J. G. Mendel, jeho hybridizační objevy a jejich význam 9 1 Úvod Popis významu hybridizační výzkumné práce, kterou provedl Johann Gregor Mendel, bude vždy do určité míry obsahovat subjektivní názor autora, případně autorů. Velké většině lidí je obecně známo, že poskytl svými hybridizačními objevy základy pro vznik vědního oboru Genetika, která se v posledních dekádách minulého a současného století rozvíjí velmi intenzivně. Zvláště poznatky molekulární genetiky a na ně navazující vědomosti genomiky, proteomiky a bioinformatiky se zvyšují téměř exponenciálním způsobem. Současné znalosti genetiky se dnes využívají ve značném počtu oborů lidské činnosti a je logickým předpokladem, že tomu bude i v průběhu tohoto i dalších století. Prohlubování vědomostí a nové objevy umožňují dnes jejich uplatnění v oborech, ve kterých to bylo dříve nemyslitelné. V současné době je to samozřejmostí v molekulární biologii, humánním a veterinárním lékařství, farmakologii, mikrobiologii, rostlinné a živočišné výrobě, potravinářském průmyslu, ve výrobě krmiv atd. Její znalosti pronikají rovněž do archeologie, forenzního soudnictví, kriminalistiky a výzkum hledá cesty jejího uplatnění do různých odvětví průmyslové výroby i těžby surovin a nerostů (ropa, plyn, zlato atd.) včetně dalších možností. Výzkumnou práci s hybridizací rostlin prováděl J. G. Mendel (1822 1884) v letech 1856 až 1863 a jeho objevy jsou obecně platné již téměř 145 let. Po znovuobjevení jeho práce na úseku hybridizace rostlin v roce 1900 byl přístup k jeho poznatkům různý. Vědní obor genetika vznikl v roce 1906, kdy jej takto pojmenoval britský vědec William Bateson (1861 1926). V třicátých letech minulého století a následujících existovala řada vědců a filozofů, kteří měli k Mendelovi a nově vzniklé genetice kritické výhrady. V průběhu těchto let vzniklo v bývalém Sovětském svazu (SSSR) tzv. Lysenkovo učení, které bylo postaveno na teorii dědičnosti získaných vlastností. 2 T. D. Lysenko (1892 1976) zaujal striktní protimendelovskou pozici. Mendelova teorie byla ztotožňována s tzv. buržoazní pavědeckou ideologií a protirevoluční obhajobou konzervatismu a reakcionismu (tedy proti so cia lis tic ké mu systému.) Tím vnesl Lysenko něco zcela nového do sporu mezi zastánce dědičnosti získaných vlastností a klasickou genetikou stojící na Mendelově teorii. Rovněž v bývalé Československé republice a v dalších zemích východního bloku bylo zdůrazňováno, že sovětští biologové vyvrátili Mendelovy zákony a považovali je za nevědecké. 3 Mnozí pracovníci genetiky té doby byli politicky pronásledováni jak v SSSR, tak i v jiných socialistických zemích, nemohli vědecky a pedagogicky pracovat a někteří byli rovněž vězněni; například J. Kříženecký (1896 1964) u nás a N. I. Vavilov v SSSR (1887 1942). V naší zemi trval tento vliv politiky na genetiku do roku 1965, kdy se v Brně konalo mezinárodní vědecké Mendelovo vzpomínkové sympozium, na kterém proběhla kritika těchto názorů za účasti více jak 450 našich a převážně zahraničních hostů. Výnosem vlády republiky č. 59/1966 došlo pak k postupné nápravě chyb z minulého období a ke zlepšení názorů ve vzdělávací a výzkumné činnosti na všech úsecích genetiky. Z hlediska nových vědomostí jsou Mendelovy objevy a poznatky postupně znovuobjevovány a upřesňovány, ale stále tvoří základní kameny současné genetiky.
