Tytuł oryginału:

50 Genetics Ideas you Really Need to Know

Autor: Mark Henderson

First published in the UK by Quercus Publishing Plc

Copyright © Mark Henderson 2008

All rights reserved

II wydanie polskie:

Tłumaczenie i konsultacja Katarzyna Tońska

Redakcja Elżbieta Betlejewska

Projekt okładki i strony tytułowej Lidia Michalak

Korekta Elżbieta Betlejewska

Zdjęcie na okładce Tflex/Dreamstime

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Produkcja Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Monika Lipiec /Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2020

ISBN 978-83-01-21254-4

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2020 r., (wyd. II)

Warszawa 2020

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Wstęp

1. Teoria ewolucji

2. Prawa dziedziczenia

3. Geny i chromosomy

4. Genetyka ewolucji

5. Mutacja

6. Płeć

7. Geny, białka i DNA

8. Podwójna helisa

9. Złamać kod życia

10. Inżynieria genetyczna

11. Odczytanie genomu

12. Genom człowieka

13. Nauka z genomu

14. Determinizm genetyczny

15. Samolubne geny

16. Czysta karta

17. Do natury przez kulturę

18. Choroby genetyczne

19. Polowanie na geny

20. Rak

21. Superbakterie

22. Genetyka zachowania

23. Inteligencja

24. Rasa

25. Historia genetyczna

26. Genealogia genetyczna

27. Geny płci

28. Koniec mężczyzn?

29. Wojna płci

30. Homoseksualizm

31. Genetyczny odcisk palca

32. Uprawy modyfikowane genetycznie

33. Zwierzęta modyfikowane genetycznie

34. Evo-devo

35. Komórki macierzyste

36. Klonowanie

37. Klonowanie ludzi

38. Terapia genowa

39. Testy genetyczne

40. Medycyna na miarę

41. Dzieci na zamówienie

42. Nowe wspaniałe światy

43. Geny i ubezpieczenie

44. Patentowanie genów

45. Śmieciowy DNA

46. Zmienność liczby kopii

47. Epigenetyka

48. Rewolucja RNA

49. Sztuczne życie

50. Norma nie istnieje

Słowniczek

Przypisy

Wstęp

Przeżywamy obecnie istną rewolucję w naszym myśleniu o sobie samych. Od kiedy nasz gatunek ma zdolność do przeprowadzania złożonych procesów myślowych, zastanawialiśmy się, skąd pochodzimy, dlaczego zachowujemy się tak, a nie inaczej, w jaki sposób zachowuje się nasze ciało zarówno w chorobie, jak i w zdrowiu i dlaczego wydajemy się do siebie tak podobni, jednocześnie prezentując tak ogromną różnorodność i indywidualność. Filozofia i psychologia, biologia, medycyna i antropologia, nawet religia, wszystkie te dziedziny próbowały znaleźć odpowiedzi na te pytania, nie całkiem bezowocnie. Jednak do niedawna brakowało nam elementu układanki o fundamentalnym znaczeniu dla wszystkich dziedzin ludzkiej egzystencji – znajomości naszej informacji genetycznej.

Genetyka jest młodą dziedziną wiedzy. Minęło niespełna 70 lat, odkąd Crick i Watson odkryli „tajemnicę życia” – strukturę cząsteczki DNA, w której zapisana jest instrukcja działania i budowy komórki. Pierwszy, niekompletny jeszcze szkic genomu człowieka opublikowano dopiero w 2001 roku. I już ta raczkująca dziedzina wiedzy wpływa na sposób naszego pojmowania życia na Ziemi, a technologia genetyczna zmienia nasze życie.

Genetyka rzuciła nowe światło na naszą historię, dostarczając dowodów ewolucji i umożliwiając śledzenie, w jaki sposób pierwsi ludzie wyszli z Afryki i zaludnili świat. Dzięki niej powstały nowe narzędzia kryminalistyczne, które mogą skazywać winnych i oczyszczać z zarzutów niewinnych. Genetyka tłumaczy także, w jaki sposób nasza indywidualność jest wytworem jednocześnie natury i wychowania. Wstępujemy też obecnie w erę medycyny genetycznej, która kusi nas obietnicą leczenia dopasowanego do genetycznego profilu pacjenta, częściami zamiennymi hodowanymi z komórek macierzystych, terapią genową naprawiającą szkodliwe mutacje i testami pokazującymi ryzyko obciążenia chorobami dziedzicznymi, które można dzięki temu zmniejszyć.

Ogromne możliwości genetyki wzbudzają także silne obawy natury etycznej. Zagadnienia takie jak inżynieria genetyczna, klonowanie, dyskryminacja genetyczna i możliwość zaplanowania potomstwa często zdają się sugerować, że DNA nie oznacza kwasu deoksyrybonukleinowego, ale spór.

Oczywiście jesteśmy czymś więcej niż tylko zbiorem genów. Szybko uczymy się, że części naszego genomu, takie jak obszary do niedawna określane jako „śmieciowy DNA”, są także istotne, może nawet ważniejsze. W miarę jak lepiej rozumiemy genetykę, pogłębiamy naszą znajomość innych liczących się czynników – naszego stylu życia, naszego środowiska, naszych związków z innymi ludźmi.

Bez genetyki jednak patrzylibyśmy na życie tylko jednym okiem. Mamy szczęście żyć w czasach, gdy ludzkość wreszcie może spojrzeć przez oba.

1 Teoria ewolucji

Karol Darwin „Jest w takim spojrzeniu na życie jakieś dostojeństwo… że z tak prostego początku nieskończone formy najpiękniejsze i najcudowniejsze ewoluowały i wciąż ewoluują”.

