SCHLÜSSELFIGUR
Gregor Mendel (1822–1884)
FRÜHER
4. Jh. v. Chr. Hippokrates behauptet, »Samenmaterial« von den Eltern sei die materielle Basis der Vererbung.
1760er Der deutsche Botaniker Joseph Kölreuter zeigt, dass die Eigenschaften der Nachkommen aus gleichen Beiträgen beider Eltern resultieren.
SPÄTER
1900 Die Ergebnisse von Gregor Mendels Experimenten an Erbsenpflanzen werden unabhängig von anderen, etwa dem holländischen Botaniker Hugo de Vries, repliziert.
1902/03 Der Deutsche Theodor Boveri und der Amerikaner Walter Sutton demonstrieren unabhängig voneinander, dass die Partikel der Vererbung – später Gene genannt – auf den Chromosomen liegen.
In der Geschichte der Biologie war die Verbung lang ein großes Rätsel. Was steckt dahinter, wenn Kinder ihren Eltern ähneln? Bis ins 18. Jahrhundert bezweifelten viele Menschen, dass bei der sexuellen Reproduktion beide Eltern gleichermaßen dazu beitragen, Kinder in die Welt zu setzen – trotz der offensichtlichen Ähnlichkeiten, die sie mit Mutter und Vater teilen. Eine populäre Ansicht war, dass jedes Kind präformiert sei, entweder im Ei oder im Spermium – und einige Biologen waren überzeugt, sie hätten Beweise dafür in ihren Mikroskopen gesehen. Andere favorisierten eine Idee, die ihre Wurzeln bei griechischen Philosophen wie Hippokrates hat: »Samenmaterial« aus allen Körperteilen werde zu den Sexualorganen gesandt und dann gemischt. Diese Theorie, genannt Pangenese, war näher an der Wahrheit, aber immer noch weit weg von der heutigen Auffassung der Gene.
Praktische Ansätze erleichterten im 18. Jahrhundert das Verständnis der Vererbung. Entweder schaute man zurück im Familienstammbaum oder nach vorn zu den Ergebnissen von Züchtungsexperimenten. Joseph Kölreuter produzierte Pflanzenhybride mit gleichen Beiträgen beider Eltern, was die Idee einer Präformation widerlegte. Hybride aus verschiedenen Arten sind in der Regel steril – dies schien Kölreuters Idee zu bestätigen, dass Arten unveränderlich sind: Sie entsprechen einem Idealtyp und jede natürliche Variation ist zufällig und nicht wichtig.
Polydaktylie bedeutet, dass jemand zusätzliche Finger oder Zehen hat. 1751 erforschten Pierre Maupertuis und René de Réaumur den Erbgang des Merkmals und fanden, dass es dominant ist.
Diese sogenannte essenzialistische Ansicht teilte auch Carl von Linné, der schwedische Erfinder des Systems biologischer Klassifikation, das heute noch in Gebrauch ist.
Linné glaubte, eine Pflanzenvarietät könne durch ihren Standort erklärt werden – Boden oder Klima – und sie würde zum »Typus« zurückkehren, wenn man diese Faktoren korrigiert. Diese Ansicht behinderte jeden Fortschritt beim Verständnis der Vererbung: Wenn Varietäten nur die Folge lokaler Bedingungen waren, hatte es keinen Sinn, im Familienstammbaum nach Erklärungen zu suchen.
Im 19. Jahrhundert veränderte unter anderen Charles Darwin diese Ansicht: Variation innerhalb von Arten ist nicht nur weitverbreitet, sondern auch höchst wichtig als Rohmaterial der Evolution. Seine Idee, dass neue Arten entstehen können, inspirierte Pflanzenzüchter, Vererbung zu studieren, um zu sehen, wie das gehen kann.