10 Kuciel J., Urban T. S jeho objevitelskou prací však mohou vznikat různé otázky: Co vlastně učinil tak významného, že je všeobecně na celém světě považován za zakladatele vědního oboru Genetika? Většina lidí ztotožňuje jeho jméno se zákony dědičnosti. Vyslovil nebo definoval tyto zákony nebo pravidla? Co dalšího přinesly jeho objevy pro bio lo gii a lidské poznání? Tyto a další otázky byly v průběhu hodnocení Mendelovy výzkumné práce postupně studovány, i když odpovědi nebyly a nejsou vždy jednoznačné. Tato monografie má za cíl přispět k hledání odpovědí na tyto otázky svým výkladem tak, jak různí autoři pochopili význam jeho objevitelské práce na základě studia publikací, které popisují Mendelův život, jeho výzkumnou práci a hybridizační objevy, vysvětlit základní poznatky biologie a šlechtění v 18. a na začátku 19. století, zabývat se znalostmi hybridizace před Mendelovými objevy, popsat, jaký vliv na jeho práci mělo prostředí augustiniánského kláštera a Moravy, analyzovat, v čem jeho objevitelská práce byla geniální a zjistit, jak řešení otázek hybridizace rostlin přispělo k postupnému odhalování podstaty genetické informace a dalšímu lidskému poznání. V neposlední řadě bude cílem této monografie popsat platnost jeho poznatků a jejich význam pro současnou genetiku a všeobecné vědomosti laické i odborné veřejnosti. Součástí textu je i přiložené CD s interaktivně zpracovanými tématy Mendelova pokusu, které obrazem a animacemi zpřístupňují pochopení základních genetických principů klasické genetiky. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně má ve svém názvu jméno tohoto významného vědce. Univerzita se tímto činem zavázala podporovat a intenzivně rozvíjet genetický výzkum na svých pracovištích, předávat nejnovější genetické poznatky svým studentům a popularizovat je, včetně Mendelova vědeckého odkazu. Tato monografie byla připravena u příležitosti 90. výročí založení univerzity a měla by k plnění tohoto odkazu přispět. Brno, březen 2009 prof. Ing. Jiří Kuciel, CSc., doc. Ing. Tomáš Urban, Ph.D.
J. G. Mendel, jeho hybridizační objevy a jejich význam 11 2 Základní poznatky biologie v 18. a na začátku 19. století v současném pohledu O vědním oboru zabývajícím se organickou přírodou lze hovořit až na začátku 19. století zásluhou L. Okena (1779 1851), který spolu s dalšími německými a francouzskými přírodovědci navrhl jeho označení Biologie. 4 Tak vznikl samostatný vědní obor, oddělený od fyzikálního přístupu studia anorganické přírody. Jevy živé přírody byly do té doby většinou vysvětlovány pomocí fyziky a chemie a současným působením nadpřirozené síly. Fyziologové pomocí zdokonalené laboratorní techniky okolo roku 1840 objevili základní strukturní jednotku organizace živé hmoty buňku. Někteří fyzikové té doby, např. H. Helmholtz (1821 1894), již neviděli zásadní rozdíl mezi hmotou neživou a živou. R. J. Camerarius (1665 1721) vydal v roce 1694 ve formě dopisu adresovaného prof. Valentinovi v Giessenu spisek, který se stal klasickým. 5 De Sexu Plantarum Epistola obsahoval výsledky několika pokusů, ve kterých bylo bezpečně zjištěno, že semena se nevyvinou, není-li přenesen pyl na bliznu pestíkového květu. Zásluhou C. Linného (1707 1778) byl vypracován základ systematiky živé přírody. V jeho době byla věnována značná pozornost studiu pohlaví rostlin. Petrohradská akademie v roce 1759 zadala tuto otázku a vypsala na řešení této problematiky cenu. Linné ji skutečně získal v roce 1760 na základě přesných pokusů, ve kterých nepochybně dokázal správnost představy o tom, že tyčinky a pestíky jsou pohlavními orgány a pro vznik semen je nezbytné přenesení pylu na bliznu. Podle jejich počtu také založil celý svůj umělý systém rostlin. S potřebou vědeckého popisu a klasifikace rostlin vznikla myšlenka stálosti druhů pod heslem Tolik je druhů, kolik jich bylo od počátku stvořeno tvůrcem, což napsal Linné v polovině 18. století ve spise o neměnnosti druhů. Při vědeckém popisu rostlin a jejich klasifikaci se ukázalo, že příslušníci téhož druhu se navzájem mezi