В биологии множественность видов зависит от принципов передачи детям наследственных признаков родителей. Разнообразие потомства объясняет второй закон Менделя.

Естествоиспытатель и монах

В 1822 году у Розины и Антона Мендель родился мальчик. Ребёнок появился на свет 20 июля, а крещение, на котором новорождённого нарекли Иоганном, состоялось через два дня. Семейство проживало в небольшом поселении Хейнцендорф, которое в то время принадлежало Австрийской империи, а ныне расположено в Моравскосилезском крае Чешской Республики. Жители города занимались сельским хозяйством.

С юного возраста мальчику приходилось работать помощником садовника, чтобы помочь родителям свести концы с концами. Кроме сына, в семье Менделей росли ещё две дочери. Особенно тёплые отношения связывали Иоганна с младшей сестрой. Впоследствии Терезия пожертвует приданым, чтобы оплатить обучение брата. Будущий исследователь не останется в долгу. Он поможет племянникам сделаться докторами.

Начальное образование подросток получил в школе Хейнцендорфа. Затем посещал классы монашеского ордена пиаристов, которые занимались воспитанием детей в духе христианства. Пока знания предоставлялись даром. С 1834 года после поступления в гимназию города Опава за обучение приходилось платить. В 1840 году Менделя зачисляют на факультет философии в университет Оломоуца.

Уже в школьном возрасте проявилась болезненность Иоганна. Эмоциональный подросток в сложных ситуациях испытывал стресс, начиналась депрессия, нередко приводившая к невротическим обморокам. Крайне тяжело юноша переживал, когда отца придавило деревом на лесоповале. Трудное финансовое положение, заставлявшее брать учеников, также негативно сказывалось на здоровье студента университета.

В 1843 году Мендель обращается к настоятелю монастыря августинцев в городе Брно. Жизнь в аббатстве святого Фомы освобождала от мыслей, где заработать деньги на пропитание и жильё. Иоганн становится иноком. При пострижении послушника нарекают Грегором. Одновременно молодой человек поступает в богословский институт.

Спустя четыре года происходит рукоположение Менделя в сан священника. Первое пастырское служение закончилось печально. В обязанности отца Грегора входило духовное окормление больных в госпитале святой Анны. Наблюдение за страданиями пациентов приводит к тяжёлому нервному расстройству. Настоятель монастыря устанавливает другое послушание. Молодому пресвитеру поручается уход за огородом и садом в обители.

Самостоятельно изучив греческий язык, латынь и математику, Мендель начинает преподавать предметы в гимназии. В 1851 году для аттестации учитель направлен в венский университет для прохождения двухлетнего курса. Но диплом учителя священник не получил. Помешали неудовлетворительные оценки на экзаменах по биологии и геологии. Тем не менее в 1853 году Иоганн начинает вести занятия по природоведению и физике в брюннском реальном училище.

В следующем году прелат аббатства выделяет отцу Грегору участок земли длиной 35 м и шириной 7 м. На таком огороде Мендель будет проводить ботанические опыты. Зимой 1854 года исследователь заказал у разных поставщиков 34 сорта гороха, из которых только 22 станут объектом изучения. Два года ушло на проверку посадочного материала и подготовку плана и методологии эксперимента.

Семь лет с 1856 года Мендель наблюдает за изменением наследственности, выращивая горох. Итогом работы стал доклад, сделанный в брюннском Обществе естествоиспытателей в 1865 году.

В декабре следующего года научный труд был опубликован.

В 1868 году отец Грегор избирается аббатом монастыря святого Томаша в Брно. Бо́льшую часть времени пастор посвящает церковным делам. Учёный прекращает исследовательскую деятельность, тем более что ухудшается зрение. Скончался Грегор Иоганн Мендель от пневмонии 6 января в 1884 году.

Горошины Менделя

Работа над изучением изменения наследственных признаков проводилась с потрясающей скрупулёзностью. Экспериментируя с горохом, исследователь завёл паспорт на каждое растение. В карточке фиксировались результаты наблюдений.

В итоге появилась картотека, содержавшая 10 тыс. формуляров.

Сведения, которые учитывались во время опытов:

1. Дата выращивания родительского куста.
2. Окраска цветка.
3. Номер растения, от которого взята пыльца для опыления.
4. Описание горошин в созревших бобах.

Терминология генетики

В любой научной дисциплине обязательно используются специфические слова и выражения. Чтобы стало понятно, в чём сущность второго закона Менделя, требуется разобраться с терминами и выучить определения биологических объектов и процессов.

Ген является структурным и функциональным элементом хромосомы, которая состоит из одной длинной молекулы ДНК. Множество генов, которые собраны в хромосоме, линейной группой, отвечает за сохранение наследственных признаков живого организма. Плоидность указывает на количество одинаковых хромосом в ядре клетки. Так, диплоидные клетки содержат две копии каждой хромосомной молекулы ДНК.

Конкретный ген способен принимать различные формы, которые зависят от его компонентов, именуемых аллелями. Аллели создают вариации определённой характеристики организма, закодированной в гене. Если ген располагает парой идентичных аллелей, то это означает, что речь идёт о гомозиготном организме. В противном случае подразумевается гетерозиготный индивид.

