Исследование № 39
Уровень образования зависит от генов
Для понимания того, куда идет эволюция человека в наши дни (и идет ли она вообще куда-то), важно иметь в виду, что практически все наши поведенческие и психологические особенности сильно зависят от генов, а значит, могут эволюционировать под действием отбора здесь и сейчас. Как ни удивительно, сказанное справедливо не только для особенностей темперамента и для предрасположенности к психическим заболеваниям, но и для таких “высокоуровневых” признаков, как число лет, потраченных человеком на учебу. Анализ ДНК сотен тысяч людей европейского происхождения, проведенный в 2016 году, позволил выявить 74 участка генома, вариации в которых достоверно коррелируют с уровнем полученного человеком образования. Значительная часть идентифицированных генов работает в мозге, в том числе во время внутриутробного развития, а мутации многих из них влияют на когнитивные способности. Называть их “генами образования”, возможно, не вполне корректно, поскольку их связь с уровнем образования слабая и непрямая – однако она реально существует. Исследование подтвердило, что применение современных методов сравнительной геномики к очень большим выборкам людей позволяет выявить генетический базис даже таких признаков, которые обычно считаются не врожденными.
На первый взгляд может показаться, что уровень образования (традиционно измеряемый числом лет, потраченных человеком на учебу) – типичный пример ненаследственного признака. На него, казалось бы, должны влиять только “факторы среды” в широком смысле: материальная обеспеченность семьи, развитость системы образования в стране, доступность образования для разных социальных групп и т. д. Но это впечатление обманчиво. Если немного подумать, становится ясно, что на уровень образования вполне могут влиять также и признаки, сильно зависящие от генов, – такие, например, как когнитивные способности, целеустремленность или открытость новому опыту.
Еще в 1980-е годы анализ больших выборок близнецов и их родителей показал, что уровень образования имеет высокую наследуемость (напомним, что наследуемость, которую не следует путать с наследственностью, – это доля изменчивости признака, объясняемая генами, а не средой; подробнее о наследуемости психологических и поведенческих признаков рассказано в нашей книге “Эволюция человека”). Изменчивость по уровню образования как минимум на 20 % определяется генетическими различиями между людьми, а для некоторых выборок были получены значения наследуемости порядка 70 % (в среднем по всем выборкам – примерно 30-40 %; см. рис. 39.1).
Заметим, к слову, что высокие показатели наследуемости таких признаков, как уровень образования или IQ, чаще наблюдаются в выборках людей с высоким социально-экономическим статусом. У людей с низким статусом наследуемость подобных признаков нередко оказывается ниже (Turkheimer et al., 2003; Hart et al. 2013). Этот пример “взаимодействия генов и среды”, скорее всего, связан с тем, что высокий социально-экономический статус позволяет минимизировать роль случайных факторов в жизни человека. Та фенотипическая изменчивость, которая остается в выборке после устранения роли случайности, при ближайшем рассмотрении оказывается связана в основном с генетическими различиями между людьми. Мы уже использовали подобную логику выше, когда пытались объяснить, почему у видов, заботящихся о потомстве, отбор, возможно, работает эффективнее, чем у видов, бросающих многочисленное потомство на произвол судьбы (см. Исследование № 19). Как забота о потомстве, так и высокий социально-экономический статус сводит к минимуму элемент случайности в наблюдаемой изменчивости по тем или иным признакам (будь то выживаемость, репродуктивный успех или уровень образования), тем самым выставляя на первый план генетические различия между индивидами.
рис. 39.1. Средний уровень образования жителей США (измеряемый по числу лет, затраченных на обучение) в зависимости от года рождения. Видно, что данный показатель неуклонно рос все последнее столетие. Этот рост, очевидно, связан с социальными, культурными и экономическими изменениями, а вовсе не с генетикой. Тем не менее внутри каждой когорты (совокупности людей одного возраста) существует вариабельность по уровню образования, которая на 30-40 % определяется генами. По рисунку с сайта whitehouse.gov.
Но вернемся к образованию. Приведенные значения наследуемости (от 20 до 70 %) отражают общий масштаб генетического вклада в изменчивость по признаку “уровень образования”. Гораздо труднее найти конкретные гены, влияющие на этот признак. Дело в том, что число лет обучения – признак “высокоуровневый” в том смысле, что гены влияют на него лишь опосредованно, через множество промежуточных этапов (в отличие, например, от способности воспринимать определенный запах или отличать зеленый цвет от красного – здесь путь от гена к признаку простой и короткий).
На подобные высокоуровневые поведенческие и психологические признаки могут влиять одновременно сотни, если не тысячи разных генов (полиморфных локусов), причем вклад каждого отдельного гена может быть исчезающе мал. В таком случае близнецовый анализ и сравнение родителей с детьми покажут высокую наследуемость признака, но все попытки обнаружить связь между признаком и конкретными аллелями окажутся безуспешными. То есть мы будем знать, что признак сильно зависит от генов, но не сумеем выяснить, от каких именно.
Чтобы преодолеть это затруднение, необходим анализ громадных выборок из десятков и сотен тысяч людей. Чем больше выборка, тем более слабые генетические влияния могут быть с ее помощью обнаружены. Такие исследования стали возможны лишь в последние годы – благодаря прочтению генома человека, развитию и удешевлению молекулярных технологий, а также накоплению генотипических и фенотипических данных по разным человеческим популяциям, собранных по стандартизированным методикам.
В 2013 году были опубликованы результаты первой успешной попытки найти в человеческом геноме конкретные гены, связанные с уровнем образования. Выборка из 126 559 индивидов позволила выявить три гена, каждый из которых достоверно, хотя и очень слабо, ассоциирован с продолжительностью обучения. Объем усилий, понадобившихся для получения этого результата, можно примерно оценить по числу авторов статьи – их около двухсот человек (Rietveld et al., 2013).
В 2016 году в журнале Nature вышла новая статья, в которой еще более внушительный коллектив ученых со всего мира (один только список институтов и университетов, чьи сотрудники приняли участие в исследовании, насчитывает 186 пунктов) сообщил о результатах изучения выборки из 293 723 человек европейского происхождения (Okbay et al., 2016). Фактически был проведен метаанализ, то есть обобщены данные, полученные по единой методике множеством научных коллективов в разных странах. Средняя продолжительность обучения вошедших в выборку людей составляет 14,3 года.
У всех людей, данные по которым были использованы, уровень образования регистрировался в возрасте не менее 30 лет, а генотипирование проводилось по 9,3 млн однонуклеотидных полиморфизмов (“снипов”), в совокупности отражающих значительную часть всей генетической вариабельности человечества. Поскольку подавляющее большинство из 3 млрд нуклеотидов в человеческом геноме консервативны, то есть одинаковы у всех (или почти всех) людей, нет необходимости анализировать каждый нуклеотид – достаточно ограничиться только самыми вариабельными.
Исследование представляло собой так называемый полногеномный поиск ассоциаций (GWAS, Genome-Wide Association Study). У этой методики много тонкостей и подводных камней. Одна из главных проблем связана с популяционной стратификацией. Это значит, что исследуемая популяция, возможно, подразделена на части (субпопуляции), различающиеся по частотам встречаемости каких-то генов и признаков. Из-за этого возникает опасность обнаружить ложные ассоциации. Иными словами, мы можем подумать, что данный аллель тесно связан с данным признаком, хотя на самом деле просто случайно так совпало, что в одной из субпопуляций и данный аллель, и данный признак встречаются с повышенной частотой. Это называют “проблемой гена китайских палочек”. Название происходит от следующей притчи. Якобы один генетик решил выяснить, какие гены влияют на склонность есть палочками. Он попросил своих студентов (среди которых были индивиды европейского и азиатского происхождения) сообщить ему, как часто они пользуются палочками во время еды. Затем он генотипировал ответивших и провел поиск ассоциаций. Обнаружился локус, строго коррелирующий с использованием палочек. Генетик тут же опубликовал статью, в которой сообщил об открытии гена SUSHI (Successful Use of Selected Hand Instruments). Спустя пару лет выяснилось, что SUSHI на самом деле представляет собой один из генов комплекса гистосовместимости (они очень вариабельны и играют важную роль в работе иммунной системы) и один из аллелей этого гена намного чаще встречается у азиатов, чем у европейцев. Разумеется, этот ген не имеет ни малейшего отношения к использованию палочек. Однако, поскольку в азиатской культуре данное действие распространено шире, чем в европейской, GWAS выявил сильную и достоверную ассоциацию, не имеющую биологического смысла (Hamer, Sirota, 2000).
Чтобы справиться с проблемой “гена китайских палочек”, разработаны две группы методов. Первая основана на анализе данных по отдельным семьям: сравнивают родителей и детей или родных братьев и сестер, чтобы проверить, сохраняется ли ассоциация внутри отдельно взятой семьи. “Гены китайских палочек” не выдерживают такой проверки. Вторая группа методов связана с анализом неравновесного сцепления генов: если интересующий нас аллель чаще, чем ожидается при независимом наследовании, встречается в комбинации с определенными аллелями других, произвольно выбранных генов, то есть основания заподозрить, что мы имеем дело с “геном китайских палочек”.
Ученые использовали эти и целый ряд других методов, чтобы очистить полученные результаты от ложноположительных сигналов. В итоге удалось выявить 74 полиморфных локуса, каждый из которых с большой вероятностью действительно влияет, тем или иным образом, на продолжительность обучения. Три локуса, найденные в предыдущем исследовании, были повторно выявлены в новом.
Как и следовало ожидать, все эти гены влияют на уровень образования слабо. Эффект каждого по отдельности соответствует 3–9 неделям учебы и объясняет от 0,01 до 0,035 % изменчивости по признаку “продолжительность обучения”. Причем суммарный эффект всех 74 генов меньше суммы их индивидуальных эффектов.
В распоряжении исследователей имелись сведения не только о продолжительности обучения протестированных индивидов, но и о других фенотипических признаках, в том числе связанных с работой мозга. Это позволило оценить генетические корреляции, то есть то, в какой мере гены, влияющие на уровень образования, влияют также и на другие признаки.
Получилось, что генетические варианты, способствующие долгой учебе, коррелируют также с хорошими умственными способностями, большим объемом мозга и почему-то с повышенным риском биполярного расстройства. Обнаружены также крайне слабые, но все же достоверные положительные корреляции с риском шизофрении и ростом. Для этих же полиморфизмов выявлены и достоверные отрицательные корреляции: с невротизмом, риском болезни Альцгеймера, а также с массой тела.
Функциональный спектр этих 74 генов оказался весьма показательным. Среди них резко повышена доля генов, участвующих в развитии и работе мозга. Мутации в них часто ведут к умственной отсталости, уменьшению объема мозга, повышают риск болезни Альцгеймера и других нарушений когнитивных функций. Одни экспрессируются в развивающемся мозге у эмбрионов, регулируя деление клеток-предшественников нейронов, миграцию молодых нейронов и рост неокортекса, другие играют роль в синаптической пластичности (в том числе – в образовании дендритных шипиков и новых синапсов) в течение всей жизни. Синаптическая пластичность, как известно, лежит в основе долговременной памяти, без которой невозможно чему-то научиться.
Тесная связь “генов образования” с работой мозга представляется вполне логичной. Вряд ли кого-то удивит, что индивиды с хорошо развитым мозгом, при прочих равных условиях, проявляют больше склонности к учебе. И это, кстати, говорит о том, что влияние данных генов на учебу не такое уж и косвенное. Ведь могло оказаться и так, что какой-нибудь ген повышает уровень образования, поскольку влияет на свойства таза и позвоночника, помогающие спокойно сидеть за партой. Но нет: “гены образования” влияют на мозг, а не на то, на чем мы сидим.
Исследователи, впрочем, считают, что называть выявленные ими гены “генами образования” некорректно. Во-первых, уровень образования определяется средовыми факторами в несколько большей степени, чем генетическими. Но это справедливо для большинства психологических и поведенческих признаков человека. Во-вторых, влияние отдельных генов на рассматриваемый признак невелико. Это, правда, тоже общее место в генетике поведения. В-третьих, аллельные варианты генов могут влиять на признак “продолжительность обучения” не непосредственно, а через ряд промежуточных фенотипов. Конечно, это тоже справедливо для большинства связей между генами и поведенческими признаками у приматов. Чтобы проиллюстрировать последнее соображение, исследователи рассчитали, что выявленная связь между генами и продолжительностью учебы на 23–42 % объясняется влиянием этих генов на умственные способности, а еще 7 % корреляции можно списать на влияние этих же генов на личностную характеристику “открытость новому опыту”. Насколько приведенные аргументы нетривиальны и насколько из них действительно следует, что не надо называть эти гены “генами образования”, судить читателю. На наш взгляд, это просто дань политкорректности.
Авторы также отмечают, что из их результатов вовсе не следует, будто влияние 74 генов на длительность учебы является некой раз и навсегда заданной, неизменной величиной. Напротив, имеющиеся данные позволяют утверждать, что степень влияния этих и других генов на признак “длительность учебы” зависит от средовых условий. Она различна для разных стран и меняется со временем в одной и той же стране. Тут нет ничего удивительного: наследуемость признаков – величина непостоянная. Она может и должна меняться в зависимости от социально-экономических и других условий (мы подробно рассказали об этом в книге “Эволюция человека”).
Так или иначе, исследование показало, что если очень постараться и набрать побольше данных, то можно найти конкретные гены, влияющие на полигенный признак, даже в том случае, если вклад каждого отдельного гена ничтожно мал. Кроме того, работа в очередной раз продемонстрировала, что даже сложные поведенческие признаки, которые традиционно считаются ненаследственными (приобретенными), в действительности могут иметь значительную наследственную составляющую.