sebou odchylují od původního typu. Ve svých pracích popsal také záměrnou hybridizaci. Výsledky jeho pokusů v oblasti hybridizace však byly zpochybňovány vzhledem k tomu, že potomstvo hybridů štěpilo své znaky a neodpovídalo původnímu popisu. Jeho pokusy však byly opakovány přibližně za 180 roků a jejich věrohodnost byla potvrzena. V 18. století byla dále studována otázka reprodukce živých organismů a byly popisovány různé způsoby plození. Objevem mikroskopu A. van Leeuwenhoekem (1633 1723) v roce 1677 a jeho zdokonalením bylo možné popsat základní struktury rostlinných a živočišných buněk včetně jádra, které pojmenoval v roce 1831 R. Brown (1773 1857) názvem nukleus. Zásluhou jednoduchého mikroskopu bylo možné pozorovat vajíčka samic a spermie samců, včetně pylových zrn. Právě pokusy s umělým opylováním rostlin dokázaly, že vznik zárodku je dán podílem obou pohlaví. Později byly popsány základní struktury buňky. Pomocí mikroskopu zkoumal na konci 18. století J. B. Lamarck (1744 1829) vývoj organismů od nejnižších forem k vyšším. 6 Ve své knize Zoologická filozofie z roku 1809 dokazoval, že změna druhu je důsledkem postupného účelného přizpůsobování podmínkám vnějšího prostředí. U rostlin se jednalo o primární vliv působení vnějšího pro-
12 Kuciel J., Urban T. středí. U živočichů prostřednictvím užívání nebo neužívání určitého orgánu se tyto změny vývinu zesilují nebo zeslabují a přenášejí se do dalších generací. V jeho práci se objevuje správná myšlenka existence evolučního procesu, ale také nesprávná představa o účelné dědičné adaptaci, kterou primárně navozuje vnější prostředí. Toto bylo chybné pojetí evolučního procesu. Později podal Ch. R. Darwin (1809 1882) vědecký výklad vývoje všeho živého od forem nejnižších organismů až po člověka, spolu s R. A. Wallacem (1823 1913). Oba tito přírodovědci na svých cestách v různých částech světa vyslovili podobnou myšlenku, že proměnlivost organismů je dána cestou vzniku nových systematických jednotek a že rozdílné podmínky prostředí jsou rozhodujícím faktorem udržení a šíření těch organismů, které mají výhodné vlastnosti. 5 Darwin shromažďoval průkazný materiál ze svých cest po dobu 20 let a část rukopisu své teorie dal prostudovat svým přátelům již v roce 1844. Wallace pro svoji vývojovou teo rii použil získané poznatky ze svých cest malajským souostrovím a v roce 1858 dal rukopis své teorie k posouzení Darwinovi. Jeho teorie byla téměř shodná s teorií Darwina, který tento rukopis zamýšlel doporučit k publikaci. Darwin na nátlak svých přátel, kteří věděli, že již před patnácti lety byla podstatná část jeho teorie formulována, dokončil své dílo, které vyšlo v roce 1859 a způsobilo ve filozofii a přírodovědě takřka revoluci. Ve své knize O původu druhů přirozeným výběrem neboli zachování výhodných druhů v boji o život vyvrátil představu o stálosti druhů a jeho teorie vývoje organismů je do současnosti považována za základní princip evoluce. Darwin si ovšem nemohl nevšimnout jevů převládání některých vlastností při hybridizaci a štěpení v potomstvu hybridů. Ve své knize o původu druhů nevěnuje hybridizaci a problematice dědičného přenášení vlastností speciální pozornost, dědičnost prostě akceptuje jako nezbytný předpoklad zachování vlastností po generace. Avšak později, v knize O proměnlivosti zvířat a rostlin během domestikace, se věnuje ve druhém svazku tohoto díla (1868) podrobně otázkám dědičnosti a vyslovuje vlastní hypotézu pangeneze. Podle této teorie než buňky dosáhnou konečné diferenciace, vylučují drobná tělíska, která nazval gemule. Ty volně kolují v celém organismu, mají-li dostatek živin, množí se dělením a nakonec se vyvíjejí v buňky podobné těm, z nichž vznikly. Ze všech částí organismu se shromažďují v pohlavních elementech (buňkách) a jejich vývin v příští generaci utváří nového jedince. Po splynutí vajíčka a spermie dochází ke smíšení gemulí jak po otci, tak po matce. Darwinův bratranec Sir F. Galton (1822 1911) došel při kritickém rozboru pangeneze nejen k negativnímu stanovisku vůči ní, ale i k vlastní teorii o dědičnosti. Nashromáždění obrovského množství poznatků v biologických vědách od dob Darwina nezměnilo nic na správnosti jeho teorie, naopak jednotlivé vědy darwinismus doplňují a naplňují konkrétně to, co Darwin pouze předpokládal. 