- •I Теоретическая часть:
- •II Практическая часть:
- •Типы изменчивости
- •Различия моногенных и полигенных признаков по вовлеченности генов и наследованию
- •Компоненты фенотипической дисперсии
- •Структура фенотипической вариативности признака в популяции
- •Определение среднего значения генотипа в популяции
- •Типы средовых влияний
- •Генотип-средовые эффекты
- •Три типа генотип-средовых корреляций, реализующихся в процессе индивидуального развития
- •Приложение
- •Типы изменчивости:
- •Различия моногенных и полигенных признаков
- •2. Диапазон фенотипической изменчивости
- •Характеристики центральной тенденции
- •Характеристики разброса
- •Межгрупповые и межиндивидуальные различия
- •6. Исследование природы средовых влияний
Характеристики центральной тенденции
Существуют три меры центральной тенденции, характеризующие любое распределение. Их не следует смешивать, поскольку получаемые с их помощью оценки могут и не совпадать (рисунок 3). Первая — это мода, или наиболее часто встречающееся значение признака. Мода соответствует вершине распределения. Вторая характеристика — медиана — представляет собой такое значение, выше и ниже которого располагаются результаты 50% людей. И, наконец, наиболее часто используемая и известная всем характеристика — это среднее, то есть среднее арифметическое, определяемое _ путем суммирования всех значений измерявшегося признака и деления полученной суммы на число обследованных. Для некоторых распределений мода, медиана и среднее различаются, для некоторых — совпадают (это так называемое нормальное распределение). Если распределение асимметрично, то есть имеет длинный "хвост" с одной стороны, мода, медиана и среднее будут значительно отличаться.
Рисунок 3
Основные характеристики центральной тенденции частотного распределения.
Характеристики разброса
Для характеристики разброса значений вокруг среднего чаще всего пользуются показателем дисперсии. Дисперсия представляет собой среднее арифметическое квадратов разностей между наблюдаемыми значениями и средней величиной:
Если многие значения сильно отличаются от среднего, дисперсия будет высокой, а распределение растянутым. Если же значения признака у обследованных индивидов группируются вблизи средней величины, то дисперсия будет низкой. В нашем примере распределение оценок интеллекта и отстающих, и одаренных детей характеризуется примерно одинаковой невысокой дисперсией, и распределения отличаются лишь центральной тенденцией; третье распределение (дети из массовых школ) более растянуто и характеризуется более высокой дисперсией. Для описания разброса можно пользоваться
и другой характеристикой — стандартным отклонением, величина которого равна корню квадратному из дисперсии.
Межгрупповые и межиндивидуальные различия
Можно проводить измерения в самых различных группах людей - у детей и взрослых, у мужчин и женщин, жителей городов и сельской местности, и всякий раз мы будем получать распределения, характеризующиеся средними и дисперсиями. Различия между получаемыми распределениями могут быть существенными или несущественными. Чаще всего в психологических исследованиях основное внимание уделяется проблеме межгрупповых различий, обусловленных полом, возрастом и т.п., и, как правило, основной величиной, с которой работают исследователи, является среднее значение изучаемой характеристики в каждой из групп. Генетику поведения больше интересуют не различия между группами, а различия между отдельными индивидами внутри группы, поэтому величина дисперсии, характеризующая величину различий в группе, представляет для психогенетики самостоятельную ценность. Весь математический аппарат современной психогенетики рассчитан на работу с дисперсиями.
3. В контексте генетики количественных признаков понятие среды определяется намного шире, чем в психологии. Согласно этому определению, понятие «среда» включает все типы средовых влияний — общесемейные, индивидуальные и любые другие (включая ее физические и физиологические компоненты, пренатальные условия, диету, болезни раннего детства и т.д.), в то время как в психологии средовые условия обычно приравниваются только к социально-экономическим и психологическим условиям взросления ребенка.
Термином общая среда (общесемейная, межсемейная, систематическая, семейная, разделенная) описываются типы средовых влияний, одинаковых для членов изучаемых пар родственников (родители—дети, сиблинг—сиблинг и т.д.).
Выделяют два класса общих средовых влияний:
общесемейная среда, характеристики которой различны в разных семьях, но едины для всех членов одной семьи (социоэкономический статус семьи, уровень образования родителей, жилищные условия, исповедуемая семьей религия и т.п.);
семейная среда, общая для конкретных пар членов данной семьи (близнецовая среда, среда сиблингов, родительско-детская среда и т.д.); это — среда, общая только для членов данной диады (например, школьная среда близнецов, обучающихся в одном классе, будет общей для близнецов, но не для родительско-детских пар).
Термином «индивидуальная среда» (внутрисемейная, уникальная, специфическая, различающаяся, неразделенная, случайная; среда, не являющаяся единообразной для всех членов семьи) описываются типы среды, различные у разных членов одной семьи.
Индивидуальные средовые характеристики — это набор тех средовых условий, влияния которых делают членов одной семьи непохожими друг на друга. Индивидуальная среда включает широкий спектр разных характеристик, начиная от разнообразия пренатальных условий и кончая социально-психологическими особенностями среды, специфическими для данного индивида. Примерами таких средовых влияний могут служить характеристики круга друзей и рабочей обстановки, которые, как правило, не единообразны, специфичны для каждого члена семьи.
Некоторые исследователи предлагают более детальную классификацию сред и разделяют общие и индивидуальные средовые влияния на:
систематические (повторяющиеся, долгосрочные; примерами систематических общесемейных влияний могут служить заработная плата родителей, а индивидуальных систематических влияний — школьная среда ребенка или постоянное общение с близким другом);
случайные (краткосрочные; пример случайных общесемейных средовых воздействий — смерть члена семьи, а случайных индивидуально-средовых влияний — болезнь или встреча с интересным человеком).
Эти теоретически выделенные типы средовых влияний представлены в центральной модели генетики количественных признаков в терминах компонентов фенотипической дисперсии.
Наиболее последовательно генетический анализ средовых показателей был проведен в исследовательском проекте "Различающаяся среда и развитие подростков», выполненном под руководством Дэвида Рисса (Reiss D., 1994; Plornin R., 1994) - см. приложение 6
4. При изучении генотипа в его средовом контексте исследователи выделяют два класса влияний — влияния среды и генотип-средовые влияния, т.е. совместные, сопряженные влияния среды и генотипа.
Помимо двух главных составляющих фенотипической дисперсии — генетической и средовой существует несколько факторов, возникающих в результате взаимодействия (или совместных действий) среды и генов, и часто этим факторам принадлежит весьма существенная роль. При описании генотип-средовых взаимодействий выделяются три разных класса явлений: генотип-средовые корреляции (ГС-корреляции), или ковариации; генотип-средовые взаимодействия (ГС-взаимодействия); ассортативность.
Смысл генотип-средовой корреляции хорошо передает утверждение «каждому по способностям». Теоретически предполагается, что если среда достаточно разнообразна и общество предоставляет человеку возможность выбора, каждый выбирает и получает среду, коррелирующую (положительно или отрицательно) с его генетически обусловленной индивидуальностью. (Например, человек с генетически заданным медленным индивидуальным темпом едва ли выберет профессию, в которой деятельность требует высокой скорости).
ГС-корреляция объясняет часть фенотипической дисперсии, однако задача ее вычленения в рамках реальных исследований чрезвычайно трудна. Кроме того, со статистической точки зрения выделение ГС-корреляции требует очень больших выборок.
Феномен выбора среды в соответствии с индивидуальным генотипом означает, что «однотипные» генотипы (например, высокого интеллекта) стремятся выбирать и «однотипную» среду (например, обогащенную); иными словами, распределение генотипов по вариантам среды неслучайно. Это неслучайное распределение генотипов по разным средам и называется корреляцией (ковариацией) генотипа и среды.
ТИПЫ ГС – корреляции.
1. Пассивная ГС-корреляция описывает ситуации, в которых дети наследуют от своих родителей среду, коррелирующую с их генотипом. Пассивная ГС-корреляция требует взаимодействия между членами семьи.
2. Реактивной ГС-корреляцией обозначаются ситуации, когда носители определенных генотипов вызывают определенные реакции среды (в том числе реакции других людей), что и приводит к появлению их корреляции. Реактивную ГС-корреляцию может создать любой, даже не являющийся кровным родственником, человек (или группа людей).
