Charles Darwin, allmänt hyllad för att ha upptäckt eller medupptäckt biologisk evolution på 1800-talet, krediteras ofta för att ha katalyserat det enskilt största kunskapsprånget i mänskliga vetenskapliga strävandens historia. Ofta förlorad i vördnad och förundran över sina upptäckter och nu övertygande validerade teorier är det faktum att Darwin faktiskt inte kände till det specifika substratet, eller det organiska materialet, på vilket naturligt urval verkade på cellnivå. Det vill säga, Darwin visste att organismer utan tvekan överförde egenskaper till sin avkomma på förutsägbara sätt, och att förmedlingen av en given egenskap vanligtvis inte var kopplad till förmedlingen av en annan egenskap (det vill säga, en stor brun ko kan ge födelse till stora bruna kalvar, men också till stora vita kalvar eller små bruna kalvar). Men Darwin visste inte det exakta sättet på vilket detta gjordes.
Ungefär samtidigt som Darwin avslöjade sina kontroversiella upptäckter för en värld som fortfarande till stor del höll fast vid föreställningen om speciell biblisk skapelse, var en annan vetenskapsman – i själva verket en augustinermunk – vid namn Gregor Mendel (1822-1884) upptagen med att använda ärtväxter för enkla men geniala experiment som avslöjade de grundläggande mekanismerna för arv i de flesta levande varelser. Mendel anses vara genetikens fader, och hans tillämpning av den vetenskapliga metoden på arvsmönster gav genklang nästan ett och ett halvt sekel efter hans död.
Bakgrund: Mendel, Pea Plants and Inheritance
På 1860-talet, när det närmade sig medelåldern, började Gregor Mendel experimentera med en viss typ av ärtväxt (Pisum sativum, den vanliga ärtväxten) i ett mycket tålmodigt försök att klargöra de exakta mekanismerna för arv hos denna art. Växter var ett bra val, resonerade han, eftersom han kunde begränsa och noggrant kontrollera antalet yttre påverkan på resultatet av sina växtparningar.
Mendel, i förädling av successiva generationer av växter, lärde sig att skapa ”familjer” som inte visade variation från ”förälder” till ”barn” i sitt utseende med avseende på givna variabler, som var och en endast visade två former. Till exempel, om han började med både höga ärtväxter och korta ärtväxter, och om han manipulerade pollineringsprocessen ordentligt, kunde han utveckla en stam av växter som var ”rena” för höjdegenskapen, så att ”barnen”, ” barnbarn” och så vidare av en given hög växt var också alla långa. (Samtidigt kan vissa visa släta frön medan andra visade skrynkliga ärtor, vissa kan ha gula ärtor medan andra hade gröna ärtor och så vidare.)
Mendel fastställde faktiskt att hans ärtplantor hade sju olika egenskaper som varierade på detta binära sätt (dvs det ena eller det andra, inget däremellan), oberoende av varje Övrig. De fyra han fokuserade starkast på var höjd (lång vs. kort), baljform (uppblåst vs. sammandragen), fröform (slät vs. blinkad) och ärtfärg (grön vs. gul).
Mendels hypotes
Mendels verkliga genidrag var att inse att när han hade två uppsättningar växter som ”födde upp” för två olika varianter av en given egenskap (till exempel en uppsättning av endast slätfröproducerande ärtplantor och en uppsättning av endast skrynkliga ärtväxter som producerar ärtväxter), resultaten av förädling dessa växter var oföränderliga: alla ärtorna i den första generationen avkommor (benämns F1) hade bara en av egenskaperna (i detta fall hade alla släta frön). Det fanns inga ”mellan” frön. Dessutom, när Mendel tillät dessa växter att självpollinera, skapade en F2 generationen, återuppstod den skrynkliga egenskapen i exakt en av fyra plantor, med tillräckligt många avkommor för att jämna ut slumpmässiga variationer.
Detta gav Mendel en grund för att formulera tre distinkta men relaterade hypoteser om hur egenskaper hos levande varelser, åtminstone vissa egenskaper, ärvdes. Dessa hypoteser introducerar en hel del terminologi, så var inte rädd att konsultera referenserna när du läser och smälter denna nya information.
Mendels första hypotes:
Gener
(koder för utveckling som ligger i ämnen i kroppen) för ärftliga egenskaper förekommer i par. En gen ärvs från varje förälder. Aller är olika versioner av samma gen. Till exempel, för genen för ärtväxthöjd, finns det en lång version (allel) och en kort version (allel).
Organismer är diploida, vilket betyder att de har två kopior av varje gen, en från varje förälder. Homozygot betyder att ha två av samma allel (t.ex. lång och lång) medan heterozygot betyder att ha två olika alleler (t.ex. skrynkliga och släta).
Mendels andra hypotes: Om två alleler av en gen är olika – det vill säga om organismen är heterozygot för en given gen – då en allel är dominant över den andra. Den dominanta allelen är den som uttrycks och visar sig som en synlig eller på annat sätt detekterbar egenskap. Dess maskerade motsvarighet kallas recessiv
allelen. Recessiva alleler uttrycks endast när två kopior av allelen finns, ett tillstånd som kallas homozygot recessiv.
A genotype är den totala uppsättningen av alleler som en individ innehåller; fenotypen är det resulterande fysiska utseendet. En given organisms fenotyp för en uppsättning egenskaper kan förutsägas om dess genotyp för dessa egenskaper är känd, men det omvända är inte alltid sant, och mer information om organismens omedelbara förfäder behövs i dessa fall.
Mendels tredje hypotes: Två alleler av en gen segregerar
(det vill säga de separerar) och går in i könsceller eller könsceller (spermier eller äggceller hos människor) var för sig. 50 procent av könscellerna bär en av dessa alleler, och de andra 50 procenten bär den andra allelen. Gameter, till skillnad från vanliga celler i kroppen, bär bara en kopia av varje gen. Om de inte gjorde det skulle antalet gener i en art fördubblas varje generation. Detta reduceras till segregationsprincipen, som säger att två könsceller smälter samman för att producera en zygot (ett pre-embyro, avsett att bli avkomma om obehindrat) som innehåller två alleler (och därför är diploid).
Mendels arbete lade grunden för en mängd tidigare okända koncept som nu är standardpriser och oumbärliga för disciplinen genetik. Även om Mendel gick bort 1884, blev hans arbete inte helt granskat och uppskattat förrän cirka 20 år senare. I början av 1900-talet använde en brittisk genetiker vid namn Reginald Punnett Mendels hypoteser för att komma på rutnät, som matematiska tabeller, som kunde användas för att förutsäga resultatet av parningar av föräldrar med kända genotyper. Så föddes Punnett square, ett enkelt verktyg för att förutsäga sannolikheten att avkomma till föräldrar med en känd kombination av gener för en specifik egenskap eller egenskaper kommer att ha den egenskapen eller en given kombination av egenskaper. Till exempel, om du vet att en kvinnlig marsbor, som snart kommer att föda en kull på åtta marsbor, har grön hud medan fadern marsian har blå hud, och du vet också att alla marsbor är antingen helt blå eller helt gröna och att grönt är ”dominerande” över blått, hur många av de bebisar på mars skulle du förvänta dig att se av varje färg? En enkel Punnett-ruta och en grundläggande beräkning räcker för att ge svaret, och de underliggande principerna är uppfriskande enkla – eller så verkar de, med fördelen av efterklokhet och Mendel som har banat väg för resten av mänsklighetens förståelse.
Den enklaste typen av Punnett square är kallas ett monohybrid korsning. ”Mono” betyder att en enskild egenskap är under undersökning; ”hybriden” betyder att föräldrarna är heterozygota för egenskapen i fråga, det vill säga att varje förälder har en dominant allel och en recessiv allel.
Följande tre steg kan tillämpas på vilken Punnett-ruta som helst som undersöker en enskild egenskap som är känd för att ärvas av mekanismerna som beskrivs här, naturligtvis kallas mendelskt arv. Men en monohybrid korsning är en specifik typ av enkel (2 × 2) Punnett kvadrat för vilken båda föräldrarna är heterozygota.
För en monohybrid korsning är detta steg inte nödvändigt; båda föräldrarna är kända för att ha en dominant och en recessiv allel. Anta att du har att göra med Mars färg igen, och att grönt är dominerande över blått. Ett bekvämt sätt att uttrycka detta är att använda G för den dominerande hudfärgsallelen och g för den recessiva. En monohybrid korsning skulle alltså innefatta en parning mellan en Gg-mamma och en Gg-far.
Steg två: Ställ in Punnett Square
En Punnett-ruta är ett rutnät som består av mindre rutor, som var och en innehåller en allel från varje förälder. En Punnett-ruta med en egenskap under övervägande skulle vara ett 2 × 2 rutnät. Den ena förälderns genotyp skrivs ovanför den översta raden, och genotypen för den andra skrivs bredvid den vänstra kolumnen. Så, för att fortsätta med Mars-exemplet, skulle G och g leda de översta kolumnerna, och eftersom föräldrarna i en monohybrid korsning har samma genotyp, skulle G och g också leda de två raderna.
Härifrån skulle fyra olika avkomsgenotyper skapas. Den övre vänstra skulle vara GG, den övre högra skulle vara Gg, den nedre vänstra skulle också vara Gg och den nedre högra skulle vara gg. (Det är vanligt att skriva den dominanta allelen först i en tvåäggsorganism, dvs du skulle inte skriva gG även om det inte är tekniskt fel.)
Steg tre: Bestäm avkommakvoterna
Som du kommer ihåg, genotyp avgör fenotyp. Om man tittar på marsianerna är det tydligt att varje ”G” i genotypen resulterar i en grön fenotyp, medan två recessiva alleler (gg) stavar en blå färg. Det betyder att tre av cellerna i rutnätet betecknar grön avkomma och en betecknar en blå avkomma. Även om oddsen för att en marsbebis ska vara blå i denna typ av monohybrid korsning är 1 på 4, i mindre familjeenheter, skulle det inte vara ovanligt att se ett högre eller lägre antal gröna eller blå marsianer än förväntat, precis som att vända en mynt 10 gånger skulle inte garantera exakt fem huvuden och fem svansar. Över större populationer tenderar dock dessa slumpmässiga egenheter att blekna av hänsyn, och i en befolkning på 10 000 marsbor som är ett resultat av ett monohybrid korsning skulle det vara ovanligt att se ett antal gröna marsianer som skiljer sig mycket från 7 500.
Meddelandet här är att i varje äkta monohybrid korsning skulle avkommaförhållandet mellan dominanta och recessiva egenskaper vara 3 till 1 (eller 3:1, i genetikerns vanliga stil).
Andra Punnett Squares
Samma resonemang kan tillämpas på parningskorsningar mellan organismer där två egenskaper undersöks. I det här fallet är Punnett-rutan ett 4 × 4 rutnät. Dessutom är andra 2 × 2 korsningar som inte involverar två heterozygota föräldrar helt klart möjliga. Till exempel, om du korsade en GG grön marsian med en blå marsian som är känd för att bara ha blå marsianer i hennes släktträd (med andra ord, gg), vilken sorts avkommaförhållande skulle du förutsäga? (Svaret: Alla barn skulle vara gröna, eftersom fadern är homozygot dominant, vilket i praktiken helt och hållet förnekar moderns bidrag till hudfärgen.)