7 Teorie Darwina a Wallace však byla podstatně omezena, neboť nezahrnovala vysvětlení přenosu genetické informace z jedné generace na druhou. To se však podařilo o šest roků později J. G. Mendelovi. Dnešní pojetí evolučního procesu je syntetické povahy; základem evoluce je proměnlivost znaků a vlastností (fenotypů) a přenos genetické informace. To je také náplní současného
J. G. Mendel, jeho hybridizační objevy a jejich význam 13 vědního oboru genetika. Právě ona přináší téměř na každém kroku další důkazy své významné úlohy v odhalování procesu evoluce. Ten lze potvrdit například na molekulární úrovni univerzálností genetického kódu, kdy trojice nukleotidů sekvence DNA kóduje jednu aminokyselinu a ty jsou stejné pro většinu živých organismů, od virů, bakterií, hub, přes rostliny a všechny živočichy až po člověka, mimo mitochondriální genetickou informaci, která má některé odchylky ve čtení genetického kódu. Podobně je tomu v cytogenetice, v chromozomální teorii, při popisu mitotického dělení buněk i v meio tic kém dělení u všech druhů pohlavně se rozmnožujících organismů a rovněž v dalších oblastech genetiky (genová vazba, interakce atd.). Genetickou a fenotypovou proměnlivost lze vysvětlit na základě principu vzniku pohlavních buněk, což bylo popsáno až na začátku a upřesněno v průběhu 20. století. Různorodost a jedinečnost jednotlivých genotypů a fenotypů je podmíněna různými genetickými jevy při vzniku pohlavních buněk. V důsledku meiotického dělení vzniká volná a nahodilá kombinovatelnost alel genotypů jednoho lokusu s alelami jiných lokusů. Homozygotní genotypy poskytují z jednotlivých alelických párů stejný typ gamet. Párové chromozomy se rozcházejí nahodilým způsobem v anafázi prvního (heterotypického) meiotického dělení. Uvažujeme-li jeden heterozygotní alelický pár umístěný na dvou homologních chromozomech (Schéma 1), kterých má například člověk 23 párů (včetně chromozomů pohlavních), pak obecný vzorec pro tvorbu gametických kombinací je 2 n ; tj. 2 23, což činí 8 388 608 možných kombinací genů budoucích spermií nebo vajíček. Uvažujeme-li, že celkový počet různých genů (lokusů) je u člověka asi 30 000, pak na jednom chromozomu (bez ohledu na jejich velikost) je v průměru asi 1 304 genů, z nichž je asi 6,7 % heterozygotních 7, to znamená asi 87 lokusů. U tohoto počtu by mohl vznikat proces crossing over, což je výměna genetické informace mezi homologickými chromozomy, která je běžná při vzniku pohlavních buněk. Tímto způsobem mohou vznikat další kombinace různých alelických párů, které nazýváme rekombinace, tedy nové genetické varianty různých gamet. Možnosti vzniku nových genetických kombinací se tím rozšiřují na všeobecný vzorec 2 2 001, což je číslo v oblasti trilionů a je již nepojmenované. Přibližný počet lokusů pro jeden znak můžeme předpokládat v počtu asi deseti. Jedná se o regulační geny, které řídí další strukturní geny pro tvorbu základních produktů metabolických funkcí. V důsledku toho musíme uvedený vzorec rozšířit na 2 20 010. Zygota budoucího jedince vzniká spojením genetické informace spermie a vajíčka a tak je ještě nutné přidat tuto kombinaci dvou haploidních buněk do všeobecného vzorce, který se změní na 2 40 020. Mutační intenzita může rozšířit počet alel určitého genu a tak vznikají různé alternace genů na jednom lokusu a stupeň mnohotných alel (M) může dosahovat u různých genů i vysokých hodnot. Výsledkem je obecný vzorec 2 40 020 M možností vzniku různých genotypů a na základě toho i exprese fenotypů, neboť ty jsou u kvantitativních znaků ovlivněny na základě působení proměnlivosti různých genotypů a proměnlivosti různých podmínek vnitřního a vnějšího prostředí (E). Z tohoto důvodu musíme uvedený vzorec vynásobit ještě různým počtem vnějších a vnitřních vlivů prostředí, a tak