Mendels Erbsen: Die Geburt der Genetik

An einem warmen Nachmittag im Sommer 1857 kniete ein stämmiger Augustinermönch im langen Garten der Abtei St. Thomas in Brünn, einer Provinzstadt im damaligen Kaisertum Österreich, die heute Brno in der Tschechischen Republik heißt. Er band kleine Papieretiketten um die Hülsen von Erbsenpflanzen, schnitt mit einem feinen Pinsel die Staubbeutel ab, bevor diese ihren eigenen Pollen verstreuen konnten, und tupfte Pollen von einer Pflanze auf die Narbe einer anderen. In ein Notizbuch trug er die Zahlen der Nachkommen ein, Strichliste um Strichliste, Jahreszeit um Jahreszeit. Sein Name war Gregor Mendel, und die Zahlen, die er in jenem Garten niederschrieb, sollten ein halbes Jahrhundert nach seinem Tod zum Fundament einer ganzen Wissenschaft werden.

Das Bemerkenswerte an dieser Szene ist, wie wenig sie nach einer Revolution aussah. Naturforscher hatten seit Jahrhunderten Pflanzen gekreuzt und Tiere gezüchtet, und die Ergebnisse waren stets als eine Art Unschärfe herausgekommen, Nachkommen, die ihre Eltern auf unvorhersehbare Weise zu vermischen schienen. Mendel tat etwas anderes, und der Unterschied lag nicht in seinen Händen, sondern in seinem Kopf. Er behandelte die Vererbung als ein Problem der Rechenkunst, und als die Antworten als saubere ganzzahlige Verhältnisse zurückkamen, hatte er etwas gefunden, das niemand zuvor gesehen hatte: dass Vererbung Regeln folgt und dass sich diese Regeln aufschreiben lassen.

Warum ein Physiker Erbsen zählte

Mendel war von Hause aus kein Botaniker. Er hatte an der Universität Wien Physik und Mathematik studiert, wo einer seiner Lehrer Christian Doppler war, jener Mann, dessen Name an die Tonhöhenverschiebung geknüpft ist, die man hört, wenn eine Sirene vorbeifährt. Dieser Hintergrund war von ungeheurer Bedeutung. Mendel ging mit den Instinkten eines Physikers an Lebewesen heran und suchte nach messbaren Größen und reproduzierbaren Mustern statt nach vagen Neigungen, und genau deshalb gelang seine Arbeit dort, wo so viele frühere Versuche gescheitert waren.

Seine Wahl des Organismus war ebenso wohlüberlegt. Er entschied sich für die Gartenerbse, Pisum sativum, eine Pflanze mit mehreren günstigen Eigenschaften. Sie wächst schnell, bringt viele Nachkommen hervor, bestäubt sich normalerweise selbst, sodass die Linien rein bleiben, sofern der Experimentator nicht eingreift, und besitzt Blüten, die sich leicht von Hand bearbeiten lassen. Ebenso wichtig war, dass Mendel sich entschied, sieben Merkmale zu verfolgen, die in scharf gegensätzlichen Ausprägungen ohne Mittelweg auftraten: runde gegen runzlige Samen, gelbe gegen grüne Samen, purpurne gegen weiße Blüten und so weiter. Da jedes Merkmal entweder das eine oder eindeutig das andere war, konnte er die Nachkommen in unterscheidbare Klassen einteilen und sie zählen. Andere Naturforscher hatten seit Jahrhunderten Pflanzen gekreuzt und Brei bekommen; Mendel bekam Zahlen, und die Zahlen erwiesen sich als bedeutungsvoll.

Die erste Regel: Eine Form verbirgt die andere

Beginnen wir mit dem einfachsten Versuch. Mendel nahm eine Erbsenlinie, die reinerbig für purpurne Blüten war, was bedeutet, dass sie bei Selbstbestäubung Generation um Generation nur Nachkommen mit purpurnen Blüten hervorbrachte, und kreuzte sie mit einer Linie, die reinerbig für weiße Blüten war. Der gesunde Menschenverstand und die vorherrschende Vorstellung von der Mischvererbung sagten etwas Dazwischenliegendes voraus, vielleicht ein blasses Lavendel. So kam es nicht. Jede Pflanze der ersten Nachkommengeneration, die die Biologen F1 nennen, war purpurn. Das Weiß war vollständig verschwunden.

Dies ist Mendels erstes Prinzip, das Gesetz der Dominanz. Wenn ein Organismus zwei verschiedene Versionen desselben Erbfaktors trägt, kommt die eine Version, die dominante, im sichtbaren Merkmal voll zum Ausdruck, während die andere, die rezessive, dem Blick verborgen bleibt. In unserem Beispiel ist der Faktor für Purpur dominant über den Faktor für Weiß. Der Faktor für die weiße Blüte ist nicht zerstört oder verdünnt worden, wie wir gleich sehen werden, aber in Gegenwart des purpurnen Faktors tritt er einfach nicht in Erscheinung. Das sichtbare Ergebnis hängt davon ab, welcher Faktor dominiert, nicht von einem Durchschnitt der beiden.

Die zweite Regel: Die verborgene Form kehrt zurück

Hier zahlte sich Mendels Genie für das Verfolgen der Zahlen aus. Er ließ jene gleichmäßig purpurnen F1-Pflanzen sich selbst bestäuben und zählte ihre Nachkommen, die F2-Generation. Weiße Blüten tauchten wieder auf. Von je vier Pflanzen waren ungefähr drei purpurn und eine weiß, ein Verhältnis nahe drei zu eins. Das rezessive Merkmal war stillschweigend durch die purpurne F1-Generation getragen worden und kam dann in der nächsten unversehrt wieder zum Vorschein.

Um dies zu erklären, schloss Mendel, dass jede Pflanze zwei Kopien des Erbfaktors für jedes Merkmal trägt, eine von jedem Elternteil geerbt, und dass sich die beiden Kopien trennen, wenn die Pflanze ihre Fortpflanzungszellen bildet, sodass jedes Pollenkorn und jede Eizelle nur eine Kopie trägt. Dies ist das Gesetz der Spaltung. Wir verwenden heute das Wort Allel für die alternativen Versionen eines Gens, und wir kennen den physischen Mechanismus, den Mendel nur erschließen konnte: Die Spaltung geschieht während der Meiose, jener spezialisierten Zellteilung, die Gameten erzeugt, wenn die gepaarten Chromosomen, die zueinander passende Gene tragen, zu entgegengesetzten Polen der Zelle gezogen werden. Jeder Gamet endet mit einem einzigen Allel, zufällig aus dem Paar ausgewählt, und die Befruchtung führt im Nachkommen zwei Allele wieder zusammen.

Die Verhältnisse lesen: Das Punnett-Quadrat

Die Buchführung hinter diesen Verhältnissen lässt sich am leichtesten an einem Diagramm erkennen, das der englische Genetiker Reginald Punnett um 1905 ersann, mehrere Jahrzehnte nach Mendels Arbeit, aber für deren Vermittlung unentbehrlich. Ein Punnett-Quadrat ist ein einfaches Gitter, in dem die möglichen Gameten des einen Elternteils die Zeilen beschriften, die möglichen Gameten des anderen Elternteils die Spalten, und jede Zelle des Gitters eine mögliche Kombination im Nachkommen zeigt.

Verwenden wir das große A für das dominante Allel und das kleine a für das rezessive. Mendels purpurne F1-Pflanzen trugen jeweils eines von beiden, ein Genotyp, der Aa geschrieben und heterozygot genannt wird, was bedeutet, dass er zwei verschiedene Allele besitzt. Wenn eine solche Pflanze Gameten bildet, schickt die Spaltung A in die Hälfte von ihnen und a in die andere Hälfte. Kreuzt man zwei dieser Heterozygoten, Aa mit Aa, so hat das Quadrat vier Zellen: ein AA, zwei Aa und ein aa. Das ist ein Genotyp-Verhältnis von 1 AA zu 2 Aa zu 1 aa. Nun wende man die Dominanz an, um die Erscheinungen abzulesen. Das AA und die beiden Aa-Pflanzen zeigen alle das dominante Merkmal, weil jede von ihnen mindestens ein A trägt, während nur die einzelne aa-Pflanze das rezessive Merkmal zeigt. Drei dominant zu eins rezessiv: genau das Verhältnis, das Mendel in seinem Garten gezählt hatte. Das Diagramm und die Daten stimmen überein, und das rezessive Merkmal, das in der F1 zu verschwinden schien, ist in der F2 vollständig erklärt.