3. Активная корреляция возникает в ситуациях, когда носитель генотипа выбирает, задает, строит среду, коррелирующую с его генотипом. Активная ГС-корреляция может вовсе не вовлекать никого из окружающих — этот тип корреляции задается самим ребенком.
4. Позитивная ГС-корреляция характеризует ситуацию двойного преимущества для носителя определенного генотипа. Так, дети композитора Иоганна Себастьяна Баха, будучи наследственно музыкально одаренными, выросли в обогащенной музыкальной среде, поскольку отец посвящал много времени их музыкальным занятиям. Семья математиков Бернулли примечательна не только наследственной математической одаренностью, но и, как следствие ее, «математизированной» средой.
5. Негативная ГС-корреляция отражает ситуацию регрессии к популяционному среднему, т.е. тенденцию к снижению фенотипического значения признака, например, у потомков по сравнению с родителями из-за реакции среды на их генетическую индивидуальность
В целом ГС-корреляция отражает феномен неслучайного распределения сред между различными генотипами. «Хороший генотип» обычно получает и «хорошую среду»; «плохой» может выбрать адекватную себе, но объективно «плохую» среду.
ГС-взаимодействие следует четко отличать от ГС-корреляции. Подобное взаимодействие ничего общего с идеей распределения «каждому по способностям» не имеет. Оно отражает непосредственный акт совместного действия, совместного влияния генов и средовых факторов на фенотип. ГС-взаимодействие описывает генетический контроль чувствительности к средовым различиям и обнаруживается в том, что один и тот же генотип в разных средах даст разные фенотипы, а разные генотипы в одной и той же среде тоже получат разное фенотипическое выражение.
ГС-взаимодействие описывает чувствительность генотипа к разного рода средам; это — механизм формирования одним и тем же генотипом разных фенотипов в разных средах:
Например, индивидуумы, генетически предрасположенные к развитию того или иного заболевания, фенотипически не будут проявлять никаких признаков болезни только до тех пор, пока среда, в которой они находятся, не содержит патогенный фактор; индивидуумы же, генетически не предрасположенные к развитию данного заболевания, не будут его обнаруживать даже при наличии патогенного триггера в среде. Иными словами, патогенный фактор будет по-разному влиять на носителей гена заболевания и на тех, в чьем генотипе этот патогенный ген не представлен.
Методы диагностики генотип – средовых ковариаций
С целью изучения вклада ГС-корреляции в фенотипическую изменчивость психологического признака используются три основных метода. Они различаются между собой тем, что позволяют определять разные типы корреляций: первый метод служит для выделения пассивной ГС-корреляции, второй — для определения реактивного и активного типов, а с помощью третьего метода определяются все три типа корреляций.
Исследователи сравнивают корреляции между средовыми показателями и изучаемым признаком в родных и приемных семьях. В родных семьях корреляции между измеряемой характеристикой среды и психологическим признаком ребенка могут быть средовыми по своей природе или смешанными.
Состоит в изучении корреляции между биологическими родителями детей отданных на воспитание и общей средой тех семей, которыми эти дети были усыновлены. Данный метод позволяет определять значимость реактивной и активной ГС-корреляции. Психологические особенности биологических родителей детей отданных на воспитание в другие семьи могут использоваться как индикаторы генотипов детей и затем эти индикаторы могут сопоставляться с показателями среды в приемных семьях.
Используется множественный генетический анализ разлагающий зарегистрированную фенотипическую корреляцию между признаком и характеристикой среды на составляющие ее компоненты. Данный метод наиболее общий из трех, так как с его помощью можно выделить все три типа генотип – средовой корреляции.
Ассортативность – неслучайное заключение браков на основе сходства по любым факторам. Мерой ассортативности принято считать корреляцию между супругами. Ассортативность может искажать оценки влияния генетических и средовых составляющих фенотипической дисперсии и поэтому должна учитываться в любых моделях, где она может занижать или завышать оценки искомых параметров. Ее контроль возможен в случаях использования нескольких методов психогенетики.
Норма реакции - это система, описывающая множество фенотипов, существование, которых возможно в том случае, если данный генотип будет находится во взаимодействии с определенными средами.
Диапазон реакции – разница между значениями данного генотипа в обедненной и обогащенной средах.
Данные понятия предполагают, что каждый генотип ассоциируется с определенным характерным для него рядом фенотипов, формирующимся в разных средах.