1866 publizierte der österreichische Augustinermönch Gregor Mendel einen Artikel über seine Forschungen am »Artproblem«. Wahrscheinlich war er zu seinen Forschungen ermutigt worden, als er an der Universität Wien studierte. Sein dortiger Professor, Franz Unger, hatte postuliert, neue Arten entstünden aus der Variation innerhalb einer existierenden Art. Mendels unterschätztes Werk, das er 1856 begann, revolutionierte die Biologie, aber es dauerte fast ein halbes Jahrhundert, bis es so weit war. Zu Mendels Lebenszeit wurden seine sorgfältig dokumentierten Erbsenzuchtexperimente übersehen.
»Die Genetik, ein wichtiger Zweig der Biologie, ist aus den bescheidenen Erbsen herangewachsen, die Mendel in einem Klostergarten pflanzte.«
Theodosius Dobzhansky
Ukrainisch-amerikanischer Genetiker
(1900–1975)
Mendels Auswahl der Gartenerbse (Pisum sativum) für seine Experimente war eine sorgfältige Wahl: Die Pflanzen haben etliche beobachtbare Eigenschaften und lassen sich leicht kreuzen.
Mendels Erfolg ist seinem Ansatz zu verdanken. Er sah Vererbung vor allem als Zahlenproblem – etwas, das unzweifelhaft von seinem Universitätsstudium herrührte, zu dem eine Menge Physik gehörte. Er wusste, dass eine Fülle von Daten die statistische Zuverlässigkeit verbessert, deshalb wiederholte er seine Pflanzenkreuzungen über Generationen hinweg und zählte die Variationen, um Vererbungsmuster zu entdecken. Am Ende arbeitete er mit 10 000 Gartenerbsenpflanzen, kultiviert auf 1,6 Hektar bei der Abtei St. Thomas in Brno (heute Tschechische Republik). Sein Abt ließ sogar ein Gewächshaus bauen. Wichtigster Punkt: Mendel studierte immer nur eine Eigenschaft nach der anderen, was die entscheidenden Muster sichtbar werden ließ.
Mendel beschloss, sieben Eigenschaften der Erbsenpflanze nacheinander zu studieren, von denen jede zwei Ausprägungen (Merkmale) hat. So ist zum Beispiel die Pflanzenhöhe hoch oder niedrig, die Erbsenfarbe gelb oder grün. Er kreuzte dann reine Zuchtlinien mit alternativen Merkmalen, etwa hohe mit mit niedrigen Pflanzen, und zog aus den Samen die nächste Generation. Bei jeder Kreuzung zählte er die Zahl der Nachkommen, die jedes Merkmal aufwiesen.
Obwohl Kölreuter gezeigt hatte, dass Hybride wirklich in der Mitte zwischen den Eltern liegen können, stimmt das nur, wenn man die Pflanzen in ihrer Gesamtheit mit all ihren Eigenschaften anschaut. Als er jede Eigenschaft getrennt untersuchte, sah Mendel, dass ein Merkmal über das andere dominiert – sodass bei einer Kreuzung nur das dominante Merkmal bei den Nachkommen erscheint. Bei der Pflanzenhöhe dominierten die hohen Pflanzen: Alle Nachkommen einer Hoch-niedrig-Kreuzung waren hochwüchsig. In ähnlicher Weise dominierten gelbe Erbsen über grüne. Das jeweils verborgene Merkmal nannte Mendel »rezessiv«.
Als Nächstes kreuzte Mendel seine Hybride und erzeugte eine weitere Generation. Jetzt kam das rezessive Merkmal der ursprünglichen Eltern wieder zum Vorschein, nachdem es eine Generation ausgelassen hatte. Neu war das nicht: Pflanzenzüchter wussten, dass ein Teil der Nachkommen von Hybriden zum Elterntyp zurückkehrt. Aber Mendel war anders, er zählte die Erbsen. Ein Muster zeigte sich: Das rezessive Merkmal schlug in einem Viertel der Nachkommen durch, drei Viertel blieben beim dominanten Merkmal.
