Einstieg (0:00)
Zwei Meerschweinchen, beide pechschwarz. Sie bekommen Junge: drei schwarze und ein braunes. Keiner der beiden Eltern ist braun. Woher kommt also dieses Braun? Es muss die ganze Zeit irgendwo in den schwarzen Eltern gesteckt haben. Unsichtbar.
Wie kann eine Farbe eine Generation überspringen, und kann man vorhersagen, wie die Kinder aussehen? Man kann. Mit drei Regeln und einem Raster aus Feldern, dem Kreuzungsschema. In den nächsten gut zwanzig Minuten lernst du alle drei Regeln, triffst den Mönch, der sie mit Erbsen gefunden hat, und löst zwei Prüfungsaufgaben. Die Eltern schauen übrigens genauso verwirrt wie du. Gut, Meerschweinchen schauen immer so.
Das braune Junge behalten wir im Auge. Vier Schritte. Erstens: die Sprache der Vererbung, also die Wörter, ohne die keine Regel funktioniert. Zweitens: die drei Mendelschen Regeln, jede mit Kreuzungsschema. Drittens: wie Gregor Mendel sie entdeckt hat. Viertens: die Prüfungsaufgaben, und eine davon klärt das braune Meerschweinchen.
Die Sprache der Vererbung (1:07)
Fangen wir beim Fell an. Damit ein Meerschweinchen schwarzes Fell bildet, braucht es eine Anleitung dafür, und die steckt in jeder seiner Zellen. Sie steht in der D-N-A, und die ist auf Chromosomen verpackt. Das Wichtige dabei: In Körperzellen kommen Chromosomen paarweise vor. Ein Chromosom jedes Paars stammt von der Mutter, das andere vom Vater. Die beiden sehen gleich aus und tragen Anleitungen für dieselben Merkmale. Ausnahme sind nur die Geschlechtschromosomen, um die geht es heute nicht. Man nennt die Paare homologe Chromosomen.
Auf diesen Chromosomen liegen die Gene. Ein Gen ist ein Abschnitt der D-N-A mit der Anleitung für ein bestimmtes Merkmal, zum Beispiel für die Fellfarbe. Dieses Gen gibt es zweimal, an genau derselben Stelle der beiden homologen Chromosomen. Warum zweimal? Weil jedes Meerschweinchen, genau wie du, von jedem Paar ein Chromosom von der Mutter hat und eins vom Vater.
Aber die zwei Anleitungen müssen nicht gleich sein. Auf dem einen Chromosom kann an dieser Stelle stehen: schwarz. Auf dem anderen: braun. Solche Varianten eines Gens heißen Allele. Das Gen sagt also, worum es geht: die Fellfarbe. Das Allel sagt, welche Version: schwarz oder braun.
Damit man nicht jedes Mal Fellflecken malen muss, nimmt man Buchstaben. Das Allel für schwarz bekommt ein großes S, das Allel für braun ein kleines s. Jedes Tier hat zwei Allele, also zwei Buchstaben. Groß S groß S heißt: zweimal schwarz. Klein s klein s heißt: zweimal braun. Sind beide Allele gleich, ist das Tier reinerbig, Fachwort homozygot. Und groß S klein s? Ein Allel für schwarz, eins für braun. Das ist mischerbig, oder heterozygot. Kurz gesagt: gleiche Buchstaben heißt reinerbig, verschiedene Buchstaben heißt mischerbig.
Welche Farbe hat dann ein mischerbiges Meerschweinchen? Grau? Gefleckt? Nein. Es ist schwarz, genauso schwarz wie groß S groß S. Das Allel für schwarz setzt sich durch, es ist dominant. Das Allel für braun wird verdeckt, es ist rezessiv. Deshalb schreibt man das dominante Allel groß und das rezessive klein. Braun sieht man nur, wenn gar kein großes S da ist. Aber Vorsicht: Dominant heißt nicht stärker, besser oder häufiger. Polydaktylie zum Beispiel, ein sechster Finger an der Hand, wird in manchen Formen dominant vererbt und ist trotzdem selten. Dominant sagt nur, welches Allel man bei Mischerbigen sieht.