Каждому генотипу соответствует своя определенная норма (диапазон) реакции.
Таким образом, можно сказать, что понятие нормы реакции более общее понятие в сравнении с понятием диапазона реакции.
5. Генетика количественных признаков предоставляет психогенетике общую теорию, на базе которой строится методологический аппарат изучения природы индивидуальных психологических различий.
Генетика количественных признаков — применительно к психологическим задачам — исходит из того, что люди отличаются друг от друга по ряду сложных психологических признаков, и предлагает модель, в рамках которой межиндивидуальные различия по этим признакам могут быть описаны в терминах фенотипической дисперсии признака в популяции, а сама фенотипическая дисперсия может быть разложена на составляющие ее генетические и средовые компоненты.
Задача генетики количественных признаков: установление того, какие компоненты и в какой степени определяют вариативность фенотипических значений исследуемого признака.
МОДЕЛЬ ОДНОГО ГЕНА
Количественные генетические модели позволяют описать измеряемые эффекты различных генотипов, возможных в отдельно взятом локусе, и суммировать эффекты всех локусов, контролирующих тот или иной поведенческий признак. Причем количество локусов, контролирующих данный признак, обычно неизвестно, и чаще всего делают допущение о том, что генетический контроль большинства поведенческих признаков осуществляется большим количеством генов, вклад которых в дисперсию изучаемого признака примерно одинаков.
Одним из характерных признаков количественных генетических моделей является то, что они предполагают существование нормально распределенных фенотипических значений признаков, контролируемых множеством генов, эффекты которых, опосредованы средовыми влияниями. Распределение большинства поведенческих признаков действительно соответствует нормальной кривой. Поэтому допущение о нормальности распределения признака, контролируемого большим количеством генов и значимых средовых влияний (т.е. являющегося мультифакторным), — психологически адекватная и статистически удобная модель для психогенетики.
Нормальность распределения не зависит от количества генов, контролирующих эту систему. Как статистические характеристики, так и теоретические положения, лежащие в основе моделей количественной генетики, одинаково правомерны для моделей, содержащих 1, 2, 25 или более генов.
Правомерным является первоначально рассмотреть модели одного гена и только потом модель множественных генов (полигенную модель).
Модели генетики количественных признаков, во всяком случае в их классическом варианте, не являются ни средством идентификации конкретных генов, контролирующих вариативность признака, ни средством точного определения вклада каждого генотипа. Эти модели решают другую задачу, а именно задачу определения общего вклада генотипа в вариативность изучаемого признака в популяции.
Генотипическое значение – некоторое количественное значение; приписываемое определенному генотипу.
Аддитивное генотипическое значение - фундаментальное понятие количественной генетики, поскольку оно отражает, насколько генотип «истинно наследуется». Аддитивный (суммарный) эффект генов представляет собой не что иное, как сумму эффектов отдельных аллелей.
Аддитивное генотипическое значение есть генотипическое значение, обусловленное действием отдельных аллелей данного локуса.
Аддитивные генные значения зависят от частоты встречаемости аллелей в популяции. При отсутствии доминирования аддитивный эффект полностью определяет генотипическое значение. Доминантность, вносит самые разные отклонения от ожидаемых значений, — об этом пойдет речь ниже.
Доминантные отклонения - мера того, насколько генотип отличается от своего ожидаемого аддитивного значения.
Доминантные отклонения — это разница между ожидаемыми и наблюдаемыми значениями генотипов. Феномен доминантности допускает, что два аллеля одного локуса могут взаимодействовать друг с другом и тем самым менять генотипическое значение, которое наблюдалось бы в том случае, если бы они были независимы друг от друга и делали независимые вклады в генотипическое значение.
Доминантность обязана своим возникновением уникальному сочетанию аллелей в данном локусе.
Генотип потомка, наследующего только один аллель от каждого из родителей, в подавляющем большинстве случаев не может воспроизвести уникальность генотипа одного из них. Поэтому потомки будут отличаться от своих родителей в той мере, в какой аллели данного локуса не суммируются линейным образом при определении генотипического значения.
ПОЛИГЕННЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
Одним из центральных допущений генетики количественных признаков, в том числе и психологических, является допущение о возможности суммирования генетических эффектов каждого локуса внутри генетической системы, включающей несколько локусов.
Эпистатические эффекты.
Аллели разных локусов, функционируя в рамках одной генетической системы, могут взаимодействовать приводя к возникновению эпистаза ( результат взаимодействия аллелий разных локусов).
Фенотипическое значение.
Популяцией называется группа индивидов, проживающих на определенной территории, имеющих общий язык, общую историю и культуру и характерный генофонд, сформированный и сохранившийся в результате того, что члены популяции вступают в браки между собой намного чаще, чем с представителями других популяций. Члены популяции похожи друг на друга (или отличаются друг от друга) по набору морфологических, физиологических, психологических и других характеристик, называемых в генетике признаками. Измеряемое значение любого признака называется фенотипом, он является результатом реализации данного генотипа в данной среде. Популяционный разброс по изучаемому признаку (популяционная вариативность признака) называется фенотипической дисперсией (Vp) и вычисляется по формуле:
При допущении независимости (т.е. отсутствия корреляции между ними) A, D и I, члены уравнения, отражающие ковариации между этими составляющими генотипической дисперсии, могут быть сокращены. Тогда
Наблюдаемая генотипическая вариативность в популяции есть результат суммирования вариативности аддитивной, доминантной и эпистатической.
Подобным же образом в терминах дисперсии может быть записано фенотипическое разнообразие людей в популяции:
Количественные психогенетические модели основаны на допущении, что популяционная фенотипическая вариативность может быть объяснена влиянием генетических (vс) и средовых факторов (ve), а также гено - средовых эффектов, возникающих в результате соприсутствия этих двух факторов [генотип-средовой ковариаци Cov(G)(E) и генотип-средового взаимодействия (vсхе].
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
Изучая механизм генетического контроля того или иного признака, можно поставить перед собой задачу найти ответы на четыре ключевых вопроса:
Насколько сильно влияние генотипа на формирование различий между людьми?
Каков биологический механизм этого влияния (сколько и какие гены вовлечены, каковы их функции и где, на каком участке какой хромосомы, они локализованы?
Каковы биологические процессы, соединяющие белковый продукт генов и конкретный фенотип?
4) Существуют ли какие-нибудь средовые факторы, влияние которых может привести к изменению исследуемого генетического механизма, и если существуют, то какова величина их влияния?
Влияние генотипа выражается относительной величиной, отражающей размерность вклада генов в фенотипическую дисперсию - коэффициентом наследуемости, вычисляющийся как отношение вариативности генетической к вариативности фенотипической:
Два типа коэффициента наследуемости:
- первый (его иногда называют также коэффициентом генетической детерминации) говорит о том, насколько популяционная изменчивость фенотипического признака определяется генетическими различиями между людьми. Его величина может варьировать от 0 до 1, т.е. теоретически изменчивость признака может и совсем не зависеть от вариативности генотипов и, наоборот, полностью определяться ею; чем выше значение этого коэффициента, тем выше роль наследственности в формировании индивидуальных различий.
второй коэффициент оценивает только ту долю изменчивости, которая связана с аддитивным действием генов; благодаря этому он позволяет получить сведения не о причинах популяционной изменчивости признака, а о свойствах гамет и генов, полученных потомками от своих родителей.
Ф. Фогелем и А. Мотульски определяют наследуемость в широком смысле формулой:
где Vg— общая генотипическая дисперсия, включающая доминирование, эпистаз и аддитивные составляющие.
Наследуемость в узком смысле определяется формулой:
Эти коэффициенты различаются только числителями дроби: если в числителе находится суммарная генотипическая вариативность в популяции (Vg) — речь идет о наследуемости в широком смысле; если же в числителе Vа, то имеется в виду наследуемость в узком смысле.
Фогель и Мотульски выделяют три свойства коэффициента наследуемости.
1. Поскольку коэффициент наследуемости есть отношение, его величина может изменяться при изменении числителя (т.е. вариативности генотипов) или знаменателя (т.е. вариативности средовых условий). Он увеличивается, когда повышается генетическая дисперсия или, наоборот, снижается вариативность сред.
2. Оценка дисперсии основана на анализе корреляций между родственниками; этот анализ проводится по определенным правилам, но они справедливы только при допущении случайного подбора супружеских пар. Применительно к психологии человека это допущение неверно, поэтому необходимы статистические поправки на ассортативность, в противном случае возникают систематические смещения в оценке h2.
