As ervilhas de Mendel: o nascimento da genética

Numa tarde quente do verão de 1857, um frade agostiniano de constituição robusta ajoelhou-se no longo jardim da Abadia de São Tomás, em Brünn, uma cidade provinciana do que era então o Império Austríaco e hoje é Brno, na República Tcheca. Ele amarrava pequenas etiquetas de papel em torno das vagens dos pés de ervilha, cortava as anteras com um pincel fino antes que elas pudessem liberar o próprio pólen e pincelava o pólen de uma planta no estigma de outra. Num caderno, registrava a contagem da prole, contagem após contagem, estação após estação. Seu nome era Gregor Mendel, e os números que ele anotou naquele jardim viriam a se tornar, meio século após sua morte, o alicerce de toda uma ciência.

O que torna a cena notável é o quão pouco ela se parecia com uma revolução. Naturalistas vinham cruzando plantas e cruzando animais havia séculos, e os resultados sempre saíam como uma espécie de borrão, prole que parecia misturar os pais de maneiras imprevisíveis. Mendel fez algo diferente, e a diferença não estava em suas mãos, mas em sua cabeça. Ele tratou a hereditariedade como um problema de aritmética, e quando as respostas voltaram na forma de proporções limpas em números inteiros, ele havia encontrado algo que ninguém vira antes: que a herança segue regras, e que essas regras podem ser escritas.

Por que um físico estava contando ervilhas

Mendel não era, por formação, um botânico. Ele havia estudado física e matemática na Universidade de Viena, onde um de seus professores foi Christian Doppler, o homem cujo nome está associado à mudança de tom que você ouve quando uma sirene passa. Esse histórico importou enormemente. Mendel abordava os seres vivos com os instintos de um físico, buscando quantidades mensuráveis e padrões reproduzíveis em vez de tendências vagas, e é precisamente por isso que seu trabalho teve sucesso onde tantos esforços anteriores haviam fracassado.

Sua escolha de organismo foi igualmente deliberada. Ele optou pela ervilha de jardim, Pisum sativum, uma planta com várias propriedades convenientes. Cresce rapidamente, produz muita prole, normalmente se autopoliniza de modo que as linhagens permanecem puras a menos que o experimentador intervenha, e tem flores fáceis de manipular à mão. Igualmente importante, Mendel escolheu acompanhar sete características que vinham em formas nitidamente contrastantes, sem meio-termo: sementes lisas versus enrugadas, sementes amarelas versus verdes, flores roxas versus brancas, e assim por diante. Como cada característica era ou uma coisa ou claramente a outra, ele podia separar a prole em compartimentos distintos e contá-los. Outros naturalistas tinham cruzado plantas por séculos e obtido uma mistura indistinta; Mendel obteve números, e os números acabaram significando algo.

A primeira regra: uma forma esconde a outra

Comecemos pelo experimento mais simples. Mendel pegou uma linhagem de ervilha que se reproduzia fielmente para flores roxas, ou seja, que ao se autopolinizar produzia apenas prole de flores roxas geração após geração, e a cruzou com uma linhagem que se reproduzia fielmente para flores brancas. O bom senso, e a ideia predominante da herança por mistura, previa algo intermediário, talvez um lilás pálido. Não foi isso que aconteceu. Cada planta da primeira geração de prole, que os biólogos chamam de F1, era roxa. O branco havia desaparecido completamente.

Esse é o primeiro princípio de Mendel, a lei da dominância. Quando um organismo carrega duas versões diferentes do mesmo fator hereditário, uma versão, a dominante, é plenamente expressa na característica visível, enquanto a outra, a recessiva, fica oculta. Em nosso exemplo, o fator para o roxo é dominante sobre o fator para o branco. O fator de flor branca não foi destruído nem diluído, como veremos em breve, mas na presença do fator roxo ele simplesmente não se manifesta. O resultado visível depende de qual fator domina, e não de alguma média entre os dois.

A segunda regra: a forma oculta retorna

Aqui o talento de Mendel para seguir os números deu frutos. Ele deixou aquelas plantas F1 uniformemente roxas se autopolinizarem e contou sua prole, a geração F2. As flores brancas reapareceram. A cada quatro plantas, cerca de três eram roxas e uma era branca, uma proporção próxima de três para um. A característica recessiva havia sido transportada silenciosamente através da geração F1 roxa e então ressurgiu, intacta, na geração seguinte.