LINIA CZASU

1802

William Paley (1743–1805) wykorzystuje „analogię zegarmistrza”, aby wysunąć argument za projektem

Jean-Baptiste Lamarck (1744–1829) przedstawia teorię dziedziczenia cech nabytych

1842

Karol Darwin (1809–1882) szkicuje teorię ewolucji w drodze doboru naturalnego w liście do Charlesa Lyella

1858

Prezentacja w Royal Society teorii doboru naturalnego przez Darwina i Alfreda Russela Wallace’a (1823–1913)

1859

Karol Darwin publikuje On the Origin of Species (pol. tłum. O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego, czyli o utrzymywaniu się doskonalszych ras istot organicznych w walce o byt Wacława Mayzka ukazało się w Warszawie w 1873 roku)

„Nic w biologii”, napisał genetyk Theodosius Dobzhansky „nie ma sensu, jeśli jest rozpatrywane w oderwaniu od ewolucji” [http://pl.wikipedia.org/wiki/Theodosius_Dobzansky]. Jest to prawda mająca szczególne znaczenie w dziedzinie, w której specjalistą jest jej autor. Choć Karol Darwin nie znał pojęcia genów i chromosomów, te pojęcia i wszystkie inne, które zostaną opisane w tej książce, mają swoje źródło w jego genialnym spojrzeniu na życie na Ziemi.

Teoria doboru naturalnego Darwina zakłada, że chociaż pojedyncze organizmy dziedziczą cechy po swoich rodzicach, to czynią to z niewielkimi i nieprzewidywalnymi odstępstwami. Zmiany, które zwiększają szanse na przetrwanie i wydanie na świat potomstwa, będą z czasem rozprzestrzeniać się w populacji, podczas gdy powodujące skutki negatywne stopniowo zanikną.

Jak to często bywa z rzeczywiście wielkimi ideami, ewolucja w drodze doboru naturalnego cechuje się piękną prostotą, która raz uchwycona, natychmiast zniewala. Gdy biolog Thomas Henry Huxley po raz pierwszy usłyszał tę hipotezę, zauważył „Cóż za bezbrzeżna głupota, że o tym nie pomyślałem!”. Z początku sceptyczny, stał się najgłośniejszym propagatorem ewolucji, zyskując przydomek „buldoga Darwina” (zob. ramka).

Argument za projektem Całe wieki przed Darwinem filozofowie przyrody pragnęli wyjaśnić niezwykłą różnorodność życia na Ziemi. Tradycyjny pogląd zakładał oczywiście działanie sił ponadnaturalnych: życie, w całym swym bogactwie, zostało stworzone przez Boga, a cechy dopasowujące organizmy do ich niszy ekologicznej były wynikiem wielkiego planu Stwórcy. Ten „argument za projektem” sięga czasów rzymskiego mówcy Cycerona, ale najchętniej jest wiązany z Williamem Paleyem, angielskim duchownym. W rozprawie z 1802 roku Paley porównał złożoność życia do zegarka znalezionego na wrzosowisku, którego obecność z góry zakłada istnienie zegarmistrza. Taki sposób myślenia szybko stał się poglądem dominującym w nauce – nawet Darwin dał się zbałamucić tej idei w początkowych latach swej kariery.

Buldog Darwina

T.H. Huxley doczekał się przezwiska „buldog Darwina” w trakcie spotkania British Association for the Advancement of Science, gdy bronił teorii Darwina przed argumentami oponentów reprezentowanych przez Samuela Wilberforce’a, Biskupa Oksfordu. Choć nie istnieje słowny zapis, opowiada się, że Wilberforce zaczął kpić ze swego rywala, pytając, czy jego zdaniem pochodzi od małpy przez ojca, czy przez matkę. Huxley miał odpowiedzieć „Wolę pochodzić od małpy niż od kulturalnego człowieka, który wykorzystywał dar kultury i elokwencji w służbie uprzedzeń i kłamstwa”.

Co było już oczywiste dla osiemnastowiecznego filozofa Davida Hume’a, argument za projektem sam nasuwa pytanie: kto zaprojektował projektanta? Brak oczywistego naturalistycznego wytłumaczenia jakiegoś zjawiska jest kiepskim powodem zaprzestania poszukiwań. Ci, którzy to czynią, od Paleya do współczesnych kreacjonistów, zwolenników „inteligentnego projektu”, w zasadzie mówią: „Nie rozumiem, więc to musi być dzieło Boga”. Taki sposób myślenia nie zastąpi nauki.

Cechy nabyte Podczas gdy Paley postulował istnienie zegarmistrza, Jean-Baptiste Lamarck pokazał intelektualnie ciekawsze podejście do problemu. Organizmy – zasugerował – pochodzą jeden od drugiego, a w każdym pokoleniu pojawiają się subtelne modyfikacje, które je od siebie różnią. Była to pierwsza teoria ewolucji.

Napędem ewolucji dla Lamarcka było dziedziczenie cech nabytych: zmiany anatomiczne wywołane przez środowisko byłyby przekazywane potomstwu. Syn kowala odziedziczyłby silne mięśnie, które jego ojciec wyćwiczył w kuźni. Żyrafy wyciągają szyje, by dosięgnąć wyższych gałęzi, przedłużając tym samym szyje kolejnych pokoleń młodych.

Obecnie teoria ta jest często wyśmiewana z powodu jej wskrzeszenia w latach 30. dwudziestego wieku przez ulubionego biologa Stalina Trofima Łysenkę. Jego upór, że pszenicę można przystosować do przeżywania mrozów, kosztował śmierć głodową milionów ludzi w Związku Radzieckim. Idee Lamarcka są nawet określane jako herezje. Jednak, choć mylił się w szczegółach ewolucji, jego myślenie w wielu aspektach było rozsądne. Prawidłowo założył, że cechy biologiczne są dziedziczone – spostrzeżenie niezwykłej wagi. Mylił się jedynie w kwestii sposobu.