3. Одно из главных допущений при вычислениях h2 — отсутствие ковариации и взаимодействия между генетическим значением и средовым отклонением, что также не всегда верно.
Все это необходимо иметь в виду при вычислении и, главное, интерпретации оценок наследуемости.
АНАЛИЗ ПУТЕЙ
Понятие наследуемости можно также проанализировать при помощи «анализа путей».
Анализ путей в последние десятилетия широко используется и в психогенетике, и в науках о поведении вообще. Он был предложен генетиком С. Райтом еще в 30-х годах и затем им же и другими исследователями детально разработан. Четкое изложение его основ и правил использования содержится в упоминавшемся труде М. Нила и Л. Кардона, которые характеризуют этот метод следующим образом.
Диаграмма путей — эвристичный способ наглядного графического представления причинных и корреляционных связей (путей) между переменными, позволяющий дать полное математическое описание линейной модели.
Существуют определенные правила построения диаграмм путей. Прямоугольники (или квадраты) обозначают наблюдаемые переменные; круги (или эллипсы) — латентные, неизмеряемые переменные (D и Е; А, В, С соответственно).
Рис.4 Диаграмма путей, объединяющая три латентных (А,В,С) и две наблюдаемые (D,E) переменные.
Рис. 5Диаграмма путей для корреляций совместно живущих пар МЗ и ДЗ близнецов
Связи между переменными обозначаются стрелками: постулированные исследователем причинно-следственные — направленной в одну сторону («путь» от причины к следствию); наблюдаемые ассоциации — двусторонней. На рис.4 первые — w, х, у, т., r, s (путевые коэффициенты); вторые — р и q (коэффициенты корреляции).
Модель выделяет зависимые переменные (D и Е) -, подлежащие объяснению или прогнозированию,
и независимые (А, В, С -, действие которых должно объяснить или предсказать зависимые переменные и их связи..
Единицы измерения, используемые в анализе путей - наследуемость описывается на языке стандартных отклонений. Путевые коэффициенты являются коэффициентами регрессии, полученными для переменных не в исходных единицах, а для стандартизованных переменных.
Несмотря на широкое использование этого метода и его достоинства, которые заключаются прежде всего в наглядной демонстрации представлений о компонентах, влияющих на исследуемый признак, он имеет и свою критику.
ОЦЕНКА СОСТАВЛЯЮЩИХ ФЕНОТИПИЧЕСКОЙ ДИСПЕРСИТИ МЕТОДОМ ПЕРЕБОРА (ПОДБОРА) МОДЕЛЕЙ (МПМ)
В современных исследованиях предпочтение при анализе психогенетических данных отдается не прямым оценкам составляющих фенотипической дисперсии, а применению метода перебора (подбора) моделей - специфическая адаптация метода структурного моделирования к задачам генетики количественных признаков.
МПМ отличается несколькими преимуществами:
более точной оценкой искомых параметров;
возможностью оценивать более сложные генетические модели, например учитывать половые различия и моделировать ГС-корреляции и ГС - взаимодействия;
возможностью сводить в одном анализе данные, относящиеся к разным типам родственников, и получать, благодаря этому, относительно несмещенные оценки параметров
4) возможностью тестирования нескольких альтернативных моделей с целью выбора той, которая наилучшим образом соответствует исходным данным.
В рамках генетики количественных признаков применение метода перебора моделей сводится к решению систем уравнений для обнаружения такого набора параметров (т.е. подбора такой модели), который наилучшим образом соответствует набору исходных данных (корреляций родственников).
Главное преимущество МПМ - он позволяет тестировать все те допущения, которые не учитываются в традиционных методах генетики количественных признаков.
На первом этапе с помощью диаграмм путей записывается система уравнений, описывающих фенотипические корреляции для всех типов родственников, данные которых анализируются. Затем исследователь формулирует набор альтернативных моделей, среди которых и ведется поиск модели с наилучшим соответствием эмпирическим данным.
Результаты применения МПМ могут быть использованы только при тестировании альтернативных моделей. МПМ не дает «доказательств» правильности тестируемой научной гипотезы; он позволяет лишь выбрать наиболее адекватную материалу генетическую модель.