Para explicar isso, Mendel raciocinou que cada planta carrega duas cópias do fator hereditário para cada característica, uma herdada de cada genitor, e que as duas cópias se separam quando a planta forma suas células reprodutivas, de modo que cada grão de pólen e cada óvulo carrega apenas uma cópia. Essa é a lei da segregação. Hoje usamos a palavra alelo para as versões alternativas de um gene, e conhecemos o mecanismo físico que Mendel só pôde inferir: a segregação ocorre durante a meiose, a divisão celular especializada que produz os gametas, quando os cromossomos pareados que carregam genes correspondentes são puxados para polos opostos da célula. Cada gameta termina com um único alelo, escolhido ao acaso do par, e a fertilização reúne dois alelos novamente na prole.

Lendo as proporções: o quadro de Punnett

A contabilidade por trás dessas proporções é mais fácil de visualizar num diagrama concebido pelo geneticista inglês Reginald Punnett por volta de 1905, várias décadas após o trabalho de Mendel, mas indispensável para ensiná-lo. Um quadro de Punnett é uma grade simples na qual os possíveis gametas de um genitor rotulam as linhas, os possíveis gametas do outro genitor rotulam as colunas, e cada célula da grade mostra uma combinação possível na prole.

Use o A maiúsculo para o alelo dominante e o a minúsculo para o recessivo. As plantas F1 roxas de Mendel carregavam cada uma um de cada, um genótipo escrito Aa e chamado heterozigoto, o que significa que tem dois alelos diferentes. Quando essa planta produz gametas, a segregação envia A para metade deles e a para a outra metade. Cruze dois desses heterozigotos, Aa com Aa, e o quadro tem quatro células: um AA, dois Aa e um aa. Isso é uma proporção genotípica de 1 AA para 2 Aa para 1 aa. Agora aplique a dominância para ler as aparências. As plantas AA e as duas Aa mostram todas a característica dominante, porque cada uma delas carrega pelo menos um A, enquanto apenas a única planta aa mostra a característica recessiva. Três dominantes para um recessivo: exatamente a proporção que Mendel contou em seu jardim. O diagrama e os dados concordam, e a característica recessiva que parecia desaparecer na F1 está plenamente explicada na F2.

Duas características de uma vez: a segregação independente

Mendel não parou em uma característica. Ele se perguntou o que acontece quando duas características são acompanhadas juntas, digamos o formato da semente e a cor da semente, no que se chama um cruzamento di-híbrido. Ele cruzou plantas que eram heterozigotas para ambas, com o genótipo AaBb, em que A e a governam uma característica e B e b governam outra. Se as duas características são herdadas independentemente uma da outra, uma planta ao produzir gametas deve distribuir seu alelo A-ou-a sem levar em conta qual alelo B-ou-b o acompanha, produzindo quatro tipos de gametas em igual medida.

Resolvendo isso num quadro de Punnett maior, dezesseis células ao todo, obtém-se um padrão impressionante na F2: nove plantas mostrando ambas as características dominantes, três mostrando a primeira característica dominante com a segunda recessiva, três mostrando o inverso, e uma mostrando ambas as características recessivas. Essa proporção de nove para três para três para um é a marca registrada do terceiro princípio de Mendel, a lei da segregação independente, que sustenta que os alelos para características diferentes são distribuídos aos gametas independentemente uns dos outros. A genética moderna acrescenta uma ressalva que Mendel não poderia conhecer. A segregação independente vale de forma limpa apenas quando os dois genes estão em cromossomos diferentes, ou suficientemente afastados no mesmo cromossomo; genes que ficam próximos tendem a ser herdados como uma unidade, um fenômeno chamado ligação gênica. As sete características de Mendel por acaso se comportaram bem o suficiente para revelar a regra, um golpe de sorte que tem suscitado especulações ocasionais sobre o quão afortunado ele realmente foi.

Genótipo, fenótipo e os casos que dobram as regras

Dois termos organizam tudo o que está acima. O genótipo é a combinação particular de alelos que um organismo carrega, a constituição genética oculta; o fenótipo é a característica observável que resulta, aquilo que de fato se pode ver na planta. A grande intuição de Mendel foi que o mesmo fenótipo pode esconder genótipos diferentes, já que tanto AA quanto Aa parecem roxos, e que o genótipo oculto se reafirma nas gerações posteriores segundo proporções previsíveis.

