聰明的孩子靠遺傳還是“雞娃”？這些雙胞胎研究告訴你事情不簡單_風聞
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撰文 | 霜晨月
雙胞胎被引入科學研究中最早可以追溯到英國優生學科學家高爾頓（Francis Galton）。基於19世紀70年代學者們對於雙生子的研究，高爾頓提倡使用雙胞胎做對比研究，以作為支持生物特徵識別或者優生學的新證據。
從那以後，科學家們開始重視雙胞胎並將其視為“自然的實驗”或者“真實存在的實驗室”，認為這是大自然贈送給科學研究的禮物。這一影響不僅體現在實際的觀察試驗上，物理學家愛因斯坦和哲學家亨利·柏格森（Henri Bergson）曾使用雙胞胎來辯論時間的本質。在愛因斯坦的思想實驗“雙生子佯謬”中，如果一對雙胞胎中一人以接近光速的速率進入到宇宙中，當其返回地球時，他將會比待在家裏的另一人更年輕。而柏格森的反駁認為，時間這個概念不能夠在科學定義中這麼簡單地理解。這一場辯論吸引了許多觀眾，並讓更多的人意識到，雙胞胎敍事能夠用來探索關於人類存在的更多真相[1]。
複雜的智商遺傳問題
雙胞胎有關的故事總是很容易引人注目並引發更深刻的思考。2011年，當“最牛學習計劃表”火遍全網時，獲得清華“特等獎學金”的雙胞胎姐妹花廣受關注。不少人好奇，她們這麼優秀歸根到底是因為遺傳基因智商高，還是因為從小成長的家庭和學校環境優越呢？
上個世紀以來心理學家圍繞着這一主題展開了許多研究，特別是基於雙生子設計的試驗，為關於智商（IQ）的“遺傳-環境”（ nature or nurture）之爭提供了大量證據。
儘管概念上很簡單，但IQ的可遺傳性在上個世紀引起了激烈的爭論。這是因為，由於測量的方式不同和遺傳率的定義不同，智商的廣義遺傳率和狹義遺傳率結果並不一致[3]，狹義遺傳率通常會比廣義遺傳率低一些。此外，隨着年齡的變化，遺傳對於智商的影響也不盡相同。總體而言，大部分研究者發現遺傳因素對普通人羣智商分數差異的影響在人的一生中大約是在30%-70%。為什麼會是這樣一個範圍呢？許多經典研究結合雙生子設計與其他行為遺傳學方法為我們揭示了這個問題下更加複雜的生物學機制。
早在1981年發表於Science的一篇經典研究中，作者總結了111個來自於全球的IQ遺傳度相關調查[4]；並對比親生父母與子女和養父母與養子女（無遺傳關係）兩種條件下的智商關聯。該研究發現，有血緣關係的親生父母和子女之間的智力相關度要比收養關係高了1倍左右，親生父母和子女之間智力相關度大約在0.4左右，處於中等相關的水平。但後續的其他研究使用雙胞胎樣本結合其他行為學方法，在遺傳與環境對智商的影響方面有更加具體的發現；尤其是許多環境因素對於智商發展的作用亦不可忽視。
為了更好地理解相關研究，我們先來看看以雙胞胎為樣本的研究方法——雙生子設計，以及行為遺傳學中相關的其他經典方法。
雙生子設計與遺傳學方法
學術界中以雙胞胎為實驗對象的研究通常被稱為雙生子設計，其中許多研究一直是探索複雜性狀遺傳基礎的寶貴信息來源。我們知道，親屬之間由於在不同程度上共享了一些遺傳基因與生活環境，他們在特定方面的差異可能不僅來自於基因，也源於一起生活的共享環境。研究人員使用雙生子或家系研究來估計基因和環境的相對影響。這些研究的根本邏輯很簡單[2]：在某種程度上，一種性狀受特定的遺傳結構（Genetic architecture）影響，則擁有更多其對應的基因信息的那些個體，在該性狀上的相似程度會更高；當基因相似度不同的親屬處於相近環境中時，這一現象更加明顯。
雙生子設計比較成年同卵雙生子和異卵雙生子後代的性狀差異，以探索直接影響下一代的是家庭環境，還是遺傳基因發揮更多作用[2, 3. 5]。其基本原理是對比兩種不同類型的雙胞胎及其他親屬，在遺傳與環境共同作用的某一特徵的相似度。
來自同一家庭的同卵雙胞胎（MZ twins，簡稱MZ），他們源自同一個受精卵（100%共享基因），共享了完全相同的基因與家庭環境。而異卵雙胞胎（DZ twins，簡稱DZ）雖然年齡也相同，且在相同的家庭環境中長大，但只有平均一半的遺傳物質是相同的（50%共享基因），其本質上與普通的兄弟姐妹在基因上的相似程度相同。因此，同卵雙胞胎的相似度通常要比異卵雙胞胎的相似度更高，而由於環境的相似性程度不同，異卵雙胞胎比普通的兄弟姐妹之間相似度往往要高一些。
