Равич-Щербо И.В. Психогенетика

Подождите немного. Документ загружается.

начального роста клетки; примерно 6 часов — репликация хромосом, во вре-

мя которой активно синтезируется ДНК; примерно 5 часов — вторичный рост

клетки, и, наконец, непосредственный процесс образования двух дочерних

клеток занимает примерно час). Другие клетки делятся только в ограничен-

ный период времени (например, нейробласты, предшественники нервных кле-

ток) или только вследствие повреждения (например, клетки печени).

Мейоз

(греч. meiosis — уменьшение) представляет собой особый способ

деления клеток, приводящий к редукции числа хромосом и к переходу клетки

из диплоидного состояния в гаплоидное. В результате мейоза формируются

половые клетки — гаметы. Как и в митозе, этот процесс начинается с удво-

ения количества хромосом, но каждая клетка при мейозе делится дважды,

поэтому исходная диплоидная (т.е. создающая парные хромосомы) клетка

производит 4 гаметы, каждая из которых содержит гаплоидное число хромо-

сом (по одной хромосоме из каждой пары). Один из членов каждой гомологи-

ческой хромосомной пары попадает в одну из производимых гаметных клеток.

Хромосомный набор (число, размер, форма хромосом) человека

называется его

кариотипом.

Обычно описание хромосомного набора

проводится на определенных стадиях митоза. В это время их фиксиру-

ют, окрашивают, и тогда каждая хромосома становится отчетливо

видимой. На рис. 1.3 изображена микрофотография хромосом челове-

ка (мужчины): их 46, или 23 пары, включая одну пару половых хромо-

сом

(Х-

-хромосомы).

Несмотря на то что мейоз и митоз - процессы чрезвычайно точ-

ные, в ходе деления клетки возможны ошибки. Хромосомные ошибки

называются

хромосомными аберрациями

(или хромосомными перестрой-

ками), они ведут к искажению нормального кариотипа человека. По-

добные ошибки возникают спонтанно, но чаще под влиянием опре-

деленных средовых факторов

(так называемых мутагенов).

Различают два вида хромосом-

ных перестроек: а) перестрой-

ки, затрагивающие одну хро-

мосому, это — делеции, дефи-

шенсы (концевые нехватки

хромосом), дупликации, ин-

версии, и б) перестройки, зат-

рагивающие две хромосомы —

транслокации, в основе кото-

рых лежит обмен участками

между негомологичными хро-

мосомами.

В некоторых случаях в ходе

мейоза хромосомы не расхо-

дятся, и одна из гамет полу-

чает две копии одной хромосомы, а

другая — ни одной.

Рис. 1.3.

Набор хромосом мужчины (фо-

тография сделана при увеличении при-

мерно в 2000 раз).

При слиянии гаметы, содержа-

щей «лишнюю» хромосому, с

нормальной гаметой развивает-

ся организм, содержащий три

копии одной хромосомы. Этот

феномен известен под названи-

ем

трисомия

(подробнее о нем

см. гл. II, IV). Рис. 1.4 воспроиз-

водит микрофотографию кари-

отипа человека с трисомией

хромосомы 15. При слиянии же

нормальной гаметы с гаметой,

потерявшей в мейозе одну из

хромосом, развивается орга-

низм, содержащий только одну

копию данной хромосомы. Это

явление называется

моносомией.

Хромосомы имеют очень

сложное строение, но уже в

1924 г., не зