Mendel: primi esperimenti e la I legge
Tra il 1856 e il 1863, l'abate Gregor Mendel sviluppò un intenso lavoro sperimentale, poi descritto nella sua classica esposizione pubblicata nel 1865. In essa si trova enucleato un chiaro modello quantitativo capace di spiegare l'ereditarietà, seguito da una teoria capace di spiegare il modello. La teoria postulava l'esistenza di "fattori ereditari" nelle cellule germinali.
Nato nel 1822 a Heinzerdof da genitori contadini, battezzato come Johann, Mendel assunse il nome Gregor nel monastero agostiniano di St. Thomas a Brno.
Era portato per le scienze, ed anche per la filosofia. Nel 1849 fu esonerato dagli obblighi pastorali e ricevette un incarico per l'insegnamento. Dal '51 al '53 potè frequentare l'università di Vienna, dove approfondì lo studio di fisica e botanica. Tornato al monastero, egli intraprese i suoi esperimenti.
La prima cosa da notare è che Mendel mostrò una straordinaria capacità nell'intuire la metodologia necessaria per una corretta biologia sperimentale.
Non fu il primo ad utilizzare la tecnica dell'incrocio tra individui diversi per analizzare le caratteristiche della discendenza e confontarla con quelle dei genitori. I predecessori di Mendel, tuttavia, avevano ibridato piante di specie diverse, già differenti per svariati caratteri. I risultati ottenuti erano confusi e la loro interpretazione era difficile ed avventurosa. Inoltre, questi precursori non avevano compreso l'importanza di un approccio statistico per valutare i risultati delle esperienze. In fondo, c'è solo da notare che alcuni dei risultati sperimentali ottenuti da Mendel, erano stati anticipati. Il loro significato, tuttavia era rimasto oscuro. Da essi non era stata ricavata una teoria dell'ereditarietà e della distribuzione dei caratteri.
La scelta di un organismo "facile" da incrociare come la pianta di pisello odoroso fu la prima scelta "felice" di Mendel. Il pisello si riproduce naturalmente per autofecondazione, ma può essere sottoposto a fecondazione crociata. Inoltre, è caratterizzato da rapido sviluppo e si possono ottenere in breve tempo più generazioni successive. L'impollinazione precede l'apertura dei petali, perciò gli ovuli del pistillo vengono fecondati dal polline dello stesso fiore, quindi per autofecondazione. Di questa pianta erano disponibili varietà distinte contrastanti, come la lunghezza dello stelo, la posizione dei fiori, la forma del seme "liscia o rugosa", il colore del seme "giallo o verde", la forma del baccello "liscia o con solchi trasversali" tra seme e seme, il colore del baccello "verde o giallo".
Mendel coltivò per circa due anni alcune varietà, curando di isolare ciascuna dalle altre. Si era proposto di ottenere delle razze pure attraverso l'autofecondazione e ad un certo punto si sentì certo di aver ottenuto delle popolazioni nelle quali gli stessi caratteri si manifestavano regolarmente.
Chiamò generazione parentale, P, questo insieme di prototipi, e generazioni filiali, F, i risultati di incroci monoibridi realizzati con i prototipi.

Per ciascuna coppia di caratteri contrastanti, Mendel eseguì centinaia di incroci controllati, verificando che alla prima generazione filiale, F1, solo uno dei due caratteri presenti nei genitori si manifestava. Dall'incrocio monoibrido tra varietà a seme giallo e varietà a seme verde ottenne solo piselli gialli. E' da notare che Mendel eseguì gli incroci monoibridi in entrambi i sensi, utilizzando cioè entrambe le varietà sia come impollinatrici che come portasemi. Eppure i risultati furono identici. Uno dei due caratteri prevaleva costantemente sull'altro, annullandolo. Chiamò dominante il carattere manifesto, e recessivo il carattere che sembrava scomparso.
A quel punto, Mendel lasciò che le piante tornassero ad autofecondarsi, ottenendo così una seconda generazione F2. In essa ricomparve il carattere recessivo. Il controllo numerico diceva che i 3/4 dei semi manifestava il carattere dominante e 1/4 il carattere recessivo.
Osservando il rapporto tra stelo lungo e stelo corto, Mendel osservò che il carattere dominante era "stelo lungo". Considerate 1064 piante nella F2, 787 erano "stelo lungo" e 277 "stelo corto". Anche qui, il carattere "stelo corto" scomparso alla prima generazione, era riapparso nella seconda.
Mendel eseguì incroci simili per tutti gli altri caratteri. In ciascun caso il rapporto era simile a quelli appena descritti. Nella seconda generazione, F2, 3/4 delle piante erano simili a quelle della prima generazione, 1/4 mostrava il carattere recessivo.