在最簡單的雙胞胎設計中，兩個來自於同一家庭的同卵（MZ）或異卵（DZ）雙胞胎共享了家庭和其他背景環境影響（如生活方式、鄰居等），因此兩種雙胞胎類型之間的環境相似程度應該沒有重大差異。基於此，對於某個行為特質的遺傳影響，研究人員以同卵（MZ）雙胞胎之間在該表型上的相關性高於異卵（DZ）雙胞胎之間的相關性的程度來定義。通過這樣的比較，研究人員可以估計特定性狀的遺傳度（h2），即遺傳影響導致的羣體變異性的比例。
行為遺傳學研究遺傳和環境對於人們行為的個體差異的影響。在過去半個多世紀裏，以雙胞胎為樣本的研究在行為遺傳學中佔據了中心位置。從20世紀80年代末開始，行為遺傳學研究的主要目標更加側重於遺傳度的分子基礎。許多研究者已經意識到大規模數據收集對於分子遺傳學研究的價值，並開始在他們的研究項目中引入兄弟姐妹、父母和雙胞胎的後代等樣本[2, 5]。
尤其是過去的十年中，全基因組關聯研究（GWASs）與雙生子研究的結合開創了行為遺傳學中科學發現和方法發展的新時代[5]。GWAS方法在大規模數據中構建多基因評分（polygenic score, PGS），以評估個體整體或者某個特徵的遺傳傾向，或者某種疾病的風險，是一種直接量化的工具——能夠揭示跨代共享（從父母到後代）的遺傳過程中的分子基礎。而雙生子研究可以在樣本量更小的情況下達到統計學要求，進行遺傳度和遺傳相關性分析；對於現有表型的評估具有更大的多樣性，且通常可以探索比GWAS數據更細微和詳細的假設。雙胞胎/家庭研究揭示的遺傳差異可以為GWAS的設計和解釋提供信息。比如在雙胞胎/家庭研究中，具有非常高遺傳相關性的行為測量變量（典型的一個例子是IQ和教育程度）可以“集中”在一起以增加GWAS的有效性，而反之遺傳相關性較低的測量變量則可以“分裂”，從而使GWAS的結果具有更大的特異性。
近些年來，由於雙生子/家庭的設計與GWAS具有不同優勢，加上它們在很大程度上具有一定的互補性，這兩種方法相結合後使得研究人員能夠梳理出更加精確的遺傳效應。基於雙胞胎的雙生子設計結合類似於遺傳學中的GWAS和行為研究等許多不同領域的方法，為科學家們研究人與人之間差異的遺傳-環境之爭提供了大量的證據。
智商相關的雙生子研究
許多研究者認為，IQ可遺傳性備受爭議的部分原因是IQ遺傳度這個定義沒有很好地表徵並使用統一的測量方式[3]。例如，常用的直接分析方法與間接分析方法，由於對於“環境”這個影響因素的處理方式不同，它們對IQ的遺傳度得出明顯不同的估計。前者通常會產生明顯更高的IQ遺傳率估計。發表在Nature上的一篇經典研究[3]，假設這種矛盾在很大程度上可歸因於沒有考慮到母親相關的因素（例如產前的子宮環境）對於IQ的影響。因此，母親效應（maternal effect）的分離或許可以更加精確地探索智商的遺傳機制，以解決IQ之謎。
這項研究評估了一種替代模型，該模型用兩個母體子宮環境（two maternal womb environment，一個用於雙胞胎，另一個用於兄弟姐妹）以及一個共同的家庭環境，取代傳統的雙生子設計中假設的三種不同環境——雙胞胎、普通兄弟姐妹以及父母和後代的特定環境。研究者基於50,470對不同的配對——其中包括對零級親屬（同卵雙生子）、一級親屬（即父母、子女以及兄弟姐妹，包括異卵雙生子）或其收養對象的——204項相關性所做的薈萃分析後發現，“母親效應”模型要比以往的“家庭環境”模型更加符合數據，並可以解釋雙胞胎之間20%的協方差和兄弟姐妹之間5%的協方差[3]。研究結果表明，智商的廣義遺傳率可能為48%; 狹義遺傳度約為34%。這些結果不僅提示了我們可能存在有關基因和環境對認知功能影響的更復雜的新模型; 也説明了改善產前環境的干預措施可能有助於顯著提高下一代的IQ水平。
現有許多研究證明了母體子宮環境的重要性[3]。大腦的神經系統在子宮內的胚胎期時便大量生長，且大腦在出生後的一年內可達到最終質量的70%。其他相關的研究也表明，IQ可以受到產前環境的影響：IQ與出生體重呈正相關，20世紀中期對雙胞胎的大規模研究表明他們的智商比獨生子女低4到5分；孕期的一些膳食補充劑可以提高孩子的IQ；而孕期酒精、藥物和香煙的使用可能會降低未來孩子的IQ；母親與胎兒的鉛交換可能會降低IQ，等等。
還有研究者從縱向發展的角度探索發現，基因的影響會隨着年齡的增長而增加。從來自4個國家的11000對雙胞胎樣本中調查發現，一般認知能力的遺傳度從兒童期（9歲）的41%顯著線性增加到青春期（12歲）的55%，並在成年早期（17歲）達到66%[6]。為什麼生活中的“命運之箭”似乎越來越多地由基因來決定呢? 研究者認為，其實對於許多特徵，基因與環境的影響往往並非是單項主導或非黑即白的。來自數千個雙胞胎研究的結果表明，大多數行為性狀是部分可遺傳的，但也同時受到環境的顯著影響。