O pochodzeniu gatunków Prawdziwy sposób wkrótce został wyjaśniony przez Darwina. Na początku lat 30. dziewiętnastego wieku wziął on udział w morskiej wyprawie statku badawczego HMS Beagle jako przyrodnik i „osoba do towarzystwa” dla kapitana Roberta FitzRoya. Wyprawa ta umożliwiła Darwinowi poczynienie szczegółowych obserwacji flory i fauny Ameryki Południowej. Szczególnie zainspirowały go Wyspy Galapagos na zachód od Ekwadoru, które były zamieszkane przez nieco różniące się gatunki zięb. Podobieństwa i różnice między nimi nasunęły mu myśl, że te gatunki są ze sobą spokrewnione i z upływem czasu przystosowały się do warunków panujących na każdej z wysp.

W tym punkcie myślenie Darwina w niewielkim stopniu różniło się od myślenia Lamarcka. Tym, co odróżniało jego hipotezę, był mechanizm. Ekonomista Robert Malthus (1766–1834) opisał, jak populacje, których liczebność rośnie, będą współzawodniczyć o zasoby, i teraz Darwin zastosował tę zasadę do biologii. Losowe zmiany, które pomagały organizmowi we współzawodnictwie o pożywienie i partnerów seksualnych, pomogą mu przetrwać i przekazać te cechy potomstwu. Zmiany o wpływie negatywnym znikną jednak z czasem wraz z ich nosicielami przegrywającymi konkurencję z osobnikami lepiej przystosowanymi do otaczającego środowiska. Zmiany nie były wywoływane przez środowisko, ale przez nie selekcjonowane.

Tylko teoria

Kreacjoniści lubią lekceważąco określać ewolucję jako „tylko teorię”, jakby to stawiało ich poglądy na tym samym poziomie naukowym. Odzwierciedla to podstawowe niezrozumienie nauki, która nie wykorzystuje terminu „teoria” w potocznym jego rozumieniu. Raczej oznacza on hipotezę potwierdzoną wszystkimi dostępnymi danymi. Ewolucja z nawiązką spełnia te kryteria – wspierają ją dowody genetyczne, paleontologiczne, anatomiczne, zoologiczne, botaniczne, embriologiczne i z wielu innych dziedzin. Jeśli teoria byłaby błędna, trzeba by zrewidować niemal wszystko, co wiemy o biologii. To jest tak jak z teorią grawitacji – nie jest to idea, którą możemy przyjąć lub nie, ale najlepsze obecnie dostępne wyjaśnienie obserwowanego zestawu faktów.

Implikacje takiego doboru naturalnego były brutalne. Działał bez celu, nie przywiązując wagi do ludzkiego życia. Znaczenie miało, jak to w swym sławnym stwierdzeniu ujął Herbert Spencer, „przetrwanie najlepiej przystosowanych”.

Po raz pierwszy Darwin naszkicował swoje idee już w roku 1842, ale nie opublikował ich przez kolejne 17 lat, obawiając się szyderstw, które spadały na rozprawy takie jak Vestiges of the Natural History of Creation, broszurę z 1844 r., głoszącą, że jedne gatunki mogą zmieniać się w nowe. Jednak w roku 1858, dwa lata po rozpoczęciu spisywania swej teorii, otrzymał list od Alfreda Russela Wallace’a, młodego przyrodnika, który poczynił podobne obserwacje. Po wspólnej z Wallace’em, prezentacji w Towarzystwie Linneuszowskim w Londynie, w roku 1859, Darwin wydał drukiem O powstawaniu gatunków.

‘Teoria ewolucji w drodze kumulacyjnego doboru naturalnego jest jedyną znaną nam teorią, która jest w stanie wyjaśnić istnienie tak zorganizowanej złożoności. ’

Richard Dawkins

Przyrodnicy duchowni, włączając dawnych nauczycieli Darna – Adama Sedgwicka i Johna Stevensa Henslowa – byli burzeni tą nową teorią. Kolejnym krytykiem był Robert FitzRoy, który poczuł się zdradzony przez starego przyjaciela, który jakoby nadużył jego uprzejmości, by promować poglądy bliskie ateizmowi. Jednak teoria Darwina spotkała się z uznaniem młodszego pokolenia intelektualistów, którzy docenili zarówno jej wagę, jak i użyteczność w podkopywaniu wpływowych grup naukowców, które były wciąż pod silnym wpływem Kościoła.

Teoria była wielokrotnie aktualizowana, także przez samego Darwina: w O pochodzeniu człowieka (1871) opisywał, jak preferencje przy wyborze partnera seksualnego mogą stanowić napęd ewolucji w taki sam sposób jak środowisko, dodając termin dobór płciowy do słownika naukowego. A główna zasada, że wszystkie gatunki są ze sobą spokrewnione i pochodzą jeden od drugiego poprzez losowe zmiany przekazywane z pokolenia na pokolenie, jeśli ułatwiają przetrwanie lub wydawanie potomstwa, stała się spoiwem wiążącym biologię. Jest także kamieniem węgielnym genetyki.

MYŚL W PIGUŁCE

Nowe gatunki powstają w drodze doboru naturalnego

2 Prawa dziedziczenia

William Castle: „Jednego z najwyżej notowanych wielkich odkryć w biologii, a w badaniu dziedziczenia prawdopodobnie największego dokonał Grzegorz Mendel, austriacki mnich, w przyklasztornym ogrodzie, jakieś czterdzieści lat temu”.

