XVIII. Гены и внешняя среда

Может быть, вы случайно слышали споры о том, обусловлен ли какой-то признак, например умственные способности, вес тела или заболевание раком, наследственностью или внешней средой. Такие споры ничего не дают, так как они основаны на ошибочном представлении. Наследственность и внешняя среда не являются альтернативными категориями, взаимно исключающими одна другую. Напротив, именно их взаимодействие и определяет фенотип. Единственно правильным вопросом был бы следующий: в какой степени данный признак зависит от наследственности и в какой степени - от внешней среды?

Ответ на этот вопрос в значительной мере определяет признак, который нас интересует. Для небольшого числа признаков (например, цвет глаз) действительно кажется справедливым, что они целиком зависят от наследственности. Значительно реже встречаются признаки, которые, видимо, всецело определяются внешней средой. Огнестрельная рана - это, несомненно, результат внешнего воздействия, но раненый человек, возможно, ввязался в ссору по причине задиристого нрава, полученного по наследству. Более того, быстрота выздоровления человека после ранения зависит от его физического сложения, которое в свою очередь частично определяется наследственностью. Между этими крайними примерами лежит подавляющее большинство признаков, которые определяются совместным действием внешней среды и наследственности. Рассмотрим несколько примеров.

Своеобразная окраска гималайского кролика (белая с черным, см. рис. 24) обусловлена действием гена. Если молодых гималайских кроликов выращивать в инкубаторе, то они становятся целиком белыми, без характерных черных участков шерсти. Наоборот, если у гималайского кролика выщипать белые волосы и на голом участке кожи поддерживать низкую температуру, то вновь вырастающие волосы оказываются черными. Таким образом, ген гималайской окраски непосредственно не вызывает появления черных и белых волос. Он определяет особую реакцию волос на температурные воздействия: при низкой температуре тела (как и в случае искусственного охлаждения некоторых участков кожи) волосы вырастают черными, а при высокой температуре остаются белыми.

В главе IX мы познакомились с тем, что один и тот же аномальный ген у разных индивидуумов может вызывать нарушения, выраженные в различной степени, а у некоторых может вообще не проявляться. Такая нестабильность проявления генов, определяющих наследственные аномалии у человека, - скорее правило, чем исключение. Обычно это определяется влиянием внешней среды, которая может оказывать свое действие еще до рождения ребенка, так как утроба матери для развивающегося младенца - уже внешняя среда.

Иногда существование аномального гена может оставаться неизвестным до тех пор, пока он не проявится вследствие воздействия особых внешних условий. В ходе последней войны в страны Дальнего Востока были завезены новые лекарства против малярии. Позднее обнаружилось, что некоторые люди не могут их принимать, так как они вызывали тяжелую форму анемии, в то время как для других препараты оказались совершенно безвредными. Установлено, что различные реакции обусловлены ранее неизвестным геном, сцепленным с полом.

Большинство количественных признаков (см. главу IX) в значительной степени зависят от внешней среды Генотип устанавливает пределы, в которых может протекать развитие организма; внешние факторы определяют развитие в рамках, установленных генотипом. Собака, которую хорошо кормили, будет крупнее собаки, которую содержали впроголодь. Но голодающий щенок эльзасской породы все же вырастет в более крупную собаку, чем закормленный щенок терьера.

Разные породы крупного рогатого скота и отдельные коровы каждой породы различаются, генотипами, определяющими удои молока. Однако при плохом корме корова с хорошим генотипом может давать меньше молока, чем корова, у которой генотип хуже, но которая содержится в хороших условиях. Для скотоводства это обстоятельство создает известные трудности. Важно знать, какие коровы имеют лучший генотип, так как по наследству передаются только гены (см. главу IX), но отнюдь не признаки, которые определяются внешней средой. Отделить действие генотипа от влияния внешней среды при формировании количественных признаков - одна из самых важных (но в то же время и самых трудных) задач, стоящих перед селекционерами.

Гены, так же как и внешние влияния, определяют общее развитие ребенка и его успехи в учебе. Слабоумный извлекает очень мало пользы даже из самого хорошего образования, а человек, рожденный с гениальными задатками, обычно достигает многого без сколько-нибудь ощутимой посторонней помощи. Но для большинства детей домашнее окружение, школьное образование и их собственные усилия определяют, насколько их достижения приблизятся к верхнему пределу их врожденных способностей.

Близнецы - это тот природный материал, предоставленный генетикам, на котором лучше всего изучать взаимодействие генотипа и внешней среды.

Как вы, вероятно, знаете, близнецы бывают двух типов. Обыкновенные (или братские) близнецы похожи друг на друга не более чем обычные братья и сестры; нередко один из них - мальчик, а другой - девочка. Такие близнецы рождаются в тех случаях, когда у женщины происходит оплодотворение сразу двух яйцеклеток; родственные отношения близнецов этого типа подобны отношениям щенят одного помета. Близнецы другого типа всегда бывают одного пола, и они столь похожи друг на друга, что даже родители различают их с трудом (фото X). Такие близнецы называются идентичными. Они возникают, если уже оплодотворенная яйцеклетка делится на две клетки, каждая из которых развивается в целый организм. Они представляют собой как бы две половины того, что должно было бы стать одним индивидуумом, а поскольку все клетки любого индивидуума несут одинаковые гены, то идентичные близнецы имеют тождественные генотипы (рис. 42).

Фото X. Идентичные близнецы

Рис. 42. Различные типы близнецов

Это и есть исключение из того положения, которое было сформулировано в конце главы XVII.

По тем признакам, которые всецело определяются генотипом (например, пол или цвет глаз), идентичные близнецы всегда сходны. Вероятно, две пары близнецов в родословной по многопалости (см. рис. 18, глава VII) являлись идентичными, так как в каждом случае они были одного пола, и в то время как близнецы одной пары страдали многопалостью, близнецы другой пары не имели этого дефекта.

Любые различия у идентичных близнецов всегда обусловлены воздействиями окружающих условий. Так, образование веснушек вызывается действием гена (см. задание к главе IX), и идентичные близнецы или бывают оба с веснушками, или оба без веснушек. Но количество веснушек зависит от солнечного света, и если один из близнецов часто бывает на воздухе, а другой редко днем выходит из дома, то у первого будет много ярких веснушек, а у второго они будут мало заметны.

Чем сильнее признак зависит от наследственности, тем больше идентичные близнецы похожи друг на друга но этому признаку. Чем сильнее он зависит от внешней среды, тем больше могут различаться идентичные близнецы. Самые большие различия между ними будут при условии их воспитания в разных домах; однако случаи их раздельного воспитания встречаются редко. В общем, идентичные близнецы воспитываются в столь одинаковых условиях, что может возникнуть вопрос, не является ли это главной причиной их сходства. Сравнение с обыкновенными близнецами может помочь ответить на этот вопрос. Обыкновенные близнецы, как и идентичные, растут в одном и том же доме и в одно и то же время. Поэтому влияние внешней среды на различия между обыкновенными близнецами сопоставимо с ее влиянием на различия между идентичными близнецами. Возможность этих сравнений показана в табл. 18.

Таблица 18

Различие между обыкновенными и идентичными близнецами, росшими вместе, определяется главным образом разной наследственностью. Различие между идентичными близнецами, росшими вместе, и идентичными близнецами, росшими порознь, полностью определяется разными окружающими условиями. Если по какому-то признаку обыкновенные близнецы отличаются друг от друга больше, чем идентичные, росшие вместе, то можно сделать вывод, что этот признак, по крайней мере частично, зависит от наследственности. Если по какому-либо признаку идентичные близнецы, росшие порознь, отличаются друг от друга больше, чем идентичные, росшие вместе, то можно заключить, что этот признак находится под влиянием внешней среды. В тех случаях, когда есть возможность сравнивать все три типа близнецов, можно оценить, в какой степени признак зависит от наследственности и в какой - от внешней среды.

Рассмотрим, как практически используется близнецовый метод. Американские ученые исследовали 50 пар идентичных близнецов, росших вместе, 20 пар идентичных близнецов, росших порознь, и 52 пары обыкновенных близнецов. Среди изученных признаков были рост, вес и умственные способности. Последний признак оценивался по так называемому показателю интеллигентности. По каждому из этих трех признаков исследователи сначала определяли различия между членами каждой из 122 пар близнецов, и затем получали усредненные данные по каждой из трех групп. Например, среднее различие в весе между обыкновенными близнецами является суммой различий в весе между членами каждой из 52 пар, деленной на 52. Другие средние показатели вычислялись таким же образом. Полученные результаты представлены в табл. 19.

Таблица 19

Какие выводы можно сделать из этой таблицы? Прежде всего видно, что по всем трем признакам обыкновенные близнецы отличаются друг от друга больше, чем идентичные, росшие вместе. Это говорит о том, что все три признака зависят от генотипа. Однако не только от него. Внешняя среда также играет роль, поскольку в противном случае идентичные близнецы вовсе не отличались бы друг от друга. И, наконец, сопоставление идентичных близнецов, росших вместе, с идентичными близнецами, росшими порознь, дает некоторое представление об относительной роли наследственности и внешней среды в определении каждого признака. Раздельное воспитание приводило к значительно большим различиям в весе и умственных способностях, но не оказывало почти никакого влияния на рост. Исходя из этого можно заключить, что рост зависит главным образом от наследственности, а вес и умственные способности определяются примерно в равной степени наследственностью и внешней средой.

Выводы

1. Каждый фенотип является результатом взаимодействия генотипа и внешней среды.

2. Только небольшое число признаков определяется исключительно генотипом. Еще меньшее число признаков определяется исключительно внешними влияниями. Для подавляющего большинства признаков генотип определяет пределы, в которых внешняя среда может видоизменять фенотип.

3. Человек подвергается всевозможным влияниям внешней среды, включая образование, взаимоотношения с другими людьми и даже усилия, которые он прикладывает для развития собственных способностей.

4. Исследование близнецов - это метод, позволяющий оценить относительную роль генотипа и внешней среды в формировании признаков человека.

5. Идентичные близнецы развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки. Обыкновенные, или братские, близнецы развиваются из двух оплодотворенных яйцеклеток и являются братьями и сестрами, рожденными одновременно. Идентичные близнецы имеют одинаковые генотипы; они всегда одного пола. Братские близнецы имеют разные генотипы; они могут быть разного пола.

6. Когда близнецы растут вместе, окружающие условия для каждого из них очень сходны. Признак, по которому братские близнецы отличаются друг от друга больше, чем идентичные близнецы, по крайней мере частично определяется наследственностью.

7. Идентичные близнецы, растущие порознь, находятся в разных условиях. Признак, по которому идентичные близнецы, росшие порознь, отличаются друг от друга в большей степени, чем идентичные близнецы, росшие вместе, по крайней мере частично определяется внешней средой.

Задание

Изучение близнецов широко используется для оценки роли наследственности в возникновении аномалий и заболеваний у человека. Данные табл. 20 взяты из таких исследований. Они касаются случаев, когда один из близнецов имел какой-то дефект или перенес заболевание, и показывают, насколько часто другой близнец имел ту же аномалию или перенес то же заболевание. Каждое исследование проводилось на очень большом числе пар близнецов обоих типов. Все близнецы воспитывались вместе.

Таблица 20

1. Какая из этих аномалий (или заболеваний) в наибольшей степени зависит от генотипа?

2. Для каких случаев влияние генотипа оказывается сомнительным?

3. Попытайтесь расположить эти аномалии и заболевания в. таком порядке, который соответствовал бы последовательному снижению роли наследственности.