Zwei Merkmale auf einmal: Unabhängige Verteilung

Mendel blieb nicht bei einem Merkmal stehen. Er fragte, was geschieht, wenn man zwei Merkmale gemeinsam verfolgt, etwa Samenform und Samenfarbe, in dem, was man eine dihybride Kreuzung nennt. Er kreuzte Pflanzen, die für beide Merkmale heterozygot waren, mit dem Genotyp AaBb, wobei A und a das eine Merkmal bestimmen und B und b ein anderes. Wenn die beiden Merkmale unabhängig voneinander vererbt werden, sollte eine Pflanze bei der Bildung von Gameten ihr A-oder-a-Allel weitergeben, ohne Rücksicht darauf, welches B-oder-b-Allel mitkommt, und so vier Arten von Gameten in gleichem Maße hervorbringen.

Rechnet man das in einem größeren Punnett-Quadrat aus, mit insgesamt sechzehn Zellen, ergibt sich in der F2 ein auffälliges Muster: neun Pflanzen, die beide dominanten Merkmale zeigen, drei, die das erste dominante Merkmal mit dem zweiten rezessiven zeigen, drei, die das Umgekehrte zeigen, und eine, die beide rezessiven Merkmale zeigt. Dieses Verhältnis von neun zu drei zu drei zu eins ist das Kennzeichen von Mendels drittem Prinzip, dem Gesetz der unabhängigen Verteilung, das besagt, dass die Allele für verschiedene Merkmale unabhängig voneinander an die Gameten verteilt werden. Die moderne Genetik fügt einen Vorbehalt hinzu, den Mendel nicht kennen konnte. Die unabhängige Verteilung gilt nur dann sauber, wenn die beiden Gene auf verschiedenen Chromosomen sitzen oder weit genug voneinander entfernt auf demselben Chromosom; Gene, die dicht beieinanderliegen, neigen dazu, als Einheit vererbt zu werden, ein Phänomen, das Kopplung genannt wird. Mendels sieben Merkmale verhielten sich zufällig gut genug, um die Regel zu offenbaren, ein Glücksfall, der gelegentlich zu Spekulationen darüber angeregt hat, wie viel Glück er wirklich hatte.

Genotyp, Phänotyp und die Fälle, die die Regeln verbiegen

Zwei Begriffe ordnen alles Bisherige. Der Genotyp ist die besondere Kombination von Allelen, die ein Organismus trägt, die verborgene genetische Konstitution; der Phänotyp ist das beobachtbare Merkmal, das daraus hervorgeht, das, was man in der Pflanze tatsächlich sehen kann. Mendels große Einsicht war, dass derselbe Phänotyp verschiedene Genotypen verbergen kann, da sowohl AA als auch Aa purpurn aussehen, und dass sich der verborgene Genotyp in späteren Generationen nach vorhersagbaren Verhältnissen wieder durchsetzt.

Die Beziehung zwischen Genotyp und Phänotyp ist nicht immer so ordentlich, wie sie Mendels sieben Erbsenmerkmale erscheinen ließen, und die intellektuelle Redlichkeit verlangt, das zu sagen. Bei manchen Organismen zeigt ein Heterozygot ein vermischtes Zwischenergebnis, wie bei einer Kreuzung von roten und weißen Löwenmäulchen, die rosa Blüten hervorbringt, ein Muster, das unvollständige Dominanz genannt wird. Bei anderen kommen beide Allele voll und nebeneinander zum Ausdruck, wie bei der menschlichen Blutgruppe AB, was Kodominanz ist. Viele Merkmale, darunter die menschliche Körpergröße und die Hautfarbe, werden von vielen zusammenwirkenden Genen bestimmt, was man polygene Vererbung nennt, und bringen sanfte Abstufungen statt scharfer Kategorien hervor. Und ein einzelnes Gen kann mehrere scheinbar unzusammenhängende Merkmale zugleich beeinflussen, ein Phänomen, das als Pleiotropie bekannt ist. Nichts davon stürzt Mendel um; es erweitert ihn. Seine Gesetze beschreiben das Verhalten einzelner Gene getreu, und die Verwicklungen entstehen daraus, wie Gene sich kombinieren und zusammenwirken.

