17. Близнецы

Если каждый живой организм представляет собой результат действия и наследственных факторов, и факторов среды, то каким же образом можно выявить относительную роль тех и других? Эта проблема в общей форме близка всем ученым, и они разработали стандартные методы для ее разрешения. Возьмем, к примеру, один из основных законов электричества. Сила тока, проходящего через прибор, зависит и от его сопротивления, и от напряжения, приложенного к нему. Ток невозможен без напряжения, а прибор без сопротивления. Тем не менее физики ухитряются изучать действие каждого фактора в отдельности. Действие напряжения изучили путем регистрации токов при различных напряжениях, приложенных к одному и тому же прибору. Действие же сопротивления изучили путем регистрации тока для одного и того же напряжения, приложенного к приборам с различными сопротивлениями.

В применении к проблеме наследственности и среды метод требует использования двух взаимодополняющих подходов. Во-первых, действие наследственности изучается путем наблюдения над развитием организмов с различными генотипами в одной и той же среде. Во-вторых, действие среды изучается путем наблюдения над развитием генетически одинаковых организмов в различных условиях среды.

Оба метода могут быть легко применены к таким организмам, как бактерии, дрожжи, которые вследствие многократно повторяющихся делений образуют клоны генетически идентичных клеток (см. гл. 5). У многих высших растений клоны возникают в результате бесполого размножения черенками, луковицами, клубнями и т. п. Например, все растения картофеля "Золотое чудо" генетически идентичны, и различия между ними обусловлены факторами среды. Если же два генетически различающихся сорта "Золотое чудо" и "Краснозем" вырастить по возможности в одинаковых условиях, то различия между растениями обусловливаются различиями в генотипе.

У высших животных и человека трудно создать неизменные условия среды, а строгий контроль над средой вообще невозможен. Дела не меняет тот факт, что отдельные компоненты среды, такие, как пища, температура, часто могут быть выравнены с большой степенью точности. Гораздо большие трудности в том, как получить клон идентичных генетически животных и людей.

У высших животных размножение происходит только половым путем, и вследствие этого происходит разделение (расщепление) генов, по которым родители гетерозиготны. Таким образом, каждый человек оказывается гетерозигот по многим генам. Даже генотипы братьев и сестер далеко не идентичны. (Мы обсудим это более подробно в гл. 19.) Все же имеется два способа получения клонов генетически идентичных животных и людей. Один из них, о котором пойдет речь в главе 22, состоит в тесном и продолжительном инбридинге (близкородственном скрещивании); этот трудный и громоздкий метод может быть успешно применен только к лабораторным животным. Второй способ осуществляется самой природой, которая обеспечивает условия для появления идентичных близнецов. Таким образом, природа дает в руки генетикам мощный инструмент для изучения проблемы наследственности и среды у человека, а в последнее время и у крупного рогатого скота.

Каждый знает, что существует два типа близнецов. Некоторые близнецы похожи друг на друга не больше, чем обычные братья и сестры; часто один из них бывает мальчиком, а другой девочкой. Эти близнецы называются обыкновенными, или неидентичными, близнецами. Они появляются в том случае, когда у женщины одновременно созревают и оплодотворяются две яйцеклетки. У человека такие близнецы встречаются как исключение. Но они, как правило, появляются у животных, рождающих целые пометы. Близнецы другого типа всегда принадлежат к одному полу и похожи друг на друга до такой степени, что даже родители с трудом различают их (рис. 49). Имеются наблюдения, что собаки-ищейки, для которых каждый человек имеет свой характерный запах, не могут по запаху отличить двух идентичных близнецов и, разыскивая преступника, могут сбиться на след его близнеца. Этих близнецов называют идентичными. Их возникновение обязано особенному явлению в эмбриональном развитии, которое у человека встречается как исключение, а у далекого от человека животного, у армадилло (отряд неполнозубых, класс млекопитающих), встречается как правило.

Рис. 49. Идентичные близнецы в возрасте 95 лет

В конце девятнадцатого столетия находившийся в Бразилии немецкий натуралист услышал от местных жителей, что в помете армадилло потомство относится всегда к одному полу. Натуралист отнесся к этому сообщению скептически и предположил, что оно представляет собой результат неточного определения пола у молодых особей. Дальнейшие исследования, подтвердившие, что бразильцы были правы, дали объяснение этому любопытному явлению. Когда самка армадилло спаривается, оплодотворяется только одно яйцо. Из него развивается эмбрион, который на очень ранней стадии развития делится пополам. Два вновь возникших эмбриона, в свою очередь, делятся еще раз, так что их становится четыре. У некоторых видов этот процесс повторяется и в третий раз, так всего образуется восемь эмбрионов. Таким образом, четыре или восемь особей в помете оказываются происшедшими из одного и того же оплодотворенного яйца и несут один и тот же набор хромосом и генов. Подобно черенкам от одного дерева, они образуют клон из генетически идентичных особей. А так как пол определяется набором хромосом, то они все относятся к одному полу. Более того, хотя человеку все армадиллы кажутся очень похожими, для тренированного глаза армадиллы одного помета несомненно отличаются друг от друга еще гораздо меньше (рис. 50).

Рис. 50. Идентичные четверни у броненосца армадилло и расщепление щенков в одном помете

У человека идентичные близнецы возникают также путем расщепления на стадии раннего эмбрионального развития: они, можно сказать, как бы две половинки того, что обычно считается одним индивидуумом.

Если разделение произошло тогда, когда у эмбриона уже начала определяться двусторонняя асимметрия, близнецы могут стать зеркальным отражением друг друга по многим признакам. Так, один из них может быть левшой, или волосы на макушке у одного могут закручиваться по часовой стрелке, а у другого против часовой стрелки.

Иногда возможно дальнейшее разделение одного или обоих эмбрионов. Это приводит к появлению идентичных троен, четверен или пятерен. Гораздо чаще члены таких больших групп являются неидентичными близнецами.

Идентичные близнецы - это материал, доставляемый нам природой для изучения действия среды на организмы с одинаковыми генотипами. По всем признакам, которые определяются только генами - по полу, цвету глаз и группам крови, - идентичные близнецы одинаковы. Также одинаковы они по строению белков, вследствие чего между идентичными близнецами возможна успешная пересадка кожи (см. гл. 10). По признакам, которые, подобно весу и уровню умственного развития, зависят как от среды, так и от наследственности, близнецы обычно в большей или меньшей степени различаются. Средняя величина этого различия является показателем относительной роли наследственности и среды в определении рассматриваемых признаков.

Так, как показали наблюдения, в среднем¹ идентичные близнецы больше различаются по весу, чем по росту. Поэтому можно предположить, что среда играет относительно меньшую роль в определении роста, чем в определении веса, и это подтверждается и другими наблюдениями над близнецами, о которых будет рассказано ниже.

¹ (Объяснение понятия "в среднем" дано в гл. 21.)

Так как наследственность и среда определяют фенотип, меньшая роль одного влияния балансируется увеличением роли другого (рис. 51).

Рис. 51. Влияние генотипа среды на вес и рост

Идентичные близнецы в различных условиях среды

Генетикам приходится жалеть, что обычно условия жизни близнецов чересчур сходны, более сходны, чем условия жизни обыкновенных братьев и сестер, которые хотя и растут в одной семье, но не в одно и то же время. Вследствие этого в выводах, получаемых из наблюдений за идентичными близнецами, растущими в одной семье, имеется тенденция недооценки значения среды. Резкие различия в среде могут привести к гораздо большим различиям между индивидами с одинаковыми генотипами. Это на самом деле находит подтверждение в наблюдениях над идентичными близнецами, которые с самого раннего возраста росли в разных условиях.

Двадцать подобных случаев было описано в период между 1923 и 1934 гг. Половину таких случаев выявили благодаря предоставлению бесплатных билетов близнецам для проезда на Чикагскую ярмарку. Некоторые из идентичных пар, встретившись здесь впервые, подружились и привлекали всеобщее внимание своим сходством друг с другом.

