1900. Mendel's results were quickly replicated, and genetic linkage quickly worked out. Biologists flocked to the theory; even though it was not yet applicable to many phenomena, it sought to give a genotypic understanding of heredity which they felt was lacking in previous studies of heredity, which had focused on phenotypic approaches. Most prominent of these previous approaches was the biometric school of Karl Pearson and W. F. R. Weldon, which was based heavily on statistical studies of phenotype variation. The strongest opposition to this school came from William Bateson, who perhaps did the most in the early days of publicising the benefits of Mendel's theory (the word "genetics", and much of the discipline's other terminology, originated with Bateson). This debate between the biometricians and the Mendelians was extremely vigorous in the first two decades of the 20th century, with the biometricians claiming statistical and mathematical rigor, whereas the Mendelians claimed a better understanding of biology. Modern genetics shows that Mendelian heredity is in fact an inherently biological process, though not all genes of Mendel's experiments are yet understood. In the end, the two approaches were combined, especially by work conducted by R. A. Fisher as early as 1918. The combination, in the 1930s and 1940s, of Mendelian genetics with Darwin's theory of natural selection resulted in the modern synthesis of evolutionary biology. In the Soviet Union and China, Mendelian genetics was rejected in favor of Lamarckism, leading to imprisonment and even execution of Mendelian geneticists (see Lysenkoism).

Другие эксперименты

Мендель начал свои исследования наследственности с мышей. Он находился в аббатстве Святого Томаса, но его епископу не понравилось, что один из его монахов изучал половое поведение животных, поэтому Мендель переключился на растения. Мендель также разводил пчёл в пчелином домике, построенном для него, используя ульи собственной конструкции. Он также изучал астрономию и метеорологию, и большинство его опубликованных работ были посвящены метеорологии и пчёлам. Он опубликовал отчёт о своей работе с иван-чаем, группой растений, представлявших большой интерес для учёных того времени из-за их разнообразия. Однако результаты исследования наследственности иван-чая у Менделя отличались от его результатов с горохом: первое поколение было очень изменчивым, и многие их потомки были идентичны материнскому растению. В переписке с Карлом Негели он обсуждал эти результаты, но не смог их объяснить. Никаких данных о его исследованиях пчёл не сохранилось, за исключением мимолетного упоминания в отчётах Моравского пчеловодческого общества. Известно точно, что он использовал кипрских и карниолских пчёл, которые были особенно агрессивны, что раздражало других монахов и посетителей монастыря, и его попросили от них избавиться. Мендель же любил своих пчёл и называл их «моими дорогими маленькими созданиями». Он также описал новые виды растений, которые обозначаются ботаническим сокращением авторства «Mendel».

Парадокс Менделя

В 1936 году Рональд Фишер, выдающийся статистик и популяционный генетик, реконструировал эксперименты Менделя, проанализировал результаты поколения F2 (второго фиалиального поколения) и обнаружил, что соотношение доминантных и рецессивных фенотипов (например, желтый к зеленому гороху; круглый к морщинистому гороху) невероятно и последовательно слишком близко к ожидаемому соотношению 3:1. Фишер утверждал, что "данные большинства, если не всех, экспериментов были сфальсифицированы таким образом, чтобы тесно соответствовать ожиданиям Менделя". Другие ученые согласны с Фишером в том, что различные наблюдения Менделя подозрительно близки к его ожиданиям. Например, А. В. Ф. Эдвардс замечает: "Можно похвалить удачливого игрока; но когда ему везет снова завтра, и на следующий день, и послезавтра, то у вас есть все основания немного заподозрить". Три других линии доказательств также подтверждают утверждение, что результаты Менделя действительно слишком хороши, чтобы быть правдой. Анализ Фишера породил менделевский парадокс: сообщенные данные Менделя, статистически говоря, слишком хороши, чтобы быть правдой, но "все, что мы знаем о Менделе, говорит о том, что он вряд ли прибег бы к преднамеренному обману или к неосознанной корректировке своих наблюдений". Фишер обвинил эксперименты Менделя в "сильной предвзятости в сторону подтверждения ожиданий, чтобы дать теории шанс". Было предложено объяснение результатов Менделя на основе тетрадной пыльцы, но повторение экспериментов не выявило никаких доказательств того, что модель тетрадной пыльцы объясняет какую-либо из выявленных предвзятостей. В 2008 году Хартл и Фэрбенкс (вместе с Алланом Франклином и А. В. Ф. Эдвардсом) написали всеобъемлющую книгу, в которой пришли к выводу, что нет оснований утверждать, что Мендель сфабриковал свои результаты, или что Фишер намеренно пытался принизить наследие Менделя. Переоценка статистического анализа Фишера, по мнению этих авторов, также опровергает идею о предвзятости подтверждения в результатах Менделя.

Празднование

Гора Мендель в горном хребте Папароа в Новой Зеландии была названа в его честь в 1970 году Департаментом научных и промышленных исследований. В ознаменование 200-летия со дня рождения тело Менделя было эксгумировано, и его ДНК была секвенирована.