И снова его провалил.
Хотя сдать экзамен на должность преподавателя Мендель так и не смог, полученное им образование — включая курсы по выращиванию фруктов, анатомии и физиологии растений и экспериментальным методам — было, казалось, предназначено для чего-то куда более важного. Как мы знаем сегодня, уже в 1854 г., за два года до того, как он провалил свой второй преподавательский экзамен, Мендель проводил эксперименты в саду аббатства, где выращивал разные виды гороха, анализировал их развитие и планировал еще более великие эксперименты, которые провел всего через пару лет.
Эврика: 20 тыс. гибридов, простая пропорция и три важнейших закона
О чем размышлял Мендель, когда начинал свой знаменитый эксперимент с горохом в 1856 г.? Прежде всего, эта идея пришла к нему не из ниоткуда. Как это обычно бывает, скрещивание разных видов растений и животных долгое время представляло интерес для фермеров Моравии: они пытались усовершенствовать качество своих декоративных цветочных растений, фруктовых деревьев и овечьей шерсти. И хотя эксперименты Менделя были, возможно, отчасти обусловлены желанием помочь местному сельскому хозяйству, его также явно интриговали серьезные вопросы наследственности. Но если он когда-либо пытался делиться с кем-нибудь своими идеями, то, скорее всего, встречал недоумение. В то время ученые не предполагали, что индивидуальные характеристики могут быть предметом изучения. В соответствии с существовавшей тогда теорией развития, они смешиваются из поколения в поколение и их нельзя изучать по отдельности. Так что сама идея эксперимента Менделя (сравнение особенностей гороха в масштабах многих поколений) была по тем временам эксцентричной (никому это раньше и в голову не приходило) и — что не случайно — озарением гения.
При этом Мендель всего лишь задавал те же вопросы, которые многие уже задавали до него: почему определенные характеристики — будь то блестящая дедушкина лысина или вокальные способности тети — исчезают в одном поколении и снова появляются в другом? Почему какие-то черты случайным образом проявляются и исчезают, а другие, как сформулировал Мендель, появляются вновь с «поразительной регулярностью»? Чтобы изучить этот вопрос, Менделю был нужен организм, обладающий двумя ключевыми свойствами: характеристиками, которые можно легко обнаружить и количественно проанализировать, и коротким репродуктивным циклом, чтобы новые поколения могли появляться относительно быстро. И вот фортуна распорядилась так, что нужный организм Мендель обнаружил в собственном дворе: это был Pisum sativum, обычный горох. Начав выращивать его в саду аббатства в 1856 г., он сосредоточился на 7 характеристиках: оттенок цветков (фиолетовый или белый), расположение цветков (на стебле или на верхушке), цвет семян (желтый или зеленый), форма семян (округлая или сморщенная), цвет стручка (зеленый или желтый), форма стручка (наполненная или сморщенная), высота побега (большая или маленькая).
В следующие 8 лет Мендель вырастил тысячи растений, тщательно проанализировав и распределив по категориям их характеристики в рамках многих поколений. Это был невероятный труд: за один только последний год работы он вырастил 2500 растений второго поколения, задокументировав всего более 20 тыс. гибридов. И хотя он завершил свой анализ лишь к 1863 г., интригующие находки он обнаруживал почти с самого начала.
Чтобы по-настоящему оценить открытие Менделя, обратите внимание на один из его простейших вопросов: почему при скрещивании гороха с фиолетовыми и с белыми цветками получались растения исключительно с фиолетовыми цветками; а при скрещивании получившихся растений с фиолетовыми цветками среди новых растений большинство было с фиолетовыми цветками, а несколько — с белыми? Иными словами, где именно в том первом поколении растений с фиолетовыми цветками была «инструкция» спрятать белые цветки? То же произошло и со всеми остальными характеристиками. При скрещивании растений с желтыми и зелеными плодами у всех «потомков» первого поколения плоды были желтого цвета; но когда эти растения скрещивали между собой, у большинства представителей второго поколения горошек был желтого цвета, а у нескольких — зеленого. Где же в первом поколении была «инструкция» заставить зеленый горошек исчезнуть?
Лишь после того, как Мендель тщательно задокументировал и распределил по категориям тысячи гибридов в масштабах многих поколений, он начал обнаруживать изумительные ответы. В растениях второго поколения вновь и вновь появлялось одно и то же любопытное соотношение: 3 к 1. На каждые три растения с фиолетовыми цветками приходилось одно с белыми. На каждые три растения с желтыми плодами приходилось одно с зеленым. На каждые три высоких растения приходилось одно карликовое — и т. д.
Для Менделя это была не статистическая погрешность, а свидетельство важного принципа, основополагающего закона. Разбираясь в том, как именно могли возникнуть такие наследственные механизмы, он постепенно приблизился к математическому и физическому объяснению того, почему именно так наследственные черты передаются от родителей к потомству. В момент озарения он предположил, что наследственность должна включать перемещение определенного «элемента» (фактора) от каждого из родителей ребенку — то, что сейчас мы называем генами.
И это было только начало. Основываясь на анализе характеристик гороха, Мендель интуитивно открыл некоторые из самых важных законов наследственности. Так, например, он пришел к правильному выводу о том, что в случае с любой существующей характеристикой потомство наследует два «элемента» (аллеля гена) — по одному от каждого родителя — и что эти элементы могут быть доминантными или рецессивными. Таким образом, применительно к каждой существующей характеристике, если потомок наследовал доминантный «элемент» от одного родителя и рецессивный от другого, то он демонстрировал доминантный признак, но при этом был носителем скрытого рецессивного, который мог передаваться следующему поколению. В случае с оттенками цветков, если потомство наследовало доминантный «фиолетовый ген» от одного родителя и рецессивный «белый» от другого, у него появлялись цветы фиолетового цвета. При этом он оставался носителем рецессивного гена белых цветов и мог передавать его своему потомству. Это наконец объяснило, как характеристики могли «пропускать» целые поколения.
Основываясь на этих и других выводах, Мендель разработал три своих самых знаменитых закона о том, как «элементы» наследственности передаются от родителя потомству.
Закон единообразия первого поколения: при скрещивании двух чистых линий (доминантной и рецессивной по одному признаку) все первое поколение будет единообразным по доминантному признаку.
Закон расщепления: при скрещивании потомков первого поколения между собой во втором поколении появятся особи как с доминантным, так и с рецессивным признаком, причем в определенном соотношении 3:1.
Для объяснения этого закона Мендель предложил закон чистоты гамет: взрослая особь имеет два элемента, отвечающих за формирование признака (два аллеля гена), из которых один доминирует (проявляется). При делении половых клеток (гамет) в каждую из них попадает лишь один из двух аллелей. При слиянии мужской и женской гамет аллели гена не смешиваются, а передаются следующему поколению в чистом виде.