Биографии многих близнецов оказались очень интересными. Некоторые из них воспитывались в разных семьях с младенческого возраста и узнавали о существовании друг друга только после какого-нибудь исключительного события. Вот некоторые примеры. Однажды к Эдит, работавшей клерком в лавке своего приемного отца, обратился незнакомый молодой коммивояжер. "Фей!" - фамильярно окликнул он ее. Сначала Эдит наотрез отказывалась разговаривать с ним, но его настойчивость помогла ей обнаружить существование своей сестры-близнеца. Элен, школьная учительница, наткнулась на след своей сестры (о которой она ничего не знала), когда один из любимых ее учеников пожаловался, что она не поздоровалась с ним на концерте.

Изучение идентичных близнецов, воспитывавшихся порознь, дает ценные материалы по вопросу, насколько среда способна изменять наследственные признаки. По многим физическим размерам, как, например, по росту и длине головы, близнецы, воспитывающиеся врозь, столь же похожи, как и воспитывающиеся вместе. Исключение составляет вес тела, который, оказалось, сильно варьирует в разных условиях. В то время как средняя разница в весе между идентичными близнецами для 50 пар, воспитывавшихся вместе, составляет 1,83 кг, для 20 пар, воспитывавшихся врозь, эта же разница составляет 4,49 кг. Средняя разница по ПИ (показатель интеллигентности), успеваемости в школьных занятиях и чертам характера при раздельном воспитании близнецов увеличивается тем более чем больше различия между принявшими их на воспитание семьями в социальном и культурном отношениях.

Несомненно, однако, такой подход к проблеме природа - воспитание у человека ограничен тем, что исследователь должен основываться на сборе фактов и не может создавать условия, в которых бы раздельно воспитывались близнецы. В связи с этим какой-нибудь генетик может захотеть, например, разделять четверни с самого рождения и воспитывать по одному ребенку в квартире на Пятой авеню в Нью-Йорке, в индейском вигваме, в детском доме в Москве и в иглу эскимоса. Наше общество, к счастью, не позволит ему провести такой эксперимент. Более скромный прием изучения роли строго регулируемых условий среды в развитии идентичных близнецов был использован в институте имени Максима Горького в Москве¹ и дал интересные результаты. Было изучено свыше тысячи близнецовых пар, преимущественно детей. Особое внимание было уделено изучению эффекта раннего разделения близнецов. Так, в одном из экспериментов несколько пар идентичных близнецов дошкольного возраста упражнялись в составлении фигур из строительных кубиков. Всем были даны одинаковые кубики с тем, чтобы они строили одну и ту же постройку. Но в то время как один из партнеров пользовался картинкой, на которой был помечен каждый кубик, другой держал перед собой модель постройки, в которой кубики были заклеены бумагой (рис. 52). Через два месяца в каждой паре обнаруживались различия в строительном мастерстве. Во всех случаях без исключения близнец, который тренировался вторым, более трудным способом, проявлял себя лучше не только при копировании по тем или иным моделям, но и в творческом создании новых построек. Такой тип близнецовых исследований представляется многообещающим при изучении влияния факторов среды на физическое и умственное развитие детей.

¹ (Имеется в виду работа, проведенная во Всесоюзном институте экспериментальной медицины, в создании которого большое участие принимал М. Горький. - Прим. ред.)

Рис. 52. Влияние упражнения на идентичных близнецов

Сходный метод применили для изучения действия различных типов питания на развитие телят. Близнецы у рогатого скота бывают, подобно близнецам у человека, двух типов: идентичные и неидентичные. Как и у человека, идентичные близнецы характеризуются поразительным сходством по тем признакам, которые зависят преимущественно или исключительно от наследственных факторов. Сюда относятся такие признаки, как пол, присутствие или отсутствие рогов, цвет и характер волосяного покрова и отпечаток носа. Довольно любопытно, что у крупного рогатого скота группы крови не могут быть использованы для классификации близнецов из-за соединения кровеносных сосудов у неидентичных близнецов. При этом в парах, состоящих из разных полов, развиваются фримартины (см. гл. 14), смешиваются кроветворные клетки, так как каждый близнец имеет не только свою группу крови, но и группу крови другого близнеца. Так же как и идентичные близнецы у человека, идентичные телята, как правило, очень привязаны друг к другу. Если в хлеву находится несколько близнецовых пар, то каждый теленок согласует поведение не с соседом, а со своим близнецом. Когда близнецовое стадо выпускают на пастбище, близнецы всегда держатся вместе, играют друг с другом, едят и отдыхают в одно и то же время. Сведения, которые можно извлечь из опытов на идентичных телятах, приведены на рис. 53.

