Как робкий и тревожный монах Мендель положил начало современной генетике

Монаха-августинца Грегора (Иоганна) Менделя часто называют отцом генетики, но это не совсем точный эпитет. Генетика как учение о наследственности уходит корнями в античность. Зачатки современной генетики появились в конце XVIII века, когда в Европе и Северной Америке один за другим открывались дома сумасшедших: для отчетности перед властями врачи и психиатры собирали и обрабатывали подробные данные о пациентах и в конце концов пришли к догадке, что безумие обусловлено наследственностью.

О наследственности рассуждали и натуралисты XIX века, в том числе Чарльз Дарвин, один из основоположников эволюционной теории и современник Менделя. Дарвин не знал об экспериментах Менделя и был приверженцем популярной идеи, что черты отдельной особи — результат смешения, что-то вроде среднего значения признаков ее родителей. Мендель своими опытами с кустами гороха показал, что эта гипотеза неверна: черты определяются двумя «факторами», отцовским и материнским, но в особи проявляется только один, доминантный, а второй, рецессивный, скрыт. В наши дни ученые называют эти факторы генами. Отцом генетики в узком смысле — как науки о генах — и стал Мендель.

В монастырь — за бесплатным образованием

Иоганн Мендель родился в скромной крестьянской семье с севера Моравии, которая в XX веке отошла Чехии, а тогда принадлежала Австрийской империи. Его отца придавило бревном, отчего тот больше не мог работать, и Мендели вконец обеднели. Вероятно, это произвело неизгладимое впечатление на юного Иоганна. Всю жизнь его мучили симптомы тяжелой депрессии: еще в гимназии ему пришлось оставить учебу на четыре месяца, позже Мендель брал отпуск и в Университете Оломоуца, где изучал философию и физику. В это время он подрабатывал учителем, но денег не хватало, и младшая сестра Терезия отдала ему свое приданое.

После университета Мендель постригся в монахи-августинцы и принял имя Грегор. В католическом монастыре Святого Томаша в Брно жили ученые мужи и была огромная библиотека, а за учебу не нужно было платить. В 26 лет у Менделя уже был собственный приход: три других священника умерли во время эпидемии. Свои обязанности Грегор выполнял с трудом: навещать больных он стеснялся, да и сам постоянно болел. Зато местный епископ отмечал усердие Менделя в науке.

Тогда Грегора направили временным учителем на юг Моравии, но вскоре он провалил устный экзамен, не прошел аттестацию и уехал учиться в Вену. По возвращении он еще раз не справился с устным экзаменом. Только благодаря превосходным способностям его оставили учителем, но на полставки. Зато для науки это была удача: освободившееся время Мендель посвятил экспериментам.

И в Университете Оломоуца, и в монастыре Святого Томаша, и в институте в Брно, куда молодой монах ходил на занятия, Менделю попадались ученые, интересовавшиеся наследственностью. Судя по всему, это сказалось на его научных интересах, а занятия в Вене у знаменитого физика, математика Кристиана Доплера и ботаника, эволюциониста Франца Унгера, вероятно, сформировали интеллектуальные привычки Менделя.

О чем говорит горошек

Есть разные мнения насчет того, зачем Мендель затеял свои опыты. Одни историки науки полагают, что он хотел разобраться в гибридизации и преследовал скорее прикладные цели. Противоположная точка зрения гласит, что натуралиста интересовали именно принципы наследственности и устройство всего живого.

Сначала он экспериментировал на мышах и пчелах, но в конце концов остановился на горошке. С точки зрения натуралиста у горошка несколько преимуществ: он быстро растет, занимает мало места, может опылять сам себя, но также благодаря закрытой форме цветка его легко опылять вручную с помощью кисточки — в обоих случаях размножение остается под контролем. Вдобавок большинство признаков горошка, которые выбрал для сравнения Мендель, передаются по отдельности (позже выяснилось, что гены, расположенные в ДНК недалеко друг от друга, часто наследуются в связке).

Первые два года Мендель следил, чтобы растения опыляли только сами себя и у каждого поколения горошка были одни и те же черты: высота и цвет кустов, форма стручков и горошин — всего семь признаков. Затем он стал скрещивать непохожие кусты. Если бы была верна гипотеза о том, что в потомках смешиваются черты родителей, то гибрид высокого и низкого горошка был бы среднего размера, а гибрид зеленого и желтого обладал бы промежуточным цветом. Но во втором поколении горох напоминал только одного родителя.

Тогда Мендель стал скрещивать получившиеся гибриды — и потерявшиеся во втором поколении черты вернулись. Например, у исходных кустов с гладкими горошинами и кустов с морщинистыми получилось исключительно «гладкое» потомство, но примерно четверть «внуков» оказалась морщинистой. Это-то и натолкнуло Менделя на мысль, что каждый признак определяют два «фактора» — отцовский и материнский.