LINIA CZASU

1856

Grzegorz Mendel (1822–1884) rozpoczyna doświadczenia z krzyżowaniem groszku

1865

Mendel prezentuje prawa dziedziczenia w Natural History Society w Brünn

1900

Ponowne odkrycie praw Mendla przez Hugo de Vries, Carla Corrensa i Ericha von Tschermaka

Choć tak błyskotliwej, teorii Karola Darwina brakowało jeszcze rdzenia: nie było czynnika odpowiedzialnego za różnice osobnicze, które mogłyby być przekazywane z pokolenia na pokolenie. Sam Darwin był zwolennikiem „pangenezy” – teorii, według której cechy każdego z rodziców mieszają się ze sobą u potomstwa, ale mylił się, tak jak Lamarck mylił się w kwestii dziedziczenia cech nabytych. Gdyby tylko miał artykuł napisany przez współcześnie mu żyjącego morawskiego mnicha, Grzegorza Mendla…

W 1856, w tym samym roku, w którym Darwin rozpoczął pracę nad O powstawaniu gatunków, Mendel rozpoczął niezwykłą serię doświadczeń w swoim ogrodzie w austriackim klasztorze św. Tomasza w Brünn (obecnie Brno w Republice Czeskiej). Przez kolejne siedem lat wyhodował ponad 29 000 roślin groszku, uzyskując wyniki, które uczyniły go znanym – gdy wreszcie świat zwrócił na nie uwagę – jako twórcę nowoczesnej genetyki.

Eksperymenty Mendla Botanicy od dawna wiedzieli, że pewne rośliny stanowią „czyste linie” – to znaczy, ich cechy takie jak wzrost czy barwa są niezawodnie przekazywane następnym pokoleniom. Mendel wykorzystał to w swoich doświadczeniach nad różnorodnością przez wybranie siedmiu takich cech groszku, inaczej fenotypów, i krzyżował ze sobą rośliny mające te cechy, tworząc mieszańce. Na przykład, odmiany groszku, które zawsze dawały gładkie nasiona, krzyżował z odmianami o pomarszczonych nasionach, rośliny o kwiatach czerwonych z białymi, rośliny o wysokich łodygach z tymi o krótkich. W następnym pokoleniu, w genetyce określanym jako F_1, tylko jedna z cech zostawała – potomstwo miało zawsze nasiona gładkie, czerwone kwiaty lub długie łodygi. Cechy rodzicielskie nie mieszały się, jak sugerowała pangeneza, ale jedna z nich niezmiennie zdawała się dominować.

Mendelian Inheritance in Man

Online Mendelian Inheritance in Man (OMiM) jest bazą danych obejmującą ponad 15 000 ludzkich genów, których mutacje dziedziczą się zgodnie z prawami Mendla i mają allele recesywne i dominujące. Spośród nich ponad 4 000 różnych genów powiązano ze specyficznym fenotypem, włączając choroby takie jak Huntingtona czy Taya–Sachsa i więcej neutralnych cech takich jak kolor oczu. Wiadomo, że kilka tysięcy innych fenotypów dziedziczy się zgodnie z prawami Mendla, ale odpowiedzialne za nie części genomu jeszcze trzeba zidentyfikować lub zmapować. Około 1% noworodków jest obarczonych chorobami mendlowskimi, które wynikają z różnic sekwencji jednego genu.

Następnie Mendel każdego mieszańca wykorzystał do zapłodnienia samego siebie. W takim pokoleniu F_2 cecha, która zdawała się zaniknąć, niespodziewanie powracała. Około 75% groszków miało gładkie nasiona, a pozostałe 25% okazywało się pomarszczone. We wszystkich siedmiu próbach uzyskał taki sam stosunek 3:1.

Jego wyniki były tak precyzyjne, że późniejsi badacze podejrzewali oszustwo. Prawa, które odkrył, są obecnie bardzo dobrze sprawdzone, ale jest całkiem możliwe, że Mendel dość wcześnie wyciągnął wnioski z uzyskanego stosunku i zaprzestawał doświadczeń właśnie wtedy, gdy liczby dawały ładne, dobrze pasujące sumy.

Jak zauważył Mendel, za zjawisko to odpowiedzialne było to, że te fenotypy były przenoszone przez pary „czynników” – obecnie nazwiemy je genami – z których niektóre były dominujące, a niektóre recesywne. Rośliny rodzicielskie stanowiły czystą linię, ponieważ zawierały dwa dominujące geny dla nasion gładkich lub dwa recesywne geny dla pomarszczonych – przekładając to na język genetyki, były homozygotyczne. Gdy je skrzyżowano, potomstwo było heterozygotyczne – odziedziczyło po jednym genie każdego rodzaju. Zwyciężył gen dominujący, w związku z czym wszystkie nasiona były gładkie.

W pokoleniu F_2 były trzy możliwości. Średnio jedna czwarta roślin będzie miała dwa geny gładkich nasion, a zatem nasiona gładkie. Połowa będzie miała jeden gen każdego rodzaju, wytwarzając gładkie nasiona, ponieważ ten gen był dominujący. A kolejna jedna czwarta odziedziczy dwa geny nasion pomarszczonych, wytwarzając pomarszczone nasiona: fenotyp kształtowany przez takie geny recesywne może się ujawnić tylko wtedy, gdy nie ma genu dominującego.

Prawa Mendla Mendel wykorzystał uzyskane wyniki do naszkicowania dwóch ogólnych praw dziedziczenia (w celu uniknięcia zamieszania, zastosujemy język nowoczesnej genetyki, a nie jego własny). Pierwsza zasada, prawo segregacji mówi, że geny są obecne w kilku różnych wariantach zwanych allelami, które wpływają na fenotyp taki jak kształt nasion (lub kolor oczu u ludzi). Dwa allele odpowiedzialne za każdą cechę fenotypową są dziedziczone, po jednym od każdego z rodziców. Jeśli odziedziczone zostają różne allele, jeden jest dominujący i wyrażany, podczas gdy drugi jest recesywny i milczący.

Skomplikowana dominacja

Nie wszystkie cechy, którymi zawiadują pojedyncze geny, spełniają odkryty przez Mendla sposób dziedziczenia. Niektóre geny wykazują niepełną dominację, co oznacza, że u organizmu heterozygotycznego, z jedną kopią każdego allelu, uzyskuje się fenotyp pośredni. Goździki o dwóch allelach kodujących kolor czerwony są czerwone, o dwóch allelach białych – białe, a po jednym każdego koloru są różowe. Geny mogą także kodominować, co oznacza, że homozygota wykazuje obie cechy. Podobnie powstają grupy krwi u człowieka: allel 0 jest recesywny, ale allele A i B są kodominujące. Zatem oba allele A i B są dominujące względem 0, ale osoba, która odziedziczy jeden allel A i jeden B, będzie mieć grupę krwi oznaczoną jako AB.