Рис. 53. Влияние питания на рост идентичных близнецов телят

Здесь показаны две пары идентичных телочек в возрасте двух лет. Один член каждой пары выращен на лучшей пище, чем другой. В результате эти близнецы росли быстрее, чем их партнеры. На том же рисунке показано, что хорошо питавшаяся Сара-214 весила почти 500 кг, в то время как ее скудно питавшаяся сестра-близнец Сара-213 весила меньше 350 кг. Хорошо питавшаяся Спетса-208 весила немного больше 350 кг, а ее плохо питавшаяся сестра Спетса-207 весила меньше 300 кг. Различия между Сарой-214 и Сарой-213, а также между Спетсой-208 и Спетсой-207 целиком определяются различиями в диетах. Однако на обеих диетax Сары ведут себя лучше, чем Спетсы. Действительно, плохо питавшаяся Сара-213 весила почти столько же, сколько весила хорошо питавшаяся Спетса-208. Различия между парами близнецов обусловливаются наследственными факторами: поскольку генетически лучшее животное на скудной диете росло так же хорошо, как генетически худшее животное при обильном питании. В этом частном случае эффект воздействия наследственности и среды на вес был приблизительно одинаков.

Различные генотипы в сходных условиях

Каждый из личного опыта знает, как поразительно несхожими могут быть братья и сестры по уму и темпераменту. Если они растут в одной и той же семье, эти различия клонны объяснять главным образом действием наследственности. Без сомнения, в этом есть большая доля правды. Но мы не должны забывать, что обычно братья и сестры растут в разные периоды жизни своей семьи, и это моет создавать значительные различия в домашней обстановке, в школе и в играх. Неидентичные близнецы - это братья или сестры, которым посчастливилось расти в одно то же время. Это обстоятельство делает их более пригодными для изучения реакции различных генотипов на одну ту же окружающую среду. В исследованиях такого рода желательно исключить из рассмотрения разнополые пары, так как условия жизни мальчиков и девочек различаются несколько более, чем условия жизни детей одного пола, следствие этого неидентичные братья-близнецы и сестры-близнецы растут не в абсолютно одинаковых условиях. Как же все-таки можно выяснить, обусловлены ли различия между ними наследственностью или небольшими отличиями и в окружающих условиях? К счастью, ответ на этот вопрос можно найти при сравнении их с идентичными близнецами. Последние растут в одной и той же семье, в одно и то же время, и в том случае мы твердо знаем, что все наблюдаемые различия определяются средой. Если неидентичные близнецы обнаруживают большие различия, чем идентичные, мы можем сделать вывод, что эти различия вызваны различиями в генотипе. Сравнения между идентичными близнецами, с одной стороны, и неидентичными близнецами, с другой, стали одним из главных рабочих приемов для ученых, изучающих генетику человека. Этот прием может быть дополнен сравнениями между членами других пар, чьи генотипы или условия среды имеют разную степень сходства. Так, идентичные близнецы, воспитывающиеся врозь, имеют одинаковые генотипы, но более или менее несходные условия среды. Братья и сестры или родители и дети генетически различаются, подобно неидентичным близнецам, но условия их жизни менее сходны (рис. 54).

Рис. 54. Степень различия по наследственности и условиям среды у родственников

На нескольких примерах мы покажем, как применяется тот метод. На рис. 55 отмечена встречаемость веснушчатости и степень ее выраженности у 87 идентичных и 107 неидентичных близнецовых пар. Назовем конкордантными те тары, в которых оба партнера или имеют веснушки, или не имеют, и дискордантными те пары, в которых один партнер веснушчатый, а другой нет.

Рис. 55. Веснушки у близнецов

Мы обнаруживаем, что все 87 идентичных пар конкордантны, а из 107 неидентичных пар 29 дискордантны. Это указывает на то, что присутствие или отсутствие веснушек - вопрос генотипа, и в дискордантных парах неидентичных близнецов один партнер несет ген веснушчатости, а другой нет.

К этому выводу пришли на основании исследований другого рода, и веснушчатость используется как один из признаков для различия идентичных и неидентичных близнецов. Близнецы, дискордантные по веснушчатости, считаются неидентичными. Обратное заключение, конечно, неверно.

Как показано на рис. 55, конкордантные пары могут быть как идентичными, так и неидентичными близнецами. В то время как наличие веснушек целиком определяется генами, этого нельзя сказать о степени их развития. Оказалось, что среди 70 пар идентичных близнецов с веснушками имеется 16, в которых один партнер сильно веснушчат, а другой слабо. Можно предположить, что близнецы из этих пар бывали на солнце неодинаково долго. Среди 37 неидентичных пар с веснушками не менее 27 заметно различаются по степени веснушчатости, и это, вероятно, обусловлено в равной степени различиями как генотипов, так и среды.

Когда признак зависит и от среды, и от наследственности, идентичные близнецы не всегда конкордантны по данному признаку. Обычный рахит относится к этому типу признаков. На рис. 56 приведены результаты исследования близнецов в отношении рахита. В этом исследовании использовались только те пары, в которых был болен по крайней мере один партнер, так что конкордантность по отсутствию рахита не учитывалась. Дискордантность, т. е. наличие рахита только у одного члена пары, была отмечена в 58 случаях из 74 пар неидентичных близнецов и только в 7 случаях из 60 пар идентичных.

Рис. 56. Рахит у близнецов

На основании этих данных можно сделать три вывода: 1) большая часть неидентичных близнецов дискордантна, то свидетельствует о том, что по крайней мере в изученных семьях общих для членов пары неблагоприятных условий среды было недостаточно для того, чтобы вызвать рахит; 2) в противоположность неидентичным близнецам большинство идентичных близнецов конкордантны, следовательно, наследственное предрасположение является серьезной причиной заболевания рахитом; 3) тот факт, что пар из 60 пар идентичных близнецов оказались дискордантными, показывает: одной наследственной склонности недостаточно для того, чтобы заболеть рахитом, и возникновение рахита у генетически предрасположенного ребенка ложно предотвратить. Это показали на двух примерах дискордантности у идентичных близнецов, когда обнаружили, что незаболевший ребенок находился в больнице совсем с другой болезнью и там прошел профилактический курс лечения витаминами.

К 1940 г. в США провели обширное исследование наследственной предрасположенности к туберкулезу. В течение пяти лет у всех больных, находящихся в больнице и вновь поступивших в больницы и туберкулезные клиники штата и города Нью-Йорка, спрашивали, нет ли у них братьев или сестер-близнецов. Те, у кого они оказывались (а их было 334 человека), были использованы в качестве "индикаторов". Членов их семей (свыше 2000 человек) обследовали в отношении туберкулеза. Некоторые результаты представлены на рис. 57. Пораженность туберкулезом всего населения этого района составляла 1 - 2%, но среди всех родственников больных "индикаторов", заболевших туберкулезом, оказалось гораздо больше. Так, среди 930 братьев и сестер группы "индикаторов" 25,5% также страдали туберкулезом. Можно сказать, что 25,5% братьев и сестер конкордантны со своими братьями и сестрами "индикаторами" и 74,5% дискордантны с ними. Конкордантность по туберкулезу среди родственников можно объяснить частично инфекцией и одинаковыми условиями жизни, а именно плохими жилищными условиями и недостаточным питанием.

Рис. 57. Взаимоотношение наследственности и среды в определении заболеваемости туберкулезом

Действие условий среды выявляется при сопоставлении заболевших туберкулезом из числа родителей, с одной стороны, и их братьев и сестер - с другой. Генетически родители и дети состоят в такой же степени родства, что и братья и сестры, но условия среды более сходны для детей, воспитываемых в одном доме, чем для детей и родителей. Случаев заболеваний среди отцов и матерей меньше, чем среди их братьев и сестер "индикаторов". Все же различия в сходстве условий жизни, включая и инфекцию, не могут объяснить все факты в целом. В частности, следует обратить внимание на крутое возрастание частоты заболеваний при сопоставлении неидентичных близнецов и идентичных. Правда, сходство условий жизни несколько больше у идентичных близнецов, когда они растут в собственной семье, так как человек в некотором смысле сам создает свою среду.

Надо считаться с тем, что по причине одинаковых генов идентичные близнецы склонны избирать одинаковый род занятий и одних друзей. Тем не менее все это объясняет только небольшую долю различий в степени конкордантности по туберкулезу между неидентичными и идентичными близнецами. Остальная доля должна быть приписана генам восприимчивости к туберкулезу, которые всегда одинаковы у идентичных близнецов и лишь случайно совпадают у неидентичных. Другие наблюдения также подтверждают эти выводы. Так, 26 идентичных близнецов-партнеров больных из группы "индикаторов" не подвергались действию какого-либо установленного источника инфекции, однако 16 из них, т. е. 65%, были поражены туберкулезом. С другой стороны, 174 неидентичных близнеца-партнера больных "индикаторов" были подвержены действию инфекции, и все же только 46 из них, т. е. 26%, заболели туберкулезом.

В целом эти данные по туберкулезу очень сходны с данными по рахиту (см. рис. 56). Конечно, не может быть туберкулеза без туберкулезной бациллы, но и одной инфекций недостаточно для того, чтобы вызвать болезнь. Наследственные факторы устойчивости и восприимчивости вместе с благоприятными и неблагоприятными условиями жизни определяют, последует ли за заражением болезнь или нет. В настоящее время человек не может управлять наследственными факторами, но их вредное действие может быть в значительной степени преодолено с помощью гигиены, профилактической и лечебной медицины, хороших жилищных условий и нормального питания.

Мы уже подчеркивали раньше не лишне будет сделать это еще раз: наследственность нельзя рассматривать как неизбежный рок. Если мы знаем, как предупредить или вылечить болезнь, мы можем ее предупредить и вылечить независимо от того, обусловлена она наследственностью или нет. В частности, это относится ко многим болезням, вызываемым действием внешнего агента на наследственно обусловленную конституционную чувствительность. Психические расстройства, подобно физическим болезням, часто имеют наследственную основу. Существуют гены, вызывающие у лиц, их несущих, тенденцию порождать душевный надлом в условиях сильного напряжения, которое, однако, может быть благополучно преодолено людьми с лучшим генетическим багажом. Все это нисколько не лишает нас надежд в будущем добиться успеха в предупреждении и лечении психических расстройств.

И в качестве последнего примера полезности близнецового метода рассмотрим некоторые данные по взаимодействию наследственности и среды как факторов, порождающих преступность. В период между двумя мировыми войнами ученые в Германии, Голландии и США собирали материалы по близнецам среди заключенных в тюрьмах. Они выискивали близнецовых братьев и сестер у заключенных. Если они также оказывались преступниками, то пара близнецов считалась "конкордантной", если нет, то "дискордантной". По всем данным, идентичные близнецы оказывались конкордантными, чем дискордантными, тогда как неидентичные близнецы гораздо чаще были дискордантными, чем конкордантными. Выяснилось также, что идентичные близнецы склонны совершать однотипные преступления, в то время как неидентичных часто осуждают за совершенно различные нарушения закона.

Рис. 58. Встречаемость преступности у близнецов

На рис. 58 представлены суммарные данные. Конкордантность у идентичных близнецов по сравнению с неидентичными встречается вдвое чаще. И хотя в этом, возможно, в какой-то мере виновата большая близость условий жизни идентичных близнецов, она едва ли в состоянии объяснить все целиком. Этот вывод подтверждается подробным рассмотрением биографий конкордантных пар. Во многих случаях идентичные близнецы вступали на тот же самый преступный путь спустя долгие годы существования порознь. Таким образом, преступность, подобно душевным заболеваниям, по-видимому, является результатом воздействия неблагоприятных условий среды на генетически восприимчивую конституцию. И опять-таки подчеркнем, что наследственная склонность к преступлениям не может считаться неотвратимым роком. Чем больше преуспеет общество в уничтожении факторов среды, порождающих преступления, путем улучшения социальных условий и воспитания, тем меньше будет случаев проявления этих нежелательных генов в виде преступных актов.