У исходных «чистых» кустов с гладкими и морщинистыми горошинами факторы совпадали: ГГ и ММ. Во втором поколении получились только гибриды ГМ, а в третьем были растения четырех типов: ГГ, ММ, МГ и ГМ. Поскольку комбинации складывались с одинаковой вероятностью, а две последние, по сути, были одинаковые, то половина «внуков» оказалась гибридами ГМ, четверть — ГГ, а еще четверть — ММ. Мендель заключил, что морщинистым был только горошек ММ, а в кустах ГМ фактор гладкости (доминантный) побеждал фактор морщинистости (рецессивный). Потому-то во втором поколении гладкими были все растения, а в третьем — только три четверти.

«Мое время еще настанет»

Опыты по скрещиванию горошка проводили и прежде: известно об экспериментах британцев Эндрю Найта, Джона Госса, Александра Сетона. Знал о них и австрийский монах. Наиболее интересной была работа Госса: он получил результаты, похожие на менделевские, но не увидел в них закономерность.

В отличие от него Мендель записывал и анализировал данные, вырастив почти 30 тыс. кустов гороха. Вместе с подготовительным этапом и итоговыми вычислениями у него и его помощников ушло на это целых девять лет. Закономерность была налицо: доминантные признаки проявлялись в три раза чаще рецессивных. Погрешность была настолько мала, что в XX веке Менделя заподозрили в подтасовке результатов. Но, так или иначе, гипотеза, объясняющая эти результаты, оказалась верной.

В 1865 году Мендель выступил с докладом в Обществе естественной истории в Брно, но коллег его выкладки не впечатлили, потому что противоречили популярной гипотезе о смешивании признаков и опирались на математические вычисления, а в биологии это было не принято. Вскоре Мендель опубликовал статью, но те редкие читатели, что до нее добрались, рассматривали ее как отчет об исследовании гибридов, а не труд о наследственности.

В том же 1865 году Мендель основал Австрийское метеорологическое общество (кроме того, он изучал грунтовые воды, культивировал фрукты и овощи, разводил пчел), а спустя три года стал настоятелем монастыря. С тех пор большую часть времени Мендель занимался административной работой и прослыл ярым противником налогообложения монастырей. Обсуждая опыты с горошком, он повторял, что его время еще настанет. Дождаться этот момент ему было не суждено: в 1884 году Мендель умер от воспаления почек.

Как подружить Дарвина и Менделя

Заслуги Менделя признали только в 1900 году, когда три ботаника — австриец Эрих Чермак, немец Карл Корренс и голландец Хуго де Фриз — друг за другом опубликовали такие же результаты опытов по скрещиванию гороха с теми же самыми объяснениями. Есть разные мнения насчет того, кто из них первым наткнулся на давнишнюю статью монаха из Брно, но всем троим пришлось долго доказывать, что об экспериментах предшественника они узнали уже после того, как провели собственные.

О Менделе наконец-то узнали крупнейшие ученые своего времени, только его выводы приняли не все. На первый взгляд, менделевские принципы противоречили утвердившейся к тому времени теории эволюции Дарвина с ее постепенными изменениями. Напротив, приверженцы теории Менделя считали, что организмы адаптируются не постепенно, а благодаря стремительным единичным мутациям, и не признавали роль естественного отбора в эволюции живого.

Эти мнимые противоречия разрешились в первые десятилетия XX века. Сначала Рональд Фишер показал, что черты особи, например рост человека, зачастую определяет не один фактор — к тому времени менделевский термин заменило слово «ген», — а несколько. Каждый отдельный ген мало влияет на признаки, поэтому в зависимости от комбинации генов рост бывает самым разным, в отличие от цвета горошин, который достается кусту либо от отцовского растения, либо от материнского. Затем Фишер, Джон Халдейн и Сьюалл Райт построили математические модели, чтобы количественно измерить вклад естественного отбора, мутаций и других сил в эволюцию и генетическое разнообразие. Получилось, что дарвинизм и менделизм прекрасно согласуются.

Оба великих ученых ошибались в деталях, но в главном были правы. Если говорить о Менделе, то существование «факторов» наследственности подтвердилось экспериментально, когда в ДНК были обнаружены гены. Разные формы одного «фактора» теперь называются аллелями, они действительно бывают доминантными и рецессивными, а в ДНК находится по две их копии: от отца и матери, ведь половые клетки родителей содержат только одну аллель каждого гена. Открытия Менделя породили современную генетику и вместе с положениями Дарвина до сих по служат основой представлений о том, как устроена жизнь.

Марат Кузаев

Источник: ТАСС