Jego drugą zasadą było prawo niezależnego przekazywania: sposób przekazywania jednej cechy nie wpływa na sposób przekazywania innej. Geny kodujące kształt nasion są oddzielone od kodujących kolor nasion i nie będą w żaden sposób zaburzać ich dziedziczenia. Każda cecha mendlowska będzie się dziedziczyć w stosunku 3:1, zgodnie ze wzorem dominacji dla tego genu.

Żadne z praw Mendla nie jest w pełni poprawne. Pewne fenotypy są ze sobą sprzężone i często dziedziczą się wspólnie – jak niebieskie oczy jasne włosy u Islandczyków – i nie wszystkie cechy wykazują prosty wzór dominacji zaobserwowany u groszku. Ale było to dobre pierwsze podejście. Geny położone na różnych chromosomach rzeczywiście dziedziczą się niezależnie zgodnie z drugim prawem i jest mnóstwo chorób, które pasują do pierwszego. Są one znane jako zaburzenia mendlowskie – schorzenia akie jak choroba Huntingtona, która zawsze ujawnia się u osób, które mają jedną kopię dominującego zmutowanego genu, czy mukowiscydoza, powodowana przez mutację recesywną, groźna jedynie gdy odziedziczone zostają dwie kopie, po jednej od każdego z rodziców.

‘Mendelizm dostarczył brakujących części budowli wzniesionej przez Darwina. ’

Ronald Fisher

Odrzucenie, obojętność i ponowne odkrycie Mendel przedstawił swój artykuł Towarzystwu Historii Naturalnej w Brünn w roku 1865, a opublikował rok później. Lecz o ile prace Darwina były sensacją, o tyle Mendel był rzadko czytany, a ci, którzy przeczytali, nie docenili wagi jego odkryć. Co ciekawe, artykuł ukazał się w tomie, w którym Darwin komentował artykuł poprzedzający i po nim następujący, ale pominął pracę, która spinała jego własną teorię. W roku 1868 Mendel został opatem i przerwał swoje badania, choć miał świadomość ich znaczenia. Mówi się, że krótko przed śmiercią w 1884 roku zauważył „Moja praca naukowa przyniosła mi sporo satysfakcji i jestem przekonany, że zostanie doceniona w niedługim czasie przez cały świat”.

Miał rację. W XX wieku Hugo de Vries, Carl Correns i Erich von Tschermak, niezależnie od siebie, stworzyli podobne do Mendla teorie dziedziczenia i przyznali pierwszeństwo mnichowi. Narodziła się wtedy nowa dziedzina wiedzy.

MYŚL W PIGUŁCE

Geny mogą być dominujące lub recesywne

3 Geny i chromosomy

C.H. Waddington: „W swojej teorii chromosomowej Morgan błysnął wyobraźnią porównywalną z Galileuszem czy Newtonem”.

LINIA CZASU

Lata 40. XIX w.

Odkrycie chromosomów

1902

Theodor Boveri (1862–1915) i William Sutton (1877–1916) sugerują, że chromosomy mogą zawierać materiał genetyczny

1910

T.H. Morgan (1866–1945) dowodzi chromosomowych podstaw dziedziczenia

Gdy T.H. Morgan (1866–1945) rozpoczynał doświadczenia z muszkami owocowymi w 1908 roku, nie akceptował ani Darwina, ani Mendla. Wprawdzie był przekonany, że musiała istnieć jakaś forma ewolucji biologicznej, wątpił jednak w dobór naturalny i dziedziczenie mendlowskie jako jego sposób działania. Jednak wyniki, które uzyskał, przekonały go, że obie teorie w rzeczywistości były poprawne i odkrył strukturę komórkową, pozwalającą na przenoszenie cech z pokolenia na pokolenie.

Morgan udowodnił nie tylko, że fenotypy dziedziczą się w sposób zaproponowany przez Mendla, ale także, że jednostki dziedziczenia znajdują się na chromosomach. Te struktury w jądrze komórkowym, których człowiek ma 23 pary, po raz pierwszy odkryto w roku 1840, ale ich funkcja pozostała tajemnicą. W roku 1902 biolog Theodor Boveri i genetyk Walter Sutton niezależnie zasugerowali, że chromosomy mogą zawierać materiał dziedziczny, co wywołało spór. Choć Morgan był wśród sceptyków, jego muszki owocowe stały się koronnym argumentem zwolenników. Dostarczyły fizycznych dowodów cementujących rewolucję mendlowską.

Dziedzina, która powstała w wyniku tych badań, teraz zyskała imię. Mendel nazwał kody szlaków dziedziczenia „czynnikami”, ale w roku 1889 Hugo de Vries, zanim jeszcze odegrał rolę w ponownym odkryciu prac mnicha, użył określenia „pangen”, aby opisać „najmniejszą cząstkę jednej cechy dziedzicznej”. W roku 1909 Wilhelm Johannsen stworzył bardziej elegancką formę – gen – wraz z terminem „genotyp” na określenie genetycznej zawartości organizmu i „fenotyp” do podkreślenia cech, które geny wytwarzają. William Bateson, biolog angielski, połączył to wszystko w nową naukę – genetykę.

Nici życia Jak obecnie wiemy, chromosomy są nićmi składającymi się z chromatyny – kombinacji DNA i białek – która znajduje się w jądrze komórki i zawiera znaczącą większość jej informacji genetycznej (niewielka ilość mieści się gdzie indziej – w mitochondriach i chloroplastach). Zwykle przedstawia się je jako pałki sczepione w środku, ale w rzeczywistości taką postać przyjmują jedynie podczas podziału komórki. Przez większość czasu są długimi, luźnymi wstążkami. Geny są jakby barwnymi plamami na nich.

Zaburzenia chromosomowe

Choroby genetyczne nie zawsze są powodowane przez mutacje specyficznych genów; mogą także być powodowane przez zaburzenia chromosomowe, na przykład aneuploidie. Jednym z przykładów jest zespół Downa, powodowany przez odziedziczenie trzech kopii chromosomu 21 zamiast zwykłych dwóch. Ten dodatkowy chromosom prowadzi do trudności w uczeniu się, zwiększonego ryzyka chorób serca i wczesnej demencji. Aneuploidie innych chromosomów są niemal zawsze śmiertelne jeszcze w łonie matki. Są często odpowiedzialne za poronienia i niepłodność, ale istnieje możliwość zbadania zarodków uzyskanych metodą zapłodnienia in vitro (IVF, in vitro fertilization) pod kątem tego zaburzenia, aby zwiększyć szanse pary na udaną ciążę.

Liczba chromosomów jest różna dla różnych organizmów i prawie niezmiennie są one połączone w pary: osobnik dziedziczy po jednej kopii od matki i jednej od ojca. Jedynie w komórkach rozrodczych zwanych gametami – u zwierząt komórką jajową i plemnikiem – obecny jest tylko jeden zestaw. Zwykle tworzące pary chromosomy są zwane autosomami (człowiek ma ich 22 pary), a większość zwierząt ma także chromosomy płci, które mogą różnić się między samcami i samicami. U ludzi osoba, która odziedziczy dwa chromosomy X, jest kobietą, a ta, która ma jeden X i jeden Y – mężczyzną.

Ludzie i inne zwierzęta

Ludzie mają 23 pary chromosomów – 22 autosomy i chromosomy płci X i Y. Do roku 1955 jednak powszechnie zgadzano się, że mamy 24 pary, podobnie jak nasi najbliżsi zwierzęcy krewni, szympansy i inne wielkie małpy. Pogląd ten obalono, gdy Albert Levan i Joe-Hin Tjio wykorzystali nowe techniki mikroskopowe do uwidocznienia 23 par. Dokładniejsze badania ludzkiego chromosomu 2 pokazują, że powstał on w wyniku fuzji dwóch mniejszych chromosomów, które wciąż są obecne u szympansów. Było to jedno z wydarzeń, które uczyniły z nas ludzi.

W latach 80. XIX wieku odkrycie barwników umożliwiających wybarwienie chromatyny pozwoliło embriologowi i cytologowi Edouardowi van Bendenowi zaobserwować, że chromosomy matczyne i ojcowskie są od siebie oddzielane przy podziale komórki – odkrycie to doprowadziło Boveriego i Suttona do wniosku, że odgrywają one rolę w dziedziczeniu mendlowskim. Jeśli geny były położone na oddzielnych chromosomach pochodzących od każdego z rodziców, to mogło to wyjaśniać, w jaki sposób cechy recesywne mogły przetrwać i ponownie pojawiać się w późniejszych pokoleniach.

‘ Odkrycia Morgana dotyczące genów i ich miejsca na chromosomach pomogły przekształcić biologię w naukę eksperymentalną. ’

Eric Kandel

Mucha Prawdziwość teorii Boveriego i Suttona udowodnił ich największy krytyk – Morgan. Jego narzędziem była skromna muszka owocowa Drosophila melanogaster (pol. wywilżna karłowata), której nazwa łańska oznacza „czarnobrzucha miłośniczka rosy”. Samice mogą złożyć nawet 800 jaj dziennie, a ich krótki cykl reprodukcyjny, pozwalający na uzyskanie nowego pokolenia co dwa tygodnie, umożliwił laboratorium Morgana na skrzyżowanie milionów tych owadów w celu przebadania wzorów dziedziczenia.

Drosophila zwykle ma czerwone oczy, ale w roku 1910 Morgan znalazł pojedynczego, białookiego samca. Gdy skrzyżował mutanta ze zwykłą czerwonooką samicą, ich potomstwo (pokolenie F_1) całe było czerwonookie. Te muchy skrzyżowano ze sobą, aby uzyskać pokolenie F_2, w którym ponownie pojawiły się mendlowskie cechy recesywne. Fenotyp białych oczu powrócił, ale tylko u około połowy samców i u żadnej samicy. Ten wynik sugerował związek z płcią.

U ludzi płeć jest determinowana przez chromosomy X i Y – kobiety mają zestaw XX, a mężczyźni XY. Ponieważ chromosom X wpływa na płeć u much w podobny sposób, Morgan zrozumiał, że jego wyniki można wyjaśnić, jeśli zmutowany gen, który zmieniał oczy na białe, był recesywny i przenoszony na chromosomie X.

W pokoleniu F_1 wszystkie muchy miały czerwone oczy, ponieważ odziedziczyły chromosom X od czerwonookiej samicy, więc miały dominujący gen czerwonych oczu. Wszystkie samice były nosicielkami genu recesywnego, który się nie ujawniał. Żaden z samców go nie miał.

W pokoleniu F_2 wszystkie samice były czerwonookie, gdyż otrzymały chromosom X z genem dominującym od czerwonookiego ojca – nawet jeśli ich matki były nosicielkami i przekazały zmutowany chromosom X, nie będą miały białych oczu, bo ce cha jest recesywna. Jednakże pośród samców F_2 połowa, która otrzymała zmutowany chromosom X od matek, była białooka: nie miała drugiego chromosomu X, który usunąłby efekt genu recesywnego.

Morgan trafił na bardzo istotną zasadę. Wiele chorób człowieka, takich jak hemofilia czy dystrofia mięśniowa Duchenne’a, przekazywanych jest zgodnie z takim wzorem, zwanym sprzężeniem z płcią: niecne, odpowiedzialne za chorobę geny leżą na chromosomie X, zatem choroba rozwija się niemal wyłącznie u mężczyzn. Dzieje się tak w przypadku cech warunkowanych przez allel recesywny. Gdy cecha jest dominująca sprzężona z płcią, choruje więcej kobiet niż mężczyzn.