A relação entre genótipo e fenótipo nem sempre é tão arrumada quanto as sete características da ervilha de Mendel a fizeram parecer, e a honestidade intelectual exige dizê-lo. Em alguns organismos, um heterozigoto mostra um intermediário mesclado, como no cruzamento de bocas-de-leão vermelhas e brancas que produz flores rosa, um padrão chamado dominância incompleta. Em outros, ambos os alelos são plenamente expressos, lado a lado, como no tipo sanguíneo humano AB, que é a codominância. Muitas características, incluindo a altura humana e a cor da pele, são governadas por muitos genes agindo em conjunto, o que se chama herança poligênica, e produzem gradações suaves em vez de categorias nítidas. E um único gene pode afetar várias características aparentemente não relacionadas ao mesmo tempo, um fenômeno conhecido como pleiotropia. Nenhum desses casos refuta Mendel; eles o ampliam. Suas leis descrevem fielmente o comportamento de genes individuais, e as complicações surgem do modo como os genes se combinam e interagem.

Os artigos que ninguém leu, e o ano em que foram encontrados

Mendel apresentou seus resultados à Sociedade de Ciências Naturais de Brünn em duas noites, no dia oito de fevereiro e no dia oito de março de 1865, e seu artigo completo, Versuche über Pflanzenhybriden, ou Experimentos sobre Híbridos de Plantas, apareceu no ano seguinte nos anais da sociedade. Então quase nada aconteceu. O artigo foi citado apenas um punhado de vezes ao longo das três décadas seguintes. Mendel, promovido a abade em 1868 e cada vez mais sobrecarregado com a administração e uma disputa fiscal com o governo, em grande parte deixou de lado sua pesquisa. Ele morreu em 1884, com sua descoberta ainda essencialmente desconhecida pelo mundo científico mais amplo.

A virada veio na primavera de 1900. Três botânicos, trabalhando de forma independente e em três países diferentes, chegaram às mesmas leis da hereditariedade e então, ao vasculhar a literatura, cada um deparou com o artigo esquecido de Mendel e o creditou. Hugo de Vries em Amsterdã, Carl Correns em Tübingen e Erich von Tschermak em Viena publicaram todos naquele único ano. A simultaneidade é uma das coincidências mais célebres da história da ciência, e ela resgatou uma grande descoberta trinta e quatro anos após a publicação e dezesseis anos após a morte de seu autor. Em cinco anos, o biólogo inglês William Bateson havia dado ao novo campo o seu nome: genética.

Por que dominante não significa mais forte

Um equívoco merece ser eliminado diretamente, porque é o erro mais persistente sobre a genética mendeliana. As pessoas frequentemente supõem que um alelo dominante é mais forte, mais apto, mais saudável ou mais comum em uma população do que um recessivo. Nada disso é verdade. A dominância é uma afirmação sobre uma única coisa, a saber, qual alelo determina a característica visível em um heterozigoto, e não carrega nenhuma implicação sobre a frequência de um alelo ou seu efeito sobre a sobrevivência. Muitos alelos recessivos são extremamente comuns, e muitos alelos dominantes são raros e prejudiciais. A dominância diz como um organismo se parece quando carrega dois alelos diferentes, e nada além disso.

Principais conclusões

Trabalhando sozinho no jardim de um mosteiro do fim da década de 1850 até o início da década de 1860, Gregor Mendel cruzou mais de 28.000 pés de ervilha e, ao tratar a hereditariedade como um problema de contagem, descobriu três regras que ainda sustentam a genética clássica: a lei da dominância, segundo a qual um alelo pode mascarar outro em um heterozigoto, de modo que cruzamentos de roxo por branco dão prole inteiramente roxa; a lei da segregação, segundo a qual os dois alelos de uma característica se separam durante a formação dos gametas (hoje entendida como ocorrendo na meiose) e se recombinam na fertilização, produzindo a proporção de três para um que faz retornar as características recessivas ocultas na F2; e a lei da segregação independente, segundo a qual genes diferentes são transmitidos de forma independente, resultando na proporção de nove para três para três para um de um cruzamento di-híbrido, embora apenas para genes em cromossomos diferentes. O quadro de Punnett torna essas proporções visíveis, e a distinção entre genótipo e fenótipo explica por que a mesma aparência pode ocultar constituições genéticas diferentes, ao passo que a dominância incompleta, a codominância, a herança poligênica e a pleiotropia mostram que o quadro é mais rico do que sete características de ervilha sugeriam. Publicado em 1866 e ignorado por trinta e quatro anos, o trabalho de Mendel foi redescoberto em 1900 por de Vries, Correns e Tschermak, batizado de genética por Bateson pouco depois, e permanece, com a ressalva de que dominante nunca significa mais forte, o alicerce quantitativo sobre o qual a ciência moderna da hereditariedade foi construída.