Mendel stellte sich vor, dass Eigenschaften durch physische Partikel determiniert werden, die er »Elemente« nannte. Jedes Element ist verantwortlich für ein bestimmtes Merkmal wie hoch oder niedrig. Seiner Überzeugung nach kommen die Elemente in Paaren vor, die sich bei der Befruchtung bilden: Ein Element wird über den Pollen und eines über die Eizelle vererbt. Reine Pflanzenlinien haben zwei Dosen (Anzahl Kopien) entweder des hohen oder des niedrigen Elements. In der nächsten Generation erben alle Pflanzen eines der Elemente, doch nur das hohe Element bestimmt die Wuchshöhe. In der Generation danach erwischen einige Pflanzen zwei Dosen des niedrigen Elements, sodass wieder niedrige Stauden zustande kommen. Wenn die Eltern jeweils zur Hälfte hohe und niedrige Elemente tragen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass beim Nachwuchs zwei niedrige Elemente zusammenkommen, ½ x ½ = ¼. Dies wurde durch die Zählung bestätigt: Ein Viertel der Pflanzen war niedrigwüchsig.
Mendel wählte sieben Eigenschaften von Gartenerbsen für seine Studien aus. Er fand heraus, dass einige Merkmale dominant und andere rezessiv sind – beispielsweise sind runde und gelbe Samen dominant, runzelige und grüne rezessiv.
»Merkmale verschwinden bei den Hybriden ganz, kommen aber bei den Nachkommen wieder unverändert zum Vorschein.«
Gregor Mendel
(1822–1884)
Nachdem Mendel die dominanten und rezessiven Merkmale identifiziert hatte, studierte er, wie die verschiedenen Merkmale gemeinsam vererbt werden – zum Beispiel, ob die Wuchshöhe die Erbsenfarbe beeinflusst oder umgekehrt. Dazu kreuzte er Pflanzen mit zwei dominanten Eigenschaften (hoch, gelbe Erbsen) mit solchen mit zwei rezessiven (niedrig, grüne Erbsen).
Mendel entdeckte, dass jedes Merkmal unabhängig vom anderen vererbt wird – wie man es erwartet, wenn sie von unabhängigen Elementpaaren bestimmt werden. Alle Pflanzen der ersten Generation waren zweifach dominant (hoch, gelbe Erbsen) und in der Nachfolgegeneration erschienen alle Kombinationen. Betrachtete man jedoch jede Eigenschaft allein, war immer noch ein Viertel niedrig, und ein Viertel hatte grüne Erbsen.
Mendels Entdeckungen können zu zwei Gesetzen zusammengefasst werden: 1. Vererbte Merkmale werden bestimmt von Paaren von Partikeln (heute Gene genannt). Sie spalten sich auf und verteilen sich auf Pollen und Eizellen, bevor sie bei der Befruchtung wieder zusammentreffen. 2. Jede Eigenschaft wird von einem Genpaar bestimmt, das unabhängig von anderen vererbt wird.
Schon vor Mendels Zeit hatten verbesserte Mikroskope einiges über die Natur des Lebens enthüllt – insbesondere, dass Körper aus Zellen bestehen und dass diese Kerne enthalten. Als Mendel 1884 starb, dachten Biologen bereits, eine Substanz in den Kernen werde bei den Zellteilungen weitergegeben und die Befruchtung führe das Material beider Eltern wieder zusammen. Mendels Idee über Partikel, die in Paaren vererbt werden, hätte diese Sicht verfeinern können, wäre sein Werk zu seinen Lebzeiten bekannt geworden.
Im Jahr 1900 jedoch kamen drei Botaniker – der Holländer Hugo de Vries, der Deutsche Carl Correns und der Österreicher Erich von Tschermak – unabhängig voneinander zu denselben Resultaten wie Mendel. Nachdem sie sich rückwärts durch die Literatur gelesen hatten, erkannten alle drei an, dass Mendel die Entdeckung zuerst gemacht hatte. Nun ging es schnell voran. Innerhalb von 20 Jahren wurde die reale Existenz von Mendels gepaarten Partikeln (Genen) jenseits allen Zweifels bestätigt: Es sind verbundene Komponenten auf den Fäden der Chromosomen.
Jeder Körper eines Menschen enthält mehr als 20 000 verschiedene Gene – in Paaren, also 40 000 insgesamt. Erbsenpflanzen enthalten sogar mehr: Mendels sieben waren nur ein winziger Anteil von den geschätzt 45 000 Genen dieser Art (90 000, wenn man die Paare betrachtet). Wie Mendel vorgeschlagen hatte, wird jedes Paar bei der Befruchtung festgelegt, wenn ein Gen aus der Eizelle kombiniert wird mit dem äquivalenten Gen aus dem Spermium (Pollen). Dies passiert bei jedem der vielen Tausend Gene eines Menschen oder einer Erbsenpflanze.
Mendels Idee der partikulären Natur der Vererbung befriedigte insbesondere Biologen, die glaubten, plötzliche starke Veränderungen (Mutationen) seien hauptverantwortlich für die Evolution. Anhänger von Darwins Idee, dass Evolution durch die allmähliche Selektion leicht veränderter, kontinuierlicher Varianten abläuft, konnten dieses Bild nicht in Übereinstimmung bringen mit Mendels partikelgleichen Elementen. Darwin selbst hatte gedacht, das vererbte Material von Vater und Mutter werde teilweise vermischt, was Zwischentypen und kontinuierliche Variationen erklären würde. Aber Vererbung durch Vermischung bedeutet auch eine Verwässerung der Variation im Lauf der Generationen – und das würde Evolution, wie Darwin sie verstand, unmöglich machen. Ein großer Teil des Problems war, dass genetische Ausstattung und ererbte Eigenschaften als mehr oder weniger äquivalent betrachtet wurden.
»In den 50 Jahren, seit Mendels Gesetze so dramatisch wiederentdeckt wurden, hat die Genetik sich gewandelt … zu einer rigorosen und vielseitigen Disziplin.«
Julian Huxley
(1951)
Klarheit stellte sich 1909 ein. Der dänische Botaniker Wilhelm Johannsen zog Gartenbohnen, die sich selbst befruchten und genetisch gleichförmig sind. Dennoch konnte er Variation produzieren, durch Änderungen der Bodenfruchtbarkeit, des Lichts und anderer Faktoren. Diese induzierte Variation wurde nicht vererbt.
Johannsen prägte nicht nur den Begriff »Gen«. Er führte auch das Wort Phänotyp ein für die beobachteten Merkmale – im Gegensatz zum Genotyp, der die genetische Ausstattung eines Organismus beschreibt. Phänotypen haben Eigenschaften, die kontinuierlich variieren können – wie Körpergröße beim Menschen – oder in klar getrennten, diskontinuierlichen Kategorien daherkommen, etwa die violetten und weißen Blüten der Erbsenpflanzen. Ein Teil der Variation im Phänotyp sei direkt durch den Einfluss der Umwelt verursacht, etwa größere Bohnenpflanzen in reichhaltigerem Boden. Der Rest resultiere aus dem Genotyp.
Im Gegensatz dazu seien Genotypen – mit ihren Genpartikeln – immer diskret und nie gemischt. Eine große Frage blieb: Wie können partikuläre Genotypen die gleichmäßig kontinuierliche Variation bestimmen, die offensichtlich vererbt wird?
Mendel selbst hatte bereits eine Erklärung für kontinuierliche Variation vorgeschlagen. Er meinte, sie könne zustande kommen, wenn mehr als ein einzelnes Paar von Elementen (Genen) sich auf eine Eigenschaft auswirkt. 1908 züchtete der schwedische Wissenschaftler Herman Nilsson-Ehle Weizenpflanzen mit Samen unterschiedlicher Rottöne – sie kamen zustande durch drei Genpaare, die zusammenwirken. Jedes Genpaar wird klassisch nach den Mendel-Gesetzen vererbt. Aber die kombinierten Effekte aller sechs Genvarianten lassen die Röte des Samens kontinuierlich gemischt erscheinen.