Sprzężenie genetyczne Podczas dalszych badań nad Drosophila Morgan i jego zespół znaleźli dziesiątki cech, które zdawały się być przenoszone na chromosomach. Najłatwiejsze do wychwycenia były mutacje sprzężone z płcią, ale wkrótce możliwe było także zmapowanie genów na autosomach. Geny leżące na tym samym chromosomie zazwyczaj dziedziczyły się wspólnie. Badając, jak często pewne cechy muszki owocowej dziedziczą się wspólnie, „drosofiliści” Morgana potrafili pokazać, że konkretne geny leżą na tym samym chromosomie, a nawet obliczyć ich względną odległość od siebie. Im bliżej siebie były położone, tym bardziej prawdopodobne było, że zostaną przekazane wspólnie. Koncepcja ta, zwana sprzężeniem genetycznym, jest wciąż głównym narzędziem przy poszukiwaniu genów powodujących choroby.

Morgan mylił się w sprawie Mendla, w sprawie Boveriego i Suttona, a nawet mylił się w sprawie Darwina. Ale nie był uparty. Zamiast tego wykorzystał dane eksperymentalne do obalenia błędnego myślenia i udało mu się stworzyć podstawowe prawo. Jego nawrócenie jest idealną ilustracją jednej z największych sił nauki. W odróżnieniu od polityki, gdy fakty się zmieniają, w nauce zmiana poglądów jest całkiem w porządku.

MYŚL W PIGUŁCE

Geny znajdują się na chromosomach

4 Genetyka ewolucji

Ernst Mayr: „Nowe pule genowe powstają w każdym pokoleniu, a ewolucja zachodzi, ponieważ stworzone przez te pule osobniki odnoszą sukces i dają początek następnym pokoleniom”.

LINIA CZASU

1859

Darwin publikuje O pochodzeniu gatunków

1865

Mendel odkrywa prawa dziedziczenia

1910

Chromosomowe eksperymenty Morgana sugeruję, że te dwie teorie się uzupełniają

1924

J.B.S. Haldane (1892–1964) publikuje pracę o krępaku nabrzozaku

1930

Ronald Fisher (1890–1962) publikuje The Genetical Theory of Natural Selection

1942

Julian Huxley (1887–1975) publikuje pracę Evolution: The Modern Synthesis

Genetyka mendlowska jest obecnie akceptowana jako mechanizm, za pomocą którego zachodzi ewolucja darwinowska. Jednak w czasach ponownego odkrycia teorię Mendla niejednokrotnie uważano za niezgodną z darwinowską. Próby połączenia tych dwóch wielkich idei XIX-wiecznej biologii stały się głównym tematem badań genetycznych początku XX wieku, zarysowując zasady, których podstawy są akceptowane do dziś. Są one obecnie znane jako syntetyczna teoria ewolucji.

Wielu biologów, którzy zwalczali idee mendlowskie, myślało, że jego obraz oddzielnych genów zdaje się wykluczać stopniową ewolucją w drodze doboru naturalnego. Wydawało się, że dziedziczenie mendlowskie nie pozwala na wytworzenie wystarczająco dużej różnorodności dla powolnego procesu doboru potrzebnego do powstawania nowych gatunków. Za to „mutacjoniści” lub „saltationiści” sugerowali, że nagłe znaczne mutacje mogą popychać ewolucję skokowo do przodu.

Należący do konkurencyjnej szkoły biometrycy zgadzali się z Darwinem, że między osobnikami istniała stała różnorodność, ale wyciągali z tego wniosek, że Mendel się mylił. Sądzili, że cechy dziedziczne nie mogą wyjaśnić takiej różnorodności, jeśli informacja genetyczna jest zawarta w samodzielnych jednostkach, które ukryte przez wiele pokoleń mogą pojawić się w nienaruszonej postaci. Zdawało się, że między osobnikami tego samego gatunku jest zbyt wiele różnic, nie mówiąc już o różnych gatunkach, żeby oddzielne geny mogły je wszystkie wyjaśnić.

X-Men

Superbohaterowie komiksu i filmu X-Men mieli uzyskać swe niezwykłe zdolności, takie jak kontrola nad polem magnetycznym u Magneto czy zdolność Burzy do zmiany pogody, przez spontaniczne mutacje genetyczne. Jest to bardzo zabawne i zajmujące, ale naukowo niedorzeczne – i nie dlatego, że same zdolności są niewiarygodne. Opowieść popełnia grzech saltationizmu – wyobrażenia, że ewolucja czyni nagłe skoki, gdy osobniki przechodzą liczne mutacje umożliwiające im robienie nowych rzeczy. Genetycy populacji obalili tę błędną koncepcję na początku XX wieku: ewolucja w rzeczywistości zachodzi poprzez drobne mutacje, które mogą prowadzić do szybkiej zmiany, gdy zostaną poddane selekcji środowiskowej.

Odkrycia Thomasa H. Morgana dotyczące chromosomów zaczęły wyjaśniać, jak Darwin i Mendel mogli działać wspólnie. Jego muchy pokazywały, że same mutacje nie przyczyniają się do powstawania gatunków, ale raczej zwiększają różnorodność populacji, dostarczając puli osobników, o różnych genach, na którą może działać dobór naturalny. Uświadomiło to nowej generacji genetyków, że te dwie teorie mogą z powodzeniem zostać połączone. Aby zdobyć dowody, sięgnięto po nowe narzędzie, matematykę.

Genetyka populacyjna Dla zrozumienia, w jaki sposób dobór naturalny może działać w sposób mendlowski, zasadnicze było wzniesienie się ponad poziom pojedynczych osobników i genów. Udało się to dzięki dwóm istotnym spostrzeżeniom. Przede wszystkim angielski genetyk Ronald Fisher zauważył, że większość cech fenotypowych nie jest warunkowana przez pojedynczy gen w przejrzysty sposób obserwowany dla groszku Mendla, ale mają na nie wpływ kombinacje różnych genów.

