3.11.1 Die Vererbungsregeln von Gregor Mendel (*1822 †1884)
Quellen:
Wikipedia 2023: „Gregor Mendel“, „Mendelsche Regeln“, „Dominanz (Genetik)“, „Homozygotie“, „Genotyp“.
Der mährisch-österreichische Gregor Mendel stammte aus kleinbäuerlichen Verhältnissen, musste aus finanzieller Not ein Philosophiestudium abbrechen und trat in den Augustiner-Orden ein. Dort wurden ihm ein Theologiestudium ermöglicht, aber auch botanische und physikalische Studien an der Universität Wien. Er wurde Abt in Brünn und nahm staatliche Funktionen im Auftrag des Kaisers wahr.
Sein besonderes Interesse galt der Vererbung von Eigenschaften bei der zweigeschlechtlichen Vermehrung. Sicher war es allgemein nicht neu, dass Eigenschaften von Vorfahren sich bei den Nachfahren wiederfinden, sei es bei Pflanzen, Tieren oder Menschen. Jedoch geschah dies in bislang nicht durchschaubarer Weise scheinbar zufällig. Zufall liegt jedoch im Allgemeinen, d.h. außer in der Quantentheorie, für einen Betrachter dann vor, wenn ihm Informationen zu den genauen Abläufen eines Ereignisses fehlen. In diesen Fällen können dennoch die möglichen Ausgänge eines Ereignisses vielfach in Form von Wahrscheinlichkeiten angegeben werden. So weiß man wegen der Symmetrieeigenschaften eines Würfels, dass jedes der möglichen Ergebnisse beim Wurf die gleiche Wahrscheinlichkeit 1/6 hat. Die Wahrscheinlichkeiten für die Ergebnisse 1 bis 6 lassen sich jedoch auch statistisch ermitteln, indem man den Würfel sehr oft wirft und dann feststellt, mit welcher relativen Häufigkeit die einzelnen Ergebnisse vorkamen. Die Statistik ist besonders dann von Wert, wenn Wahrscheinlichkeiten durch andere Überlegungen nicht gewonnen werden können, z.B. weil ein Würfel gezinkt ist. Das überragende Verdienst Mendels bestand nun darin, dass er erstmalig die scheinbar zufälligen Ergebnisse von Vererbung in großem Umfang statistisch untersuchte und die richtigen Schlüsse daraus zog.
Er kultivierte im Klostergarten schätzungsweise 28000 Erbsenpflanzen, führte 355 künstliche Befruchtungen daran durch und untersuchte 12980 Hybride (d.h. Ergebnisse von Kreuzungen verschiedener Pflanzen). Seine Erkenntnisse daraus bestätigte er danach durch Untersuchungen an zahlreichen weiteren Pflanzenarten. Der Begriff „Gen“ existierte zu Mendels Zeiten noch nicht, stattdessen postulierte er die hypothetische Existenz „materieller Elemente“, welche die einzelnen Erbfaktoren tragen. Diese Hypothese wurde dann sehr viel später durch die Genetik bestätigt und ermöglichte ihm eine schlüssige Erklärung seiner Versuchsergebnisse. Dabei ging er davon aus, dass jedes Individuum sowohl die Erbanlagen des Vaters als auch die der Mutter in sich trägt. Dabei werden bei Pflanzen die Erbanlagen des Vaters in Form des Blütenstaubs übertragen, der den sogenannten Stempel in der weiblichen Blüte befruchtet, der die Erbanlagen der Mutter enthält und aus dem dann der Samen und damit die neue Pflanze entsteht. Die von Mendel gefundenen drei Regeln machen nun weitgehende Aussagen darüber, in welcher Weise die im Individuum vorhandenen Erbanlagen von Vater und Mutter die Eigenschaften des Individuums bestimmen. Die Erbanlagen bezeichnet man heute als den Genotyp, die aus dem Genotyp realisierten Eigenschaften als den Phänotyp. Dabei ist stets im Auge zu behalten, dass der Genotyp bezüglich aller Gene paarig beschaffen ist, nämlich immer ein Gen des Vaters und eines der Muttern enthält. So kann bei Mendels Erbsenpflanzen der Vater z.B. dem Nachkommen auf dem Gen für die Blütenfarbe das Erbe „rot“ mitgegeben haben, die Mutter ein Gen mit dem Erbe „weiß“. Beim Nachkommen kann nun das im Genotyp enthaltene „rot und weiß“ dazu führen, dass er als Phänotyp zufällig rote Blüten hat, oder zufällig weiße Blüten, oder zufällig mit rosa eine Mischung aus beidem. Mendels Experimente führten zu dem Ergebnis, dass das