I piselli di Mendel: la nascita della genetica

In un caldo pomeriggio dell'estate del 1857, un tarchiato frate agostiniano era inginocchiato nel lungo orto dell'abbazia di San Tommaso a Brünn, una cittadina di provincia di quello che allora era l'Impero austriaco e oggi è Brno, nella Repubblica Ceca. Annodava piccole etichette di carta attorno ai baccelli delle piante di pisello, recideva le antere con un pennello sottile prima che potessero disperdere il proprio polline e con quello stesso pennello deponeva il polline di una pianta sullo stimma di un'altra. Su un taccuino registrava il numero della prole, conteggio dopo conteggio, stagione dopo stagione. Si chiamava Gregor Mendel, e i numeri che annotò in quell'orto sarebbero diventati, mezzo secolo dopo la sua morte, le fondamenta di un'intera scienza.

Ciò che rende notevole la scena è quanto poco somigliasse a una rivoluzione. I naturalisti incrociavano piante e selezionavano animali da secoli, e i risultati erano sempre usciti come una sorta di sfumatura confusa, una prole che pareva fondere i propri genitori in modi imprevedibili. Mendel fece qualcosa di diverso, e la differenza non stava nelle sue mani ma nella sua testa. Trattò l'ereditarietà come un problema di aritmetica, e quando le risposte tornarono sotto forma di rapporti netti tra numeri interi, ebbe trovato qualcosa che nessuno aveva mai visto: che l'ereditarietà segue delle regole, e che quelle regole si possono scrivere.

Perché un fisico contava piselli

Mendel non era, per formazione, un botanico. Aveva studiato fisica e matematica all'Università di Vienna, dove uno dei suoi insegnanti era stato Christian Doppler, l'uomo il cui nome è legato allo spostamento di tono che si percepisce al passaggio di una sirena. Quella formazione contò enormemente. Mendel si avvicinava agli esseri viventi con l'istinto del fisico, in cerca di quantità misurabili e di schemi riproducibili più che di vaghe tendenze, ed è proprio per questo che il suo lavoro riuscì là dove tanti tentativi precedenti avevano fallito.

Anche la scelta dell'organismo fu altrettanto ponderata. Optò per il pisello da orto, Pisum sativum, una pianta con diverse proprietà convenienti. Cresce in fretta, produce molta prole, normalmente si autoimpollina, così che le linee restino pure a meno che lo sperimentatore non intervenga, e ha fiori facili da manipolare a mano. Cosa altrettanto importante, Mendel scelse di seguire sette caratteri che si presentavano in forme nettamente contrapposte, senza vie di mezzo: semi lisci o rugosi, semi gialli o verdi, fiori purpurei o bianchi, e così via. Poiché ogni carattere era o una cosa o chiaramente l'altra, poteva ordinare la prole in categorie distinte e contarla. Altri naturalisti avevano incrociato piante per secoli ottenendo poltiglia; Mendel ottenne numeri, e quei numeri risultarono avere un significato.

La prima regola: una forma nasconde l'altra

Cominciamo dall'esperimento più semplice. Mendel prese una linea di pisello pura per il fiore purpureo, vale a dire che, lasciata autoimpollinare, produceva solo prole a fiore purpureo generazione dopo generazione, e la incrociò con una linea pura per il fiore bianco. Il buon senso, e l'idea allora dominante dell'ereditarietà per mescolanza, prevedevano qualcosa di intermedio, forse un pallido color lavanda. Non andò così. Ogni pianta della prima generazione di prole, che i biologi chiamano F1, era purpurea. Il bianco era scomparso del tutto.

Questo è il primo principio di Mendel, la legge della dominanza. Quando un organismo porta due versioni diverse dello stesso fattore ereditario, una versione, quella dominante, si esprime pienamente nel carattere visibile, mentre l'altra, quella recessiva, resta nascosta alla vista. Nel nostro esempio, il fattore per il purpureo è dominante sul fattore per il bianco. Il fattore per il fiore bianco non è stato distrutto né diluito, come stiamo per vedere, ma in presenza del fattore purpureo semplicemente non si manifesta. Il risultato visibile dipende da quale fattore domina, non da una qualche media dei due.

La seconda regola: la forma nascosta ritorna

Qui il genio di Mendel nel seguire i numeri diede i suoi frutti. Lasciò che quelle piante F1, uniformemente purpuree, si autoimpollinassero e contò la loro prole, la generazione F2. I fiori bianchi ricomparvero. Su ogni quattro piante, all'incirca tre erano purpuree e una era bianca, un rapporto vicino a tre a uno. Il carattere recessivo era stato trasportato in silenzio attraverso la generazione F1 purpurea e poi era riemerso, intatto, in quella successiva.