Wykorzystał nowe narzędzia statystyczne, aby udowodnić, że taki sposób dziedziczenia może odpowiadać za ogromną różnorodność między osobnikami mierzoną przez biometryków, bez dyskwalifikacji praw Mendla.

Genetycy populacji stwierdzili także, że pojawienie się mutacji, które dają nowe warianty genetyczne, czyli allele, jest zaledwie początkiem procesu ewolucyjnego. Większe znaczenie ma to, w jaki sposób te allele rozprzestrzenią się w obrębie całych populacji. Bardzo duże mutacje, niezwykle ważne według saltationistów, mają niewielkie szanse na rozprzestrzenienie się: jeśli same nie są letalne, zwykle są tak istotne, że tworzą organizm nie pasujący do otaczającego go środowiska. Takie warianty mają mniejsze prawdopodobieństwo przetrwania i rozmnożenia się. Jednakże drobne mutacje, które okazują się korzystne, zaczną powoli dominować w puli genowej, gdyż ich posiadacze będą mieć więcej potomstwa.

Ćma krępak nabrzozak Najsłynniejszym przykładem jest krępak nabrzozak. Przed rewolucją przemysłową w Anglii owady te miały białe, nakrapiane ciała, co stanowiło adaptacyjny kamuflaż pozwalający im się ukryć na tle porostów na pniach drzew. W XIX wieku jednak zanieczyszczenia z młynów Manchesteru i innych ośrodków przemysłowych spowodowały przyczernienie lokalnych drzew i wyginięcie porostów.

Wśród krępaków występują osobniki o ciemnym zabarwieniu, które jest wynikiem mutacji w genie odpowiedzialnym za wytwarzanie barwnika – melaniny. Były one bardzo rzadkie w początku XIX wieku, stanowiąc mniej więcej 0,01% populacji: był to piękny przykład dużej mutacji, która obniżała fitness, gdyż czarna ćma była wyraźnie widoczna, zatem szybko zjadana przez ptaki. Do roku 1848 jednak czarnych było już 2% ciem w okolicach Manchesteru, a do 1895 – 95%. Zmiana środowiska, w którym obecnie dominowały drzewa pokryte sadzą, dała ciemnemu allelowi przewagę adaptacyjną.

Angielski genetyk, J.B.S. Haldane obliczył, że niemal całkowite przejęcie populacji ciem przez ciemny allel wymagałoby, żeby ze względu na swój kolor czarne owady miały szanse przetrwania i rozmnożenia się 1,5 raza większe. Od tamtych czasów matematycy wykazali, że liczebność nosicieli bardzo niewielkich zmian genetycznych tego typu może bardzo szybko się zwiększać, nawet gdy mają one tylko niewielki wpływ adaptacyjny. Dobór naturalny jest potężną maszyną napędzaną przez genetykę.

Specjacja

Jednym z triumfów syntetycznej teorii ewolucji było zrozumienie, w jaki sposób tworzą się nowe gatunki. Istnieją cztery główne mechanizmy, za pomocą których może się to zdarzyć, ale wszystkie one opierają się na częściowej lub całkowitej izolacji dwóch grup populacyjnych. Taka izolacja często jest spowodowana barierą geograficzną taką jak rzeka czy pasmo górskie, i uniemożliwiającą krzyżowanie się między sobą osobników z oddzielonych populacji. Gdy nastąpi izolacja grup, dryf genetyczny spowoduje, że z czasem staną się one coraz mniej do siebie podobne, nawet jeśli nie będzie żadnej presji selekcyjnej. Jeśli populacje te ponownie się spotkają, często będą już tak odmienne, że nie będą mogły się ze sobą krzyżować – stały się oddzielnymi gatunkami.

Dryf genetyczny Dobór naturalny nie jest jedyną metodą, za pomocą której zachodzi ewolucja. Geny mogą także dryfować. Zgodnie z mendlowskim prawem segregacji osobniki mają dwie kopie każdego genu i losowo przekazują po jednej potomstwu. W dużej populacji każdy allel będzie przekazywany kolejnym pokoleniom z częstością, z którą pierwotnie występował, zakładając, że nie działa żadna presja selekcyjna. Jednakże przypadkowość tego procesu oznacza, że mogą dziać się dziwne rzeczy, gdy populacje są małe. Losowe wariacje przy dziedziczeniu mogą spowodować, że jeden wariant genetyczny stanie się częstszy niż inny całkowicie bez udziału doboru naturalnego.

Wyobraźmy sobie gatunek ptaków, który ma dwa allele odpowiedzialne za długość dzioba: długi i krótki, i że wszyscy rodzice w populacji mają po jednej kopii każdego z nich. W dużej populacji każdy allel będzie występował z częstością około 50% w kolejnym pokoleniu, gdyż zaangażowane są w to wielkie liczby. Najbardziej prawdopodobny wynik to rozdział 50–50, jednak mała liczba osobników nie może tego zagwarantować. Jeden allel może zdominować potomstwo tylko dzięki ślepemu szczęściu. Biolodzy nazywają to „efektem założyciela” – pula genowa każdej nowej kolonii kształtowana jest przez losowe genotypy, które zdarzyło się mieć jej założycielom.

Koncepcja dryfu genetycznego wyjaśnia, w jaki sposób dziedziczenie mendlowskie może odpowiadać za różnorodność wewnątrz i międzygatunkową, bez konieczności nagłych skoków mutacyjnych. Nawet w przypadkach, gdy nie zachodzi dobór naturalny, nauka ma inny sposób, w który genetycy mogą wytłumaczyć ewolucję. Dowody, że mendelizm i darwinizm są zgodne, zaczęły dominować.

MYŚL W PIGUŁCE

Genetyka jest napędem ewolucji