1909, als Johannsen und Nilsson-Ehle den Mendelianismus zur Zufriedenheit der Darwin-Anhänger validiert hatten, lag bereits zusätzliche Unterstützung für die Idee der gepaarten Partikel von Biologen vor, die das Verhalten von Zellen und ihren inneren Strukturen studierten. Sie fanden eine physische Basis für Mendels Partikel in den Fäden, die sie Chromosomen nannten: Auf ihnen sind die Gene wie Perlen auf einer Schnur aufgereiht. Ein neuer Zweig der Biologie – die Genetik – entstand. Der Weg war nun frei für Forscher, die die chemische Basis der Vererbung klärten und die entscheidende Rolle der Doppelhelix. Gene waren jetzt nicht länger theoretische Konstrukte: Sie waren reale Partikel aus sich selbst replizierender DNA. 
Viele Eigenschaften – wie der menschliche Körperbau – hängen von genetischen und von Umweltfaktoren ab. Gene, Ernährung und Training spielen eine Rolle.
Gregor Mendel
Als Sohn armer Bauern 1822 in Österreichisch-Schlesien geboren, wurde Mendel als Mönch in das Augustinerkloster von Brünn (heute Teil der Tschechischen Republik) aufgenommen. Die Ordensbrüder änderten seinen Vornamen von Johann zu Gregor. 1847 erhielt er die Priesterweihe. Dann studierte er Naturwissenschaften an der Universität Wien, um Lehrer zu werden. Das Interesse seines Professors an der Entstehung der Arten beeinflusste ihn. Als erfahrener Gärtner begann Mendel, Pflanzen zu züchten – insbesondere Gartenerbsen –, um seine Ideen über die Natur der Vererbung zu testen. Obwohl er seine Entdeckungen 1866 veröffentlichte, wurden seine Befunde zu Lebzeiten wenig beachtet. Später nannte man ihn den »Vater der Genetik«. Er starb 1884.
Hauptwerk
1866 Versuche über Pflanzenhybriden
Bestäubungskontrolle
Kreuzungsexperimente zur Erforschung der Vererbung hängen entscheidend davon ab, dass man weiß, welche Nachkommen von welchen Eltern stammen. Bei Pflanzen ist das nicht immer klar, weil männlicher Pollen von einer Blüte sich verteilen und unterschiedslos viele andere Blüten bestäuben kann. Einige Pflanzen – auch Erbsen – können sich auch selbst befruchten.
Um die Bestäubung zu kontrollieren, entfernen Pflanzenzüchter die männlichen Staubgefäße aus der Blüte und bedecken die weibliche Narbe oder die gesamte Blüte mit einem kleinen »Bestäubungsbeutel«, um versehentliche Bestäubungen zu verhindern. Dann benutzen sie einen kleinen Pinsel, um Pollen von den Staubgefäßen einer bekannten Elternpflanze auf die Narbe einer anderen aufzutragen. So weiß man, dass jeder Samen, der auf diese Weise entsteht, ein Produkt der speziellen Kreuzung ist. Mendel nutzte bereits diese Technik, wie auch kommerzielle Züchter sie heute benutzen.
Vererbung bei Menschen
Weltweit haben die meisten Menschen braune Augen. Rund zehn Prozent haben blaue Augen, Grün und Grau sind sehr selten.
Jede Eigenschaft, die nach den mendelschen Regeln vererbt wird – mit dominanten und rezessiven Merkmalen, die durch verschiedene Versionen desselben Gens bestimmt werden – wird als mendelsches Merkmal bezeichnet. Einige Krankheiten werden so vererbt: Zystische Fibrose etwa ist rezessiv, Huntington ist dominant. Viele andere menschliche Eigenschaften werden jedoch auf viel komplexere Art und Weise vererbt. Die blaue Augenfarbe zum Beispiel wird weithin für eine rezessive Eigenschaft gehalten und braun für dominant, aber das ist eine Vereinfachung. Biologen habe mindestens acht Gene identifiziert, die bei der Kontrolle der Pigmentproduktion in der Iris des Auges involviert sind, und die Augenfarbe, die am Ende herauskommt, stammt aus Interaktionen aller acht. Dies erklärt auch, warum Farben wie Grau und Grün möglich sind – und warum blauäugige Eltern braunäugige Kinder haben können.