Per spiegare questi risultati, Mendel propose l'esistenza di singoli fattori particolati per ciascun carattere, costituenti le unità di base dell'eredità, trasmessi come tali di generazione in generazione e concluse, in primo luogo che i caratteri genetici sono controllati da fattori singoli, i quali sono presenti in coppie nell'organismo.
Ad esempio l'incrocio monoibrido tra pianta alta e pianta nana è determinato da un singolo fattore. Essendo presenti in coppie, sono possibili tre combinazioni: due fattori per il carattere alto, due per il basso, uno per l'alto e uno per il basso.
Una seconda conclusione era la seguente: quando in un individuo sono presenti due fattori differenti per un determinato carattere, uno domina sull'altro. Il carattere dominato è detto recessivo.
Di norma, esso non compare nella prima generazione, nella quale rimane inespresso, ovvero segregato, ma riappare nella seconda in un rapporto di 3:1.
Questo porta direttamente alla I legge di Mendel : durante la formazione di gameti, le coppie dei fattori si separano e segregano a caso, ciascun gamete riceve l'uno o l'altro fattore con uguale probabilità. Il che significa che se un individuo possiede una coppia di fattori simili, tutti i gameti ricevono lo stesso carattere. Se un individuo possiede fattori diversi e alternativi - p.e. - "liscio / rugoso", ciascun gamete ha una probabilità del 50% di ricevere uno dei due fattori.

Un po' di terminologia
La genetica moderna ha modificato e arricchito il vocabolario mendeliano ricorrendo ad espressioni quali fenotipo, per designare caratteri quali "seme liscio o rugoso", cioè l'espressione visibile dell'informazione contenuta da ciascun fattore mendeliano. I vari fattori sono stati chiamati geni. Il fenotipo è così determinato da diverse combinazioni alternative di uno stesso gene: gli alleli. In altre parole il gene che controlla l'espressione del fenotipo "seme liscio/rugoso" possiede due alleli, uno per il liscio e uno per il rugoso.
Per convenzione si è scelto di ricorrere alle lettere dell'alfabeto per designare un allele particolare. La lettera maiuscola designa l'allele per il carattere dominante e quella minuscola designa l'allele per il carattere recessivo.
Quando gli alleli sono scritti a coppie, per esempio DD, Dd, o dd, vengono così a rappresentare i due fattori presenti in un dato individuo, cioè il suo genotipo.
Nel caso di alleli identici DD o dd, l'individuo è detto omozigote; nel caso di alleli diversi, Dd, l'individuo è classificato eterozigote.
Un'altra coppia di termini che incontreremo spesso è quella di aploide / diploide, insieme a quello di cromosoma.
Anche questi sono termini non mendeliani. Aploide significa che la cellula o l'organismo in questione contiene un solo assetto cromosomico. Diploide vuol dire una situazione in cui ciascun cromosoma è presente in duplice copia.

II legge: assortimento indipendente
Studiando l'incrocio diibrido, cioè l'incrocio a due fattori, ad esempio l'incrocio di seme giallo e seme verde, seme liscio e seme rugoso, Mendel venne a formulare la sua II legge: quella dell'assortimento indipendente. Essa afferma che durante la formazione dei gameti, i membri di diverse coppie di fattori segreganti vengono assortiti indipendentemente l'uno dall'altro.
L'incrocio diibrido è in realtà costituito da due incroci monoibridi indipendenti. Le due coppie di caratteri sono ereditate indipendentemente una dall'altra. Pertanto, la probabilità di una pianta di avere semi lisci o rugosi, non è influenzata dal colore dei semi. E viceversa.
Qui bisogna afferrare il concetto seguente: la probabilità che due eventi indipendenti si verifichino simultaneamente è uguale al prodotto delle singole probabilità.
Ciò significa che la probabilità della seconda generazione di avere semi lisci o rugosi è (3/4) (3/4), ovvero 9/16, perché 3/4 delle piante sono alte e 3/4 avranno semi di colore giallo.
In modo simile si può calcolare la probabilità di altri tre fenotipi della F2, giallo (3/4) e rugoso (1/4) sono attesi insieme tre su sedici (3/16); verde (1/4) e liscio
(3/4) usciranno alla roulette tre volte su sedici; il connubio verde (1/4) e rugoso (1/4) si realizzerà 1/16 delle volte.

III legge: la segregazione indipendente
Tutte le esperienze conducono a riconoscere che l'eredità di due caratteri è anche il risultato della loro trasmissione indipendente. L'allele giallo determinante il colore e l'allele liscio determinante la forma non sono legati l'uno all'altro. Se fossero legati, si trasmetterebbero insieme, cosa che non avviene. Soprattutto, nella F2, nel fenotipo apparirebbero le combinazioni giallo-rugoso e verde-liscio che non sono presenti nei genitori.
Pertanto, Mendel sintetizzò questa situazione formulando il principio della segregazione indipendente o legge dell'indipendenza dei caratteri. In essa si afferma che, durante la maturazione degli elementi riproduttori, i fattori di ciascuna coppia si separano indipendentemente dall'altra coppia.

Incroci triibridi
Studiando l'incrocio triibrido, a tre fattori, Mendel dimostrò che si potevano applicare nello stesso modo gli identici processi di segregazione e assortimento indipendente. Sebbene sia evidentemente più complicato di un incrocio di ibrido, la progenie derivante da questo tipo di multiibrido può venire facilmente presa in esame ricorrendo ai principi della segregazione dell'assortimento indipendente.
Nella tabella qui sotto vediamo che considerando 3 coppie di fattori A/b, B/b e C/c, nell'incrocio tra individui AABBCC e aabbcc, tutta la F1 avrà genotipo eterozigote per le tre coppie, AaBbCc, e fenotipo dominante, dovuto all'espressione di A, B, e C.
Gli individui della F1 producono 8 tipi di gameti, tutti con uguale frequenza.

generazione P	AABBCC		aabbcc
gameti	ABC		abc
F1		AaBbCc
	ABC		ABc
gameti	AbC	Abc	aBc
	aBc	abC	abc

Visto che le combinazioni sono casuali, possiamo applicare le leggi della probabilità e vedere cosa potrebbe succedere in F2
Nell'incrocio monoibrido AAxaa sappiamo che tutti gli individui della F1 hanno genotipo Aa e mostrano il fenotipo determinato dall'allele A.
La generazione F2 è costituita da individui con fenotipo A e a nel rapporto 3:1
Se è vero che che ciò vale anche per gli incroci BBxbb, CCxcc, nella F2 3/4 di tutti i fenotipi saranno A, 3/4 B e 3/4 C. Ovviamente, 1/4 sarà a, 1/4 b e 1/4 c.
Ricorrendo ad un particolare metodo, detto metodo delle biforcazioni o diagramma di calcolo, si vedrà che il rapporto del triibridismo è il seguente:
27:9:9:9:9:3:3:3:1

Nella tabella sotto riportiamo alcune semplici regole matematiche utili a risolvere problemi di genetica, posto che vi sia qualche non specialista che desideri affrontarli.

numero di coppie geniche allo stato eterozigote	numero di gameti formati	numero di genotipi di fenotipi differenti prodotti	numero di fenotipi differenti prodotti
n	2n	3n	2n
1	2	3	2
2	4	9	4
3	8	27	8
4	16	81	16

Sicuramente, negli incroci in cui siano coinvolte due o più coppie geniche, il calcolo dei gameti o delle frequenze genotipiche e fenotipiche, può risultare complicato. Questa tabella aiuta ad individuare alcune regole esatte e necessarie ai vari passaggi.
In primo luogo, occorre determinare il numero di coppie interessate all'incrocio allo stato eterozigote. Se l'incrocio è AaBbxAaBb, sarà: n=2.
Se l'incrocio è AaBbCcxAaBbCc, sarà n=3.
A complicare ulteriormente la situazione potremmo considerare un caso in cui esistono BB, cioè un fattore omozigote, e un ulteriore coppia eterozigote Dd.
Vedremo allora che per l'incrocio AaBBCcDdxAaBBCcDd, avremo n=3.
Determinato n, il numero di gameti diversi possibili da parte di ciascun genitore è 2ⁿ; il numero di genotipi che risultano dalla fecondazione è 3ⁿ, mentre il numero di fenotipi espressi sarà 2ⁿ.

Periodo di oscuramento
Le teorie di Mendel non trovarono sostenitori; anzi furono ignorate e caddero nell'oblio. Il motivo del mancato successo è ben esposto da François Jacob. Quando, nel febbraio del 1865, Mendel parlò per un'ora dell'ibridazione dei piselli alla Realschule di Brno, gli uditori provarono simpatia per il conferenziere, e pur meravigliandosi del connubio tra statistica e botanica, applaudirono cortesemente ma senza entusiamo. La comunità scientifica non era pronta per simili teorizzazioni. «Com'è possibile, allora, affermare che lo spirito umano aspetta soltanto che le idee nuove si manifestino per impadronirsene e metterle subito a frutto?» si chiede Jacob. La logica - prosegue il grande biologo francese - «si muove soltanto nello spazio che le è, di volta in volta, assegnato dagli atteggiamenti concettuali di un'epoca, e intorno agli oggetti di analisi che vengono concretamente offerti. Perché possa nascere una scienza genetica, è necessario anzitutto che - verso la fine dell'Ottocento - si trasformi lo studio della cellula: è necessario che venga rivelata, nella sua intima struttura l'esistenza dei cromosomi e dei loro movimenti, regolati come un balletto, e che venga modificata la funzione stessa assegnata alla cellula, attraverso la sostituzione del meccanismo della pangenesi con quello del "germen", stirpe cellulare che ha come compito esclusivo la riproduzione ed è, come tale, protetta dalle vicessitudini a cui vanno incontro gli organismi viventi.» (1)
La genetica, in sostanza, dovrà prima emanciparsi dalla convinzione che l'ambiente naturale e sociale influisca sulla trasmissione dei caratteri, per poi ricongiungersi alla teoria darwiniana della selezione dei più adatti alla sopravvivenza in determinati ambienti. Una considerazione che nella teoria mendeliana era completamente assente.

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(1) F. Jacob - La logica del vivente - Einaudi 1971 - Per inciso bisogna ricordare che il termine "Germen" fu utilizzato da Weismann

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FDM / GP - aprile 2008