一個經典的發現是，科學家們觀察到遺傳傾向通常也與環境因素相關，這一現象統稱為基因-環境相關性 (rGE)——即隨着兒童的成長，他們越來越多地選擇、改變自己的行為，甚至在某種程度上，個體能夠根據他們的遺傳傾向創造他們自己的經歷。父母的基因可能通過父母的特徵（如社會經濟地位、智商和教育等）來共同起作用影響後代的性狀[6, 7]。例如，有音樂天賦的孩子可能同時從他們的父母那裏繼承了更多相對於其他孩子有利於發展音樂能力的基因和環境——如樂器表演天賦和音樂環境的薰陶。
隨着基因相關的技術發展，2019年有一篇研究，作者結合雙生子設計使用全基因組關聯研究（GWAS）的多基因評分（PGS）方法，測試父母基因對於後代子女受教育情況與認知方面的影響[8]。該研究包括110萬人的最新的教育程度GWAS數據，基於這個大樣本構建的多基因評分 (PGS) 能夠預測11%- 13%的受教育程度差異和7%-10%的認知能力差異[9, 10]，並進一步證明了受教育程度是考察認知能力的一個可行指標。在這項研究的結果中，對於後代智商得分影響最高的三個因素首先是父母智商得分（相關性為0.48），其次為父母的教育水平（相關性為0.33）和社會經濟地位（socioeconomic status，即SES，相關性為0.30）。這説明除了父母基因的遺傳之外，其他一些重要的環境因素，例如家長的教育水平和SES對於下一代的智商水平也有很大影響。此外，在美國也有其他研究發現了在高SES條件下，智商和學業成就的遺傳能力似乎更高[10, 11]。
因此我們能看出，對於望子成龍的家長們而言，想要養育一個高智商的優秀孩子，僅靠“雞娃”燒錢給孩子報班或者買學區房是不夠的。孩子的智商與以下因素密切相關：首先，父母的智商基因對於孩子的智商發展與學業成績具有中等程度的影響；其次，母親對於孩子的影響會比父親高一些，女性的智商、學歷和孕期營養狀況對於孩子未來的智商潛力影響巨大；最後，“雞娃”不如先“雞自己”，父母教育水平與社會經濟地位與孩子智商水平的相關程度僅次於父母智商得分。社會經濟地位較好的情況下，孩子更能夠在學業和智商上發揮出其遺傳的智力潛能。從更宏觀的層面來説，為了我們國家發展戰略中的未來人才培養，促進男女平等、提高女性受教育機會和學歷程度也極其重要。
雙生子研究的其他方法與應用
走出最簡單的雙胞胎設計，後續許多研究也根據其不同研究目的和實驗數據演變出了諸多更加複雜的雙胞胎模型[2, 12]，科學家們也得到許多有趣的發現。
例如，多元設計的方法，即通過將單變量的雙生子研究推廣到多個變量，每個被試分析一種以上的表型，可以研究性狀之間的關聯和共病的原因[2, 5]。多元設計中可能會提出這樣的問題：運動的變化會導致抑鬱的變化嗎？不同的性狀是否會因為受到一組共同基因的影響而聚集在一起？
此外，近年來比較經典的還有CoT方法（children-of-twins）：一種使用已經成家且養育出了下一代的雙胞胎樣本，並且能夠從環境影響中分離出遺傳影響的研究範式[12]。CoT研究在過去十多年中越來越受歡迎，因為越來越多的雙胞胎樣本已經到了成家、有自己孩子的年齡，能夠提供時間跨度更長、更加全面的信息。一篇對於CoT方法的回顧性綜述顯示，當前已有的CoT研究覆蓋了從精神疾病、藥物濫用、養育和婚姻困難等多方面表型，來區分父母和子女之間的遺傳和環境作用規律。
CoT方法能夠控制家族混雜因素，從而評估親子關係中的潛在因果關係[12]。近年來CoT研究中最重要的發現之一是，父母/孩子行為關係中存在喚起性基因-環境相關性（evocative rGE），即父母與孩子之間的互動方式也受到孩子由遺傳導致的先天行為傾向調節。例如，通過領養研究和雙胞胎研究發現，基因影響的兒童行為可以影響父母的養育方式，就像父母可以影響孩子的行為一樣。這些發現可能有助於我們更好地理解親子關係的動態變化，或者複雜家庭環境中的不同親子關係。
過去的許多大型雙胞胎樣本已經逐漸有他們自己的孩子了，這在未來將為研究人員探索父母和兒童之間的表型關聯中，挖掘一些新穎而有意義的主題提供了更多的可能性[12]。
參考文獻
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