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Klassische Genetik

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Einführung

Abb. 1: Der Vater der Genetik -
Gregor Johann Mendel
Abb. 1: Der Vater der Genetik - Gregor Johann Mendel
Nachdem Charles Darwin $1837$ die Weltanschauung der meisten Menschen mit seiner Evolutionstheorie erschütterte, begann $1856$ der Ordenspriester Gregor Johann Mendel im Kloster in Brünn Kreuzungsexperimente mit Erbsen. Zwar kannte Mendel die Theorien von Darwin vermutlich nicht, doch sollten seine Forschungsergebnisse Darwins Theorie stützen.
Während Darwins Evolutionstheorie die Veränderung und Entstehung von Arten behandelte, befassten sich Mendels Forschungen mit der Vererbung von Merkmalen in einer Art. Dazu wählte er die Erbsen anhand bestimmter Merkmale aus und untersuchte deren Nachkommen. Die Ergebnisse seiner Forschung wollen wir uns in diesem Skript einmal näher anschauen.

Die Saaterbse

Die Erbsenart, die Mendel für seine Experimente benutzte, war die Saaterbse. Das ist eine Erbsenart, die hauptsächlich im Mittelmeerraum beheimatet ist. Die Insekten, die diese Erbse bestäuben, fehlen in Mitteleuropa. Das war wichtig für Mendel, denn so konnte er sicher gehen, dass die Erbsen nur so gekreuzt wurden, wie er es wollte. Außerdem war die Erbse noch zur Selbstbestäubung fähig.
Nachdem Mendel $2$ Jahre lange die Erbsen über Selbstbestäubung gezüchtet hatte, stellte er fest, dass in manchen Beeten immer gleiche Erbsenpflanzen wuchsen. Diese Erbsen nannte er reinerbig (=homozygot). Andere Erbsen, die sich in ihren Merkmalen nach der Kreuzung immer wieder unterschieden, nannte er mischerbig (=heterozygot). Für seine Experimente benutzte Mendel nun nur die reinerbigen Erbsen und beschränkte sich anfangs auf ein einziges Merkmal.

Die 1. mendelsche Regel

Abb. 2: Mendels erstes Experiment
Abb. 2: Mendels erstes Experiment
In einem ersten Experiment bestäubte Mendel Erbsen mit grünen Samen mit Pollen von Erbsen, die gelbe Samen hatten. Das Ergebnis waren nur Erbsen mit gelben Samen. Dadurch kam Mendel zu der Vermutung, dass die Samenfarbe von der Pflanze abhingen, von der die Pollen stammten. Dies überprüfte er, indem er Erbsen mit gelben Samen mit Pollen von grünsamigen Erbsen bestäubte. Die entstehenden Erbsen hatten jedoch auch alle gelbe Samen.
Auf die selbe Art untersuchte Mendel $6$ weitere Merkmale, wie z.B. Samenform, Sprossabschnitte, From oder Farbe der Hülse. Jedesmal beobachtete er, dass es ein Merkmal gab, das in der nachkommenden Generation, der Filiargeneration $1$ (F1), einheitlich auftrat. Daraus folgerte Mendel seine erste Regel zur Vererbung:
1. mendelsche Regel (Uniformitätsregel):
Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal reinerbig (homozygot) unterscheiden, sind die Nachkommen in der F1-Generation in Bezug auf dieses Merkmal untereinander gleich. Das gilt auch bei reziproker (=umgekehrter) Kreuzung.

Die 2. mendelsche Regel

Abb. 3: Ist das rezessive Merkmal verloren?
Abb. 3: Ist das rezessive Merkmal verloren?
Das Merkmal, welches sich in der F1-Generation durchsetzte, wurde von Mendel als dominant bezeichnet. Das unterdrückte Merkmal nannte er rezessiv. Mit seinem nächsten Experiment untersuchte Mendel, ob das rezessive Merkmal verloren ging. Deshalb vermehrte er die gelben Erbsen der F1-Generation durch Selbstbestäubung und untersuchte die Nachkommen in dieser Filiargeneration $2$ (F2).
Er erntete $8\,023$ Samen. Davon waren $6\,022$ gelb und $2\,001$ grün. Das entsprach einem Verhältnis von $3:1$. Um dieses Ergebnis zu überprüfen, untersuchte er die anderen $6$ Merkmale auf die gleiche Weise. Immer tauchte das rezessive Merkmal aus der Parentalgeneration (P), also das Merkmal der Eltern, in der F2-Generation wieder auf im Verhältnis $3:1$. Daraus formulierte Mendel sein zweites Gesetz:
2. mendelsche Regel (Spaltungsregel):
Kreuzt man die Mischlinge der F1-Generation untereinander, treten in der F2-Generation auch Merkmale der Eltern in einem festen Zahlenverhältnis wieder auf.

Die 3. mendelsche Regel

Abb. 4: Hängen Merkmale zusammen?
Abb. 4: Hängen Merkmale zusammen?
Zuletzt betrachte Mendel in einem Experiment noch mehrere Merkmale gleichzeitig. So kreuzte er zuerst Erbsen mit gelben, runden Samen und Erbsen mit grünen, kantigen Samen. Das Ergebnis war nach der 1. mendelschen Regel uniform: nur gelbe, runde Samen. Gelb war also dominant gegenüber grün und rund dominant gegenüber kantig. Die Kreuzung von zwei Sorten mit zwei unterschiedlichen Merkmalen nennt man dihybrid, vom griechischen di- für zweifach. Betrachtet man nur ein Merkmal, dann nennt man es monohybrid.
Bei der Kreuzung von mischerbigen Erbsen der F1-Generation erhielt Mendel $556$ Samen:
  • $315$ waren gelb und rund
  • $101$ waren gelb und kantig
  • $108$ waren grün und rund
  • $32$ waren grün und kantig
Umgerechnet ergab das ein Verhältnis von ca. $9:3:3:1$. Außerdem sah Mendel, dass auch neue Kombinationen der Merkmale möglich waren. Es gab z.B. Erbsen mit grünen, runden Samen. Diese traten weder in der P- noch in der F1-Generation auf. Das war nur möglich, wenn die Merkmale unabhängig voneinander vererbt werden. Daraus formulierte er seine dritte Regel:
3. mendelsche Regel (Neukombinationsregel):
Kreuzt man zwei Lebewesen einer Art, die sich in mehr als einem Merkmal reinerbig unterscheiden, so können die Merkmalpaare in neuen Kombinationen auftreten. Die Gene werden also unabhängig voneinander verteilt.
Durch logisches Vorgehen und viele Experimente gelang es Mendel einige Rätsel der Vererbung zu lösen. Indem er große Versuchsgruppen untersuchte konnte er sicherstellen, dass seine Ergebnisse zuverlässig und sicher waren. Nur eine Sache lies Mendel außer acht: Die Zuverlässigkeit seiner Mitarbeiter. Er lies die Pflanzen unter anderem von Assistenten auszählen. Diese wussten, welche Ergebnisse Mendel erwartete und beschönigten teilweise die Ergebnisse, damit sie ihn zufrieden stellen würden. Aus diesem Grund ist die 3. mendelsche Regel nicht ganz wahr. Viele Merkmale werden unabhängig voneinander vererbt, es gibt jedoch auch Merkmale die aneinander gekoppelt vererbt werden.
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