Vorkommen der einzelnen Phänotypen in den Nachfolgegenerationen von Vater und Mutter statistisch mit bestimmten relativen Häufigkeiten erfolgt. Für eine schlüssige Erklärung postulierte Mendel dann noch zusätzlich, dass die im Genotyp vorhandenen Erbanlagen entweder wahlweise dominant oder rezessiv sein können, oder aber intermediär, d.h. gleichberechtigt hinsichtlich der Ausprägung des Phänotyps. Trägt z.B. das vom Vater geerbte Gen für die Blütenfarbe die Ausprägung (das Allel) „dominant rot“, das Gen der Mutter das Allel „rezessiv weiß“, so hat der Nachkomme im Phänotyp die Blütenfarbe „rot“. Werden jedoch die beiden Farben intermediär vererbt, so kommen auch Mischungen der beiden Farben, also der Phänotyp „rosa“ vor. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass sowohl der Genotyp des Vaters als auch der der Mutter jeweils selbst wieder paarig sind, wobei bei der Vererbung an den Nachkommen dann aus dem jeweiligen Paar mit gleicher Wahrscheinlichkeit nur einer der beiden Teile an den Nachkommen weitergegeben wird. Zum Beispiel werden aus dem Bestandteil (r,w) des Genotyps des Vaters und dem Bestandteil (r,w) des Genotyps der Mutter an die Nachkommen zufällig, aber mit gleicher Wahrscheinlichkeit wahlweise die Bestandteile (r,r), (r,w), (w,r) oder (w,w) weitergegeben. Dabei werden (r,r) und (w,w) als reinerbig bezeichnet, (r,w) und (w,r) als mischerbig. Aus den Bestandteilen (r,r) und (r,w) der Eltern werden mit gleicher Wahrscheinlichkeit die Bestandteile (r,r), (r,w), (r,r) oder (r,w) an die Nachkommen weitergegeben. Aus den Bestandteilen (r,r) und (w,w) der Eltern werden mit gleicher Wahrscheinlichkeit die Bestandteile (r,w), (r,w), (r,w) oder (r,w) weitergegeben. Die jeweils zugehörigen Phänotypen ergeben sich dann aus der Art des Erbgangs: dominant und rezessiv oder intermediär.
Betrachtet man die Entwicklung der Genotypen über viele Generationen hinweg, so ergibt sich nach den Mendelschen Regeln z.B., dass bei fortlaufender Einkreuzung mischerbiger Genotypen die ursprünglichen reinerbigen Genotypen relativ zum Umfang der Population immer seltener werden, dafür aber am Anfang nicht vorhandene neue reinerbige Genotypen auftreten. Am Beispiel der Erbsen heißt das, dass aus den beiden Ahnen mit den Genotypen (r,r) und (r,w) durch fortlaufende Einkreuzung des Genotyps (r,w) bei jeder Nachfolgegeneration die relative Häufigkeit des Genotyps (r,r) sinkt, gleichzeitig aber der am Anfang nicht vorhandene Genotyp (w,w) relativ immer häufiger wird. Nach vielen Generationen stellt sich eine konstante Verteilung ein, bei der die reinerbigen Genotypen (r,r) und (w,w) jeweils zu einem Viertel vorkommen, der mischerbige Typ (r,w) zur Hälfte. Kreuzt man jedoch bei der Ahnengeneration mit (r,r) und (r,w) fortlaufend den reinerbigen Genotyp (r,r) ein, so wird dieser nach wenigen Generationen alleinig übrigbleiben und die Ausprägung „w“ des Gens vollständig verschwinden.
Insgesamt ist nun die Frage nach der Wahrscheinlichkeit für das Vorkommen der möglichen Genotypen und Phänotypen bei den Nachkommen einer bestimmten genotypischen Ausprägung der Eltern letztendlich durch kombinatorische Überlegungen im Rahmen der Wahrscheinlichkeitsrechnung zu beantworten. Da jedoch zu Mendels Zeiten die Existenz der Gene (also der „materiellen Elemente“, die Erbinformationen tragen) sowie die Annahmen von dominanter und rezessiver oder intermediärer Vererbung wenn auch geniale, aber doch rein hypothetische Annahmen darstellten, waren die umfangreichen praktischen Experimente letztendlich erst der Beweis für die Tragfähigkeit seines Vererbungsmodells. Es tut seiner Leistung keinen Abbruch, dass bei genaueren Untersuchungen seiner Arbeit einige statistischen Ungenauigkeiten zu Tage traten und er für seine Arbeiten Pflanzen gewählt hatte, bei denen der Vererbungsmechanismus besonders einfach ist.