Merkst du was? Zwei Meerschweinchen können gleich aussehen und trotzdem verschiedene Allele haben. Dafür gibt es zwei Wörter. Der Genotyp sind die Allele, also die Buchstaben: groß S groß S oder groß S klein s. Der Phänotyp ist das Erscheinungsbild, also alles, was man an einem Lebewesen beobachten kann: hier das schwarze Fell. Gleicher Phänotyp, verschiedener Genotyp. Behalte das für die Meerschweinchen vom Anfang im Kopf. Mein eigener Phänotyp: lavendel. Die Taucherbrille zählt nicht, die hab ich mir gekauft.
Die Regeln, um die es gleich geht, hat aber niemand an Meerschweinchen gefunden, sondern an Erbsen. Deshalb wechseln wir jetzt in den Garten. Erbsensamen sind gelb oder grün, rund oder runzlig. Gelb ist dominant über grün, rund ist dominant über runzlig. Funfact: Welches Gen Erbsen runzlig macht, hat man erst neunzehnhundertneunzig herausgefunden. Ein eingeschobenes Stück D-N-A legt dort ein Enzym für die Stärkebildung lahm. Die Erbse speichert mehr Zucker statt Stärke, nimmt beim Reifen mehr Wasser auf und schrumpelt beim Trocknen.
Bleiben wir bei der Erbse. Wenn jede Pflanze zwei Allele hat und ihr Kind auch nur zwei, wie passt das zusammen? Für Nachwuchs bildet jedes Elternteil Keimzellen, bei Pflanzen Eizellen und männliche Keimzellen, die im Pollen stecken. Das Fachwort für Keimzellen ist Gameten. Und wie kommt in jede Keimzelle nur ein Allel? Bei ihrer Bildung, in der Meiose, werden die homologen Chromosomen getrennt. Jede Keimzelle bekommt nur eines der beiden, also auch nur ein Allel. Bei der Befruchtung verschmelzen zwei Keimzellen, eine von jedem Elternteil, und das Kind hat wieder zwei Allele.
Wenn wir so eine Befruchtung über mehrere Generationen verfolgen, brauchen wir eigene Kürzel. Die Eltern heißen P-Generation, ihre Kinder F-eins, die Enkel F-zwei. Bei den Meerschweinchen vom Anfang wären die zwei schwarzen Eltern die P-Generation und ihre vier Jungen die F-eins. Und alle Möglichkeiten sammeln wir in einem Raster, dem Kreuzungsschema. Stell es dir vor wie ein Beet: Oben stehen die Keimzellen des einen Elternteils, links die des anderen, und in jedem Feld wächst ein mögliches Kind. Merksatz: Für ein Gen hat jede Körperzelle zwei Allele, jede Keimzelle nur eins. Fehlt nur noch das Kreuzungszeichen, ein schräges Kreuz zwischen Mutter und Vater.
Dr. Krake: Ähm. Da sitzt jemand auf meinem Kreuzungszeichen.
Bärtierchen: Kreuzung? Brauch ich nicht. Bei manchen Bärtierchenarten gibt es nur Weibchen. Die legen Eier, und die Jungen schlüpfen ohne Befruchtung. Jungfernzeugung.
Dr. Krake: Und wer ist dann schuld, wenn ein Kind komisch aussieht?
Bärtierchen: Mama. Aber die sieht genauso aus.
Die drei Regeln (6:46)
Für alle anderen braucht es zwei Eltern, und genau da beginnen die Regeln. Regel eins. Wir nehmen eine reinerbig gelbe Erbse, groß G groß G, und eine reinerbig grüne, klein g klein g. Das ist unsere P-Generation. Die gelbe Pflanze bildet nur Keimzellen mit groß G, die grüne nur welche mit klein g. Im Beet heißt das: Jedes Feld bekommt ein groß G und ein klein g. Alle Kinder sind groß G klein g. Und welche Farbe haben sie?