У гетерозиготных особей аллель, признаки которой проявляются в следующем поколении, называется доминантной. Атрибуты рецессивной аллели не получают внешнего проявления в будущем живом организме. На схемах, отображающих процедуру скрещивания, доминирование обозначается заглавной буквой, а рецессивность — строчной.

Гаметами называют репродуктивные клетки, обладающие одинарным набором хромосом и участвующие в размножении. Гаметы образуются в результате мейоза, или редукционного деления половых клеток. В процессе оплодотворения две гаметы — по одной от каждого родителя — соединяются. Порождается зигота. Это — диплоидное образование, способное зарождать новые клетки с аналогичной генной структурой.

Генотипом называется совокупное множество генов, характерное для этого индивида. Фенотипом определяются особенности строения и формы жизнедеятельности организма, обусловленные влиянием на генотип окружающей среды.

Изменчивость фенотипа зависит от количества воздействующих факторов и от восприимчивости особи к внешнему воздействию.

Закон расщепления признаков

Ботанические опыты Мендель проводил на горохе огородном. Выбор неслучаен. Дающие множественное потомство кусты, которым для развития требуется короткий период, позволяют получить несколько урожаев за один сезон. Многочисленные сорта чётко различаются по наследственным признакам. Растение является самоопыляющимся, что допускает проводить искусственное скрещивание. Для ботанических опытов учёный отбирал так называемые чистые линии. Это сорта, которые имеют и сохраняют характерные признаки из поколения в поколение.

Семь альтернативных признаков растения, которые Мендель сравнивал при скрещивании сортов гороха:

• цвет горошин (зелёные или жёлтые);
• конфигурация семян (сморщенные или гладкие);
• окраска цветка (белые или пурпурные);
• расположение цветка на стебле (в пазухе или наверху);
• высота растения (низкие или высокие);
• форма созревших плодов (с перетяжками или гладкие);
• колер стручка (жёлтый или зелёный).

Итогом опытов стал второй закон Менделя, формулировка которого кратко гласит, что при скрещивании между собой пары гетерозиготных гибридов первого поколения, во втором поколении единообразие организмов нарушается и наблюдается расщепление по генотипу и фенотипу. Суть явления состоит в том, что доминантные и рецессивные признаки родителей распределяются среди потомства в точном числовом соотношении. По генотипу — 1:2:1, по фенотипу — 3:1.

Проводя опыты, Мендель выдвинул гипотезу, которая впоследствии стала называться законом чистоты гамет. Учёный предположил, что во время мейоза образуются гаметы с единичным элементом из аллельной пары конкретного гена.

Второй закон Менделя, схема которого представлена списком генных рядов трёх последовательных поколений:

1. Родители. Каждая особь располагает парой гомозиготных аллелей — AA и aa.
2. Дети. В следующем поколении наблюдается смешение — Aa и Aa.
3. Внуки. В третьем поколении происходит расщепление, формируется 3 варианта генов — AA, Aa, aa.

Значение научного открытия

Открытие Менделя осталось незамеченным современниками. Но пытливый ум ботаников волновали причины, формировавшие наследственность. В 1900 году Э. Чермак, К. Корренс и Х. де Фриз опубликовали отчёты о собственных независимых исследованиях, результаты которых в полной мере подтвердили выводы церковного прелата. В своих публикациях они переоткрыли закон расщепления.

Выращивая горох, Мендель разрабатывает основы гибридологического метода, который требует строгого количественного учёта и качественной оценки растений. Такой способ изучения подразумевает, что скрещиваемые образцы принадлежат одному виду и отличаются друг от друга только отдельными признаками.

Исследователь впервые применил символическую кодировку хода эксперимента. Методика математического анализа упрощала подсчёт данных и сообщала наглядность результатам на каждом этапе опыта.

Учёный выдвинул гипотезу о том, что в половых клетках присутствует «атом наследственности». Хранилище потомственной информации в 1903 году биолог из Дании Вильгельм Иоганнсен назовёт геном.

Решение задач

Открытие Грегора Иоганна Менделя позволяет применять закон расщепления на практике. Теория наследственности помогает селекционерам выводить новые породы животных и выращивать продуктивные сорта растений.

Задача. Ген чистопородного быка чёрной масти доминирует над геном красной коровы. Требуется определить, какое потомство получится во втором поколении?

По условиям задачи скрещиваемые особи являются гомозиготными. Но поскольку гены быка обладают доминантными признаками, а коровы — рецессивными, то генотип мужского организма соответствует формуле AA, а женского — aa. Гетерозиготное потомство первого поколения получается с генотипом Aa.

Во втором поколении происходит соблюдение закона расщепления Менделя. Животные с генотипом AA составят 25% от общего числа новорождённых, с генотипом Aa — 50%, а с вариантом aa — 25%. Цвет породы определяется наличием или отсутствием доминантного гена. Ответ: Четверть телят второго поколения будет иметь красный окрас, три четверти — чёрную масть.

Грегор Иоганн Мендель создал в биологии методологию исследований наследственных признаков. Учёный использовал инструменты математики для ускорения обработки полученных данных и наглядности результатов эксперимента. Законы, открытые австрийским священником, послужили основой теории наследственности.