Per spiegarlo, Mendel ragionò che ogni pianta porta due copie del fattore ereditario per ciascun carattere, una ereditata da ciascun genitore, e che le due copie si separano quando la pianta forma le proprie cellule riproduttive, così che ogni granulo di polline e ogni cellula uovo ne porti solo una. È la legge della segregazione. Oggi usiamo la parola allele per indicare le versioni alternative di un gene, e conosciamo il meccanismo fisico che Mendel poteva solo dedurre: la segregazione avviene durante la meiosi, la divisione cellulare specializzata che produce i gameti, quando i cromosomi appaiati che portano i geni corrispondenti vengono trascinati ai poli opposti della cellula. Ogni gamete finisce per avere un solo allele, scelto a caso dalla coppia, e la fecondazione riunisce due alleli nella prole.

Leggere i rapporti: il quadrato di Punnett

La contabilità che sta dietro a questi rapporti si coglie più facilmente in un diagramma ideato dal genetista inglese Reginald Punnett intorno al 1905, diversi decenni dopo il lavoro di Mendel ma indispensabile per insegnarlo. Un quadrato di Punnett è una semplice griglia in cui i possibili gameti di un genitore etichettano le righe, i possibili gameti dell'altro genitore etichettano le colonne, e ogni cella della griglia mostra una possibile combinazione nella prole.

Usiamo la A maiuscola per l'allele dominante e la a minuscola per quello recessivo. Le piante F1 purpuree di Mendel portavano ciascuna uno di ciascun tipo, un genotipo scritto Aa e detto eterozigote, cioè con due alleli diversi. Quando una tale pianta produce gameti, la segregazione manda A nella metà di essi e a nell'altra metà. Incrocia due di questi eterozigoti, Aa con Aa, e il quadrato ha quattro celle: una AA, due Aa e una aa. Si tratta di un rapporto genotipico di 1 AA, 2 Aa e 1 aa. Ora applichiamo la dominanza per leggere gli aspetti esteriori. La pianta AA e le due Aa mostrano tutte il carattere dominante, perché ciascuna di esse porta almeno una A, mentre solo l'unica pianta aa mostra il carattere recessivo. Tre dominanti contro una recessiva: esattamente il rapporto che Mendel contò nel suo orto. Il diagramma e i dati concordano, e il carattere recessivo che sembrava scomparire nella F1 trova piena spiegazione nella F2.

Due caratteri insieme: l'assortimento indipendente

Mendel non si fermò a un solo carattere. Si chiese che cosa accade quando si seguono due caratteri insieme, per esempio forma e colore del seme, in quello che si chiama incrocio diibrido. Incrociò piante eterozigoti per entrambi, con genotipo AaBb, dove A e a governano un carattere e B e b ne governano un altro. Se i due caratteri sono ereditati indipendentemente l'uno dall'altro, una pianta che produce gameti dovrebbe distribuire il suo allele A-o-a senza riguardo a quale allele B-o-b lo accompagni, dando origine a quattro tipi di gameti in egual misura.

Sviluppando il calcolo in un quadrato di Punnett più grande, sedici celle in tutto, si ottiene uno schema sorprendente nella F2: nove piante che mostrano entrambi i caratteri dominanti, tre che mostrano il primo carattere dominante con il secondo recessivo, tre che mostrano il contrario, e una che mostra entrambi i caratteri recessivi. Questo rapporto nove a tre a tre a uno è la firma del terzo principio di Mendel, la legge dell'assortimento indipendente, secondo la quale gli alleli per caratteri diversi vengono distribuiti ai gameti indipendentemente gli uni dagli altri. La genetica moderna aggiunge un'avvertenza che Mendel non poteva conoscere. L'assortimento indipendente vale in modo netto solo quando i due geni si trovano su cromosomi diversi, oppure abbastanza distanti sullo stesso cromosoma; i geni che giacciono vicini tendono a essere ereditati come un blocco, un fenomeno chiamato associazione. I sette caratteri di Mendel si comportarono per caso abbastanza bene da rivelare la regola, una fortuna che ha alimentato qualche occasionale congettura su quanto fosse stato davvero fortunato.

Genotipo, fenotipo e i casi che piegano le regole

Due termini ordinano tutto ciò che precede. Il genotipo è la particolare combinazione di alleli che un organismo porta, la costituzione genetica nascosta; il fenotipo è il carattere osservabile che ne deriva, ciò che si può effettivamente vedere nella pianta. La grande intuizione di Mendel fu che lo stesso fenotipo può nascondere genotipi diversi, dato che sia AA sia Aa appaiono purpuree, e che il genotipo nascosto si riafferma nelle generazioni successive secondo rapporti prevedibili.