Tatsächlich ist es bei den Lebewesen meistens so, dass phänotypische Merkmale nicht nur durch ein Gen, sondern durch mehrere bestimmt werden. Entsprechend müssen hier die Mendelschen Regeln angepasst werden. Auch weitere Erkenntnisse der modernen Genetik, wie etwa das Phänomen der Genkoppelung, machen die Mechanismen der Vererbung erheblich komplexer, als es nach den ursprünglichen Mendelschen Regeln erscheint. Die Genkopplung tritt auf, weil die einzelnen Gene (beim Menschen ungefähr 22500) nicht einzeln und unabhängig voneinander materiell vorliegen, sondern beim Menschen auf 23 verschiedene Riesenmoleküle, die Chromosomen, verteilt vorliegen. In jeder Zelle seines Körpers hat der Mensch 46 Chromosomen, 23 vom Vater, 23 von der Mutter, die von hier aus den Phänotyp des Organismus bestimmen. Bei der Vererbung werden jedoch von einem Elternteil nur 23 Chromosomen an den Nachkommen weitergegeben, sonst würde sich die Chromosomenzahl ja ständig verdoppeln. Diese 23 entstehen aus den zuvor vorhandenen 46 Chromosomen durch zufällige Neukombination einzelner Blöcke aus den Chromosomen. Dadurch werden dann eben auch ganze Blöcke von Genen gleichzeitig vererbt und man hat die sogenannte Genkopplung. Natürlich geschieht die Neukombination so, dass alle 22500 Gene dabei auch erhalten bleiben. Bei all der hier noch bei Weitem nicht vollständig geschilderten Komplexität des Vererbungsmechanismus wurden schon die grundlegenden Mendelschen Regeln von seinen gebildeten und mit der Materie befassten Zeitgenossen weithin nicht verstanden, so dass ein nennenswerter Einfluss auf die Wissenschaft zunächst ausblieb. Erst ab 1900 wurde Mendels Werk wiederentdeckt und als revolutionär und grundlegend für die weitere Entwicklung der Wissenschaft erkannt. Die Mendelschen Regeln sind Grundlage und Ausgangspunkt der heute weit entwickelten Genetik.
Ideologisch interessant ist die Tatsache, dass in der Zeit des Stalinismus in der Sowjetunion die Erkenntnisse von Mendel, insbesondere sein Annahme „materieller Element“, welche die Erbanlagen tragen und weitergeben, als falsch gebrandmarkt wurden. Dies widersprach ja grundsätzlich der kommunistischen linken Ideologie, dass der Mensch allein durch Erziehung verändert werden könne. Der russische Agrarwissenschaftler Trofim Denissowitsch Lyssenko (*1898 †1976) behauptete sogar fälschlicherweise, Getreidesorten könnten sich durch günstige Umweltbedingungen dauerhaft so verändern, dass diese Veränderungen dann auch vererbt werden. Der berühmte Satz von Karl Marx „Es ist nicht das Bewusstsein der Menschen, das ihr Sein, sondern umgekehrt ihr gesellschaftliches Sein, das ihr Bewusstsein bestimmt“ postuliert ja, dass durch das gesellschaftlichen Sein, also die Umwelt, der Mensch mit seinem Bewusstsein geprägt wird. In einer Ideologie des Entweder-Oder hatten vererbte Eigenschaften von Menschen und daher auch für alle Lebewesen keinen Platz. Entsprechend wurde das Denkmal für Mendel in Brünn während der Sowjetzeit aus der Öffentlichkeit entfernt. Erst in den 1960-er Jahren begann wegen der wissenschaftlichen Fakten in der UdSSR ein Umdenken. Forschungsergebnisse von Lyssenko wurden als gefälscht entlarvt. Seine Behauptung, aus Weizen würde bei ungünstigen Witterungsverhältnissen Roggen erwies sich als blanker Unsinn. Ebenso beruhten seine angeblichen Erfolge bei der Kältebehandlung von Winterweizen, Knollen und Stecklingen sowie angebliche Erfolge bei der Erhöhung des Milchfettgehaltes auf Fälschungen. Die großflächige Anwendung seiner Methoden in den Landwirtschaften der Sowjetunion und Chinas führte zu Missernten und Hungersnöten. Dies wurde durch Sabotage erklärt und Kritiker wurden verfolgt. Der ihm widersprechende Genetiker Nikolai Wawilow wurde auf Betreiben Lyssenkos als englischer Spion zum Tode verurteilt. Er starb in einem Lager an Unterernährung. Lyssenko wurde von Stalin sieben Mal mit dem Leninorden ausgezeichnet. Erst 1962 wurde Lyssenko durch prominente russische Naturwissenschaftler wie Andrej Sacharow entlarvt und daraufhin von Chruschtschow entlassen. „Die biologischen Wissenschaften der Sowjetunion wurden nachhaltig geschädigt, so dass der Begriff Lyssenkoismus fortan als Schlagwort für Scharlatanerie und die Unterordnung wissenschaftlicher Erkenntnis unter die Wunschvorstellungen der Politik gebraucht wurde“.