Die Arbeiten, die niemand las, und das Jahr, in dem man sie fand

Mendel trug seine Ergebnisse der Naturforschenden Gesellschaft in Brünn an zwei Abenden vor, dem achten Februar und dem achten März 1865, und seine vollständige Abhandlung, Versuche über Pflanzenhybriden, erschien im folgenden Jahr in den Verhandlungen der Gesellschaft. Dann geschah fast nichts. Die Abhandlung wurde in den nächsten drei Jahrzehnten nur eine Handvoll Male zitiert. Mendel, 1868 zum Abt befördert und zunehmend mit Verwaltung und einem Steuerstreit mit der Regierung belastet, legte seine Forschung weitgehend beiseite. Er starb 1884, seine Entdeckung war von der weiteren wissenschaftlichen Welt noch immer im Wesentlichen ungelesen.

Die Wende kam im Frühjahr 1900. Drei Botaniker, unabhängig voneinander und in drei verschiedenen Ländern arbeitend, gelangten zu denselben Gesetzen der Vererbung und stießen dann, als sie die Literatur durchsuchten, jeder auf Mendels vergessene Abhandlung und schrieben ihm das Verdienst zu. Hugo de Vries in Amsterdam, Carl Correns in Tübingen und Erich von Tschermak in Wien veröffentlichten alle in jenem einen Jahr. Die Gleichzeitigkeit ist einer der berühmtesten Zufälle in der Geschichte der Wissenschaft, und sie rettete eine große Entdeckung vierunddreißig Jahre nach der Veröffentlichung und sechzehn Jahre nach dem Tod ihres Verfassers. Innerhalb von fünf Jahren hatte der englische Biologe William Bateson dem neuen Fach seinen Namen gegeben: Genetik.

Warum dominant nicht stärker bedeutet

Ein Missverständnis verdient es, unmittelbar ausgeräumt zu werden, denn es ist der einzelne hartnäckigste Irrtum über die Mendelsche Genetik. Die Menschen nehmen oft an, dass ein dominantes Allel stärker, tüchtiger, gesünder oder häufiger in einer Population sei als ein rezessives. Nichts davon trifft zu. Dominanz ist eine Aussage über eine einzige Sache, nämlich welches Allel das sichtbare Merkmal in einem Heterozygoten bestimmt, und sie sagt nichts aus über die Häufigkeit eines Allels oder seine Wirkung auf das Überleben. Es gibt zahlreiche rezessive Allele, die äußerst häufig sind, und zahlreiche dominante Allele, die selten und schädlich sind. Dominanz sagt einem, wie ein Organismus aussieht, wenn er zwei verschiedene Allele trägt, und mehr nicht.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Allein in einem Klostergarten arbeitend, von den späten 1850er bis in die frühen 1860er Jahre, kreuzte Gregor Mendel mehr als 28.000 Erbsenpflanzen und entdeckte, indem er die Vererbung als ein Zählproblem behandelte, drei Regeln, die die klassische Genetik bis heute verankern: das Gesetz der Dominanz, dass ein Allel ein anderes in einem Heterozygoten überdecken kann, sodass Kreuzungen von Purpur mit Weiß lauter purpurne Nachkommen ergeben; das Gesetz der Spaltung, dass sich die beiden Allele für ein Merkmal während der Gametenbildung trennen (von der man heute weiß, dass sie in der Meiose stattfindet) und sich bei der Befruchtung wieder verbinden, was das Verhältnis von drei zu eins hervorbringt, das verborgene rezessive Merkmale in der F2 zurückkehren lässt; und das Gesetz der unabhängigen Verteilung, dass verschiedene Gene unabhängig voneinander weitergegeben werden, was das Verhältnis von neun zu drei zu drei zu eins einer dihybriden Kreuzung ergibt, allerdings nur für Gene auf verschiedenen Chromosomen. Das Punnett-Quadrat macht diese Verhältnisse sichtbar, und die Unterscheidung zwischen Genotyp und Phänotyp erklärt, warum dieselbe Erscheinung verschiedene genetische Veranlagungen verbergen kann, auch wenn unvollständige Dominanz, Kodominanz, polygene Vererbung und Pleiotropie zeigen, dass das Bild reicher ist, als sieben Erbsenmerkmale vermuten ließen. 1866 veröffentlicht und vierunddreißig Jahre lang ignoriert, wurde Mendels Arbeit 1900 von de Vries, Correns und Tschermak wiederentdeckt, kurz darauf von Bateson Genetik genannt, und bleibt, mit der Mahnung, dass dominant niemals stärker bedeutet, das quantitative Fundament, auf dem die moderne Wissenschaft der Vererbung errichtet wurde.