Il rapporto tra genotipo e fenotipo non è sempre così ordinato come i sette caratteri del pisello di Mendel lo facevano sembrare, e l'onestà intellettuale impone di dirlo. In alcuni organismi un eterozigote mostra un intermedio fuso, come nell'incrocio di bocche di leone rosse e bianche che dà fiori rosa, uno schema chiamato dominanza incompleta. In altri, entrambi gli alleli si esprimono pienamente e fianco a fianco, come nel gruppo sanguigno umano AB, cioè la codominanza. Molti caratteri, tra cui la statura e il colore della pelle nell'uomo, sono governati da molti geni che agiscono insieme, fenomeno detto ereditarietà poligenica, e producono gradazioni continue anziché categorie nette. E un singolo gene può influenzare più caratteri apparentemente non correlati allo stesso tempo, un fenomeno noto come pleiotropia. Nessuna di queste cose ribalta Mendel; lo estendono. Le sue leggi descrivono fedelmente il comportamento dei singoli geni, e le complicazioni nascono dal modo in cui i geni si combinano e interagiscono.

Gli scritti che nessuno lesse, e l'anno in cui furono ritrovati

Mendel presentò i suoi risultati alla Società di Scienze Naturali di Brünn in due serate, l'otto febbraio e l'otto marzo del 1865, e il suo lavoro completo, Versuche über Pflanzenhybriden, ovvero Esperimenti sugli ibridi vegetali, comparve l'anno seguente negli atti della società. Poi non accadde quasi nulla. Lo scritto fu citato solo una manciata di volte nei tre decenni successivi. Mendel, promosso abate nel 1868 e sempre più gravato dall'amministrazione e da una disputa fiscale con il governo, mise in gran parte da parte le sue ricerche. Morì nel 1884, con la sua scoperta ancora sostanzialmente non letta dal più ampio mondo scientifico.

La svolta arrivò nella primavera del 1900. Tre botanici, lavorando in modo indipendente e in tre paesi diversi, giunsero alle stesse leggi dell'ereditarietà e poi, frugando nella letteratura, si imbatterono ciascuno nello scritto dimenticato di Mendel e gliene attribuirono il merito. Hugo de Vries ad Amsterdam, Carl Correns a Tubinga ed Erich von Tschermak a Vienna pubblicarono tutti in quell'unico anno. La simultaneità è una delle coincidenze più celebri nella storia della scienza, e salvò una grande scoperta trentaquattro anni dopo la pubblicazione e sedici anni dopo la morte del suo autore. Nel giro di cinque anni il biologo inglese William Bateson aveva dato al nuovo campo il suo nome: genetica.

Perché dominante non significa più forte

Un equivoco merita di essere eliminato di netto, perché è l'errore in assoluto più persistente sulla genetica mendeliana. Si dà spesso per scontato che un allele dominante sia più forte, più sano, più vantaggioso o più diffuso in una popolazione rispetto a uno recessivo. Niente di tutto ciò è vero. La dominanza è un'affermazione che riguarda una cosa soltanto, ossia quale allele determina il carattere visibile in un eterozigote, e non porta con sé alcuna implicazione sulla frequenza di un allele o sul suo effetto sulla sopravvivenza. Molti alleli recessivi sono estremamente comuni, e molti alleli dominanti sono rari e dannosi. La dominanza ti dice che aspetto ha un organismo quando porta due alleli diversi, e nient'altro che questo.

Punti chiave

Lavorando da solo nell'orto di un monastero dalla fine degli anni 1850 ai primi anni 1860, Gregor Mendel incrociò più di 28.000 piante di pisello e, trattando l'ereditarietà come un problema di conteggio, scoprì tre regole che ancora oggi reggono la genetica classica: la legge della dominanza, secondo cui un allele può mascherarne un altro in un eterozigote, così che gli incroci purpureo-per-bianco danno prole tutta purpurea; la legge della segregazione, secondo cui i due alleli per un carattere si separano durante la formazione dei gameti (oggi sappiamo che ciò avviene alla meiosi) e si ricombinano alla fecondazione, producendo il rapporto tre a uno che fa ricomparire i caratteri recessivi nascosti nella F2; e la legge dell'assortimento indipendente, secondo cui geni diversi vengono trasmessi indipendentemente, dando il rapporto nove a tre a tre a uno di un incrocio diibrido, anche se solo per geni su cromosomi diversi. Il quadrato di Punnett rende visibili questi rapporti, e la distinzione tra genotipo e fenotipo spiega perché lo stesso aspetto possa celare diverse costituzioni genetiche, mentre la dominanza incompleta, la codominanza, l'ereditarietà poligenica e la pleiotropia mostrano che il quadro è più ricco di quanto sette caratteri di pisello suggerissero. Pubblicato nel 1866 e ignorato per trentaquattro anni, il lavoro di Mendel fu riscoperto nel 1900 da de Vries, Correns e Tschermak, battezzato genetica da Bateson poco dopo, e rimane, con il promemoria che dominante non significa mai più forte, il fondamento quantitativo su cui è stata costruita la moderna scienza dell'ereditarietà.