Alle gelb. Die ganze F-eins sieht gleich aus. Das ist die erste Mendelsche Regel, die Uniformitätsregel. Uniform heißt einheitlich. Aber wo ist das Grün hin? Es ist nicht weg. Jede dieser gelben Erbsen trägt ein klein g in sich. Es wird nur vom dominanten groß G verdeckt. Das brauchen wir gleich noch.
Vorher noch eine zweite Form der Uniformität. Nicht immer setzt sich ein Allel durch. Bei der Wunderblume kreuzt man eine reinerbig rot blühende Pflanze mit einer reinerbig weiß blühenden. Die F-eins blüht weder rot noch weiß, sondern rosa. Und zwar alle. Hier ist keines der beiden Allele dominant. Die Kinder liegen dazwischen, das nennt man einen intermediären Erbgang. Weil keines rezessiv ist, schreibt man beide groß, zum Beispiel groß R für rot und groß W für weiß. Merksatz Uniformitätsregel: Kreuzt man zwei reinerbige Eltern, die sich in einem Merkmal unterscheiden, sind alle Kinder der F-eins gleich, im Genotyp und im Aussehen. Bei dominant-rezessiv sehen sie aus wie ein Elternteil, bei intermediär wie eine Zwischenform.
Und jetzt holen wir das Grün zurück. Regel zwei: Wir kreuzen zwei gelbe Erbsen aus der F-eins miteinander, also groß G klein g mit groß G klein g. In der F-zwei tauchen plötzlich wieder grüne Erbsen auf. Ungefähr jede vierte ist grün. Das Grün war also nie verschwunden. Es hat eine Generation lang verdeckt gewartet. Aber woher weiß die Pflanze, dass gerade jede vierte grün werden soll?
Sie weiß es gar nicht. Es ist Zufall. Jede F-eins-Pflanze ist mischerbig und bildet deshalb zwei Sorten Keimzellen: halb mit groß G, halb mit klein g. Also schreiben wir oben die Pollen hin, groß G und klein g, und links die Eizellen, groß G und klein g. Jetzt Feld für Feld. Oben links: groß G und groß G. Gelb. Oben rechts: groß G und klein g. Gelb. Unten links: klein g und groß G. Auch gelb. Unten rechts: klein g und klein g. Grün.
Schauen wir, was dabei in der Zelle passiert. Eine mischerbige Pflanze bildet Keimzellen. In der Meiose trennen sich die homologen Chromosomen: das eine mit groß G, das andere mit klein g. So entstehen zwei Sorten Keimzellen, von jeder gleich viele. Jetzt treffen sie sich im Beet, zufällig, Paar für Paar. Und es wachsen drei gelbe Erbsen und eine grüne. Jedes Elternteil gibt nur eines seiner zwei Allele weiter, zufällig. Und weil groß G dominant ist, entsteht daraus drei zu eins.
Genau hingeschaut sind es sogar drei Genotypen: einmal groß G groß G, zweimal groß G klein g, einmal klein g klein g. Beim Genotyp also eins zu zwei zu eins, beim Phänotyp drei zu eins. Heißt das, in einer Schote mit vier Erbsen sind immer genau drei gelb und eine grün? Nein. Jede einzelne Erbse hat eine Chance von drei Vierteln, gelb zu werden. Das ist wie beim Würfeln: Eine Sechs kommt im Schnitt jedes sechste Mal, aber nicht pünktlich. In einer Schote können auch alle vier gelb sein. Drei zu eins ist ein erwartetes Verhältnis, es beruht auf Wahrscheinlichkeiten, und es zeigt sich erst bei großen Zahlen.
Und bei der Wunderblume? Kreuzt man zwei rosa Pflanzen der F-eins, blühen in der F-zwei wieder rote, rosa und weiße, im Verhältnis eins zu zwei zu eins. Hier sieht man jedem Kind seinen Genotyp direkt an der Farbe an. Merksatz Spaltungsregel: Kreuzt man die mischerbige F-eins untereinander, spalten sich die Merkmale in der F-zwei wieder auf, im Phänotyp bei dominant-rezessiv drei zu eins, bei intermediär eins zu zwei zu eins. Der Genotyp spaltet in beiden Fällen eins zu zwei zu eins.
Bis jetzt ging es immer um ein einziges Merkmal. Das nennt man monohybrid. Was passiert aber mit zwei Merkmalen gleichzeitig, also dihybrid? Regel drei. Wir kreuzen eine reinerbig gelbe, runde Erbse, groß G groß G groß R groß R, mit einer grünen, runzligen, klein g klein g klein r klein r. Die F-eins ist wieder einheitlich: alle groß G klein g groß R klein r, alle gelb und rund. Die Uniformitätsregel gilt also auch hier. Spannend wird erst die F-zwei.
Um die F-zwei vorherzusagen, brauchen wir zuerst die Keimzellen. Welche Keimzellen bildet so eine F-eins-Pflanze? Jede Keimzelle bekommt ein Allel für die Farbe und eins für die Form. Bei Mendels Erbsen liegen die Gene für Farbe und Form auf verschiedenen Chromosomenpaaren. In der ersten Teilung der Meiose ordnen sich die Paare in der Zellmitte an, und wie herum jedes Paar liegt, ist Zufall. Wie ein Münzwurf, und zwar für jedes Paar ein eigener. Mal landen groß G und groß R auf derselben Seite, mal groß G und klein r. So entstehen vier Sorten Keimzellen, alle gleich häufig: groß G groß R, groß G klein r, klein g groß R und klein g klein r.
Vier Sorten Pollen, vier Sorten Eizellen. Das Beet hat jetzt vier mal vier, also sechzehn Felder. Acht Etiketten und acht Arme. Wenn jetzt noch ein neuntes kommt, nehme ich den Mund. Gelb wird jede Erbse mit mindestens einem groß G, rund jede mit mindestens einem groß R. Erste Reihe, die Eizelle groß G groß R: Egal welcher Pollen dazukommt, alle vier Erbsen werden gelb und rund.
Zweite Reihe, die Eizelle groß G klein r: Alle vier werden gelb, denn ein groß G ist schon da. Rund werden aber nur die zwei, deren Pollen ein groß R mitbringt. Die anderen zwei werden runzlig. So gehen wir alle Felder durch und zählen. Neun Felder gelb und rund. Drei gelb und runzlig. Drei grün und rund. Und ein einziges grün und runzlig. Neun zu drei zu drei zu eins. Für die Oberstufe ein Trick: Farbe allein spaltet drei zu eins, Form allein auch. Drei Viertel mal drei Viertel ergibt neun Sechzehntel für gelb und rund. Und ein Viertel mal ein Viertel ergibt ein Sechzehntel für grün und runzlig.
Schau dir die beiden Dreien an: gelb und runzlig, grün und rund. Diese Kombinationen hatte keiner der beiden Eltern aus der P-Generation. Die Allele für Farbe und Form werden einzeln weitergegeben und neu gemischt. Merksatz Unabhängigkeitsregel: Die Allele verschiedener Gene werden unabhängig voneinander vererbt und neu kombiniert, bei zwei dominant-rezessiven Merkmalen in der F-zwei im Verhältnis neun zu drei zu drei zu eins. Ein ehrlicher Zusatz: Das gilt für Gene auf verschiedenen Chromosomen und für Gene, die auf einem Chromosom weit auseinanderliegen. Liegen zwei Gene nah beieinander auf demselben Chromosom, werden sie oft gemeinsam vererbt.
Einmal alle drei zusammen. Uniformität: Reinerbige Eltern, einheitliche F-eins. Spaltung: In der F-zwei kommt das Verdeckte zurück, drei zu eins. Unabhängigkeit: Zwei Gene, neun zu drei zu drei zu eins. Merksatz: Alle drei Regeln folgen aus der Meiose. Homologe Chromosomen werden getrennt, und verschiedene Paare werden unabhängig voneinander verteilt. Und jetzt das Erstaunliche: Gefunden hat diese Regeln ein Mann, der von Chromosomen nichts wusste. Als er seine Erbsen zählte, ahnte noch niemand, welche Rolle sie bei der Vererbung spielen.
Entdeckung (15:13)
Er hieß Gregor Mendel und lebte als Mönch im Augustinerkloster in Brünn, im heutigen Tschechien. Im Klostergarten zog er ab achtzehnhundertsechsundfünfzig rund acht Jahre lang Erbsen, Zehntausende Pflanzen. Warum gerade Erbsen? Sie wachsen schnell, bilden viele Samen und bestäuben sich normalerweise selbst. Und es gibt sie in klaren Sorten: gelb oder grün, rund oder runzlig, ohne Zwischentöne. Mendel wählte sieben solcher Merkmale aus, unter anderem Samenfarbe, Samenform, Blütenfarbe und Wuchshöhe.
Welche Pflanzen sich kreuzen, wollte er aber selbst bestimmen. Also öffnete er junge Blüten und entfernte die Staubblätter, bevor sie Pollen abgaben. Dann belegte er die Narbe mit Pollen einer anderen Sorte. Fremder Pollen kam kaum dazwischen, weil die Erbsenblüte Staubblätter und Narbe fest umschlossen hält. Zur Kontrolle stellte er trotzdem einige Pflanzen ins Gewächshaus, geschützt vor Insekten. Vorher hatte er geprüft, ob seine Sorten reinerbig waren. Er ließ sie zwei Jahre lang sich selbst bestäuben, und nur Sorten, deren Nachkommen immer gleich aussahen, kamen in den Versuch.
Und dann zählte er. Nicht ungefähr, sondern Erbse für Erbse. In der F-zwei seines Farbversuchs: sechstausendzweiundzwanzig gelbe und zweitausendeins grüne. Das sind etwa drei zu eins. Bei der Form: fünftausendvierhundertvierundsiebzig runde und tausendachthundertfünfzig runzlige, auch knapp drei zu eins. In einzelnen Pflanzen schwankte es stark: Eine hatte zweiunddreißig gelbe und eine grüne Erbse, eine andere zwanzig gelbe und neunzehn grüne. Erst die große Zahl zeigt das Verhältnis.
Mit diesen Zahlen ging er an die Öffentlichkeit. Achtzehnhundertfünfundsechzig stellte Mendel seine Ergebnisse in Brünn in einem Verein von Naturforschern vor, achtzehnhundertsechsundsechzig erschienen sie gedruckt. Die Reaktion? Fast keine. Biologie mit Verhältniszahlen und Wahrscheinlichkeit war damals ungewöhnlich, und kaum jemand erkannte, was da stand. Mendel wurde Abt seines Klosters und starb achtzehnhundertvierundachtzig. Vierunddreißig Jahre lang blieb seine Arbeit fast unbeachtet. Vierunddreißig Jahre ohne Antwort. Ich werd ja schon nervös, wenn mich jemand zwei Minuten auf gelesen lässt.
Erst neunzehnhundert stießen drei Forscher unabhängig voneinander auf dieselben Verhältnisse: Hugo de Vries, Carl Correns und Erich von Tschermak. Dabei entdeckten sie auch Mendels alte Arbeit. Kurz darauf, um neunzehnhundertdrei, bemerkten Walter Sutton und Theodor Boveri: Chromosomen verhalten sich in der Meiose genau wie Mendels Erbanlagen. Sie kommen paarweise vor und werden bei der Bildung der Keimzellen getrennt. Das Wort Gen gab es übrigens erst neunzehnhundertneun.
Warum hatte ausgerechnet Mendel Erfolg? Drei Gründe. Er begann mit reinerbigen Sorten. Er wählte Merkmale mit klarem Entweder-oder und betrachtete erst eines, dann zwei gleichzeitig. Und er zählte, statt zu schätzen, bei sehr vielen Pflanzen. Merksatz: Mendel fand die Regeln mit reinerbigen Linien, klaren Merkmalen und großen Zahlen. Erklärt hat sie erst die Meiose. Mit genau diesen Werkzeugen bist jetzt du dran.
Prüfung (18:36)
Zurück zu den Meerschweinchen vom Anfang. Aufgabe eins, Niveau Klasse neun und zehn. Zwei schwarze Meerschweinchen bekommen ein braunes Junges. Schwarz ist dominant, braun ist rezessiv. Bestimme die Genotypen der Eltern, zeichne das Kreuzungsschema und gib an, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein weiteres Junges braun wird. Drück Pause. Ich zähl solange Erbsen. Bei sechstausend sag ich Bescheid.
Die Lösung. Erstens: Braun ist rezessiv. Das braune Junge hat also den Genotyp klein s klein s. Ein klein s stammt von der Mutter, eins vom Vater. Beide Eltern sind aber schwarz, sie tragen also auch ein groß S. Beide sind mischerbig, groß S klein s. Zweitens, das Schema: oben groß S und klein s, links groß S und klein s. In den Feldern: einmal groß S groß S, zweimal groß S klein s, einmal klein s klein s. Im Phänotyp also drei schwarze zu einem braunen. Drittens: Ein Feld von vier ist braun. Jedes weitere Junge wird mit einer Wahrscheinlichkeit von einem Viertel braun, also fünfundzwanzig Prozent. Die Falle: Das heißt nicht, dass von vier Jungen genau eines braun ist. Bei jedem Jungen wird neu gewürfelt.
Eine Stufe schwerer. Aufgabe zwei, Niveau Oberstufe: „Erläutern Sie, wie man mit einer Rückkreuzung prüfen kann, ob ein schwarzes Meerschweinchen reinerbig ist.“ Erläutern heißt: einen Sachverhalt veranschaulichen und durch zusätzliche Informationen verständlich machen. Drück Pause und formuliere.
Volle Punkte gibt es für drei Teile. Erstens, die Methode: Man kreuzt das schwarze Tier mit einem braunen, also reinerbig rezessiven Tier, klein s klein s. Dessen Keimzellen tragen nur klein s. Deshalb sieht man an den Jungen direkt, welches Allel das schwarze Tier weitergegeben hat. Das nennt man Testkreuzung. Im Unterricht heißt sie oft Rückkreuzung, weil man mit dem reinerbig rezessiven Elterntyp kreuzt. Zweitens, die beiden möglichen Ergebnisse: Ist das Tier groß S groß S, sind alle Jungen groß S klein s und schwarz. Ist es groß S klein s, wird im Mittel die Hälfte schwarz und die Hälfte braun, also eins zu eins. Drittens, die Bewertung: Schon ein einziges braunes Junges beweist, dass das Tier mischerbig ist. Sind nur schwarze Junge da, wird Reinerbigkeit umso wahrscheinlicher, je mehr es sind. Ganz sicher ist sie nie.
Merk dir drei Dinge (21:18)
Das waren die Mendelschen Regeln. Merk dir drei Dinge. Erstens: Die Uniformitätsregel. Reinerbige Eltern bekommen eine einheitliche F-eins. Zweitens: Die Spaltungsregel. In der F-zwei kommt das Verdeckte zurück, im Verhältnis drei zu eins, weil jede Keimzelle nur ein Allel bekommt. Drittens: Die Unabhängigkeitsregel. Gene auf verschiedenen Chromosomen werden unabhängig vererbt, bei zwei Genen neun zu drei zu drei zu eins. Das Quiz und den Lernzettel zu diesem Video findest du kostenlos auf achtmalklug punkt de. Und wenn zu Hause mal jemand fragt, von wem du das hast: Die richtige Antwort ist immer: von beiden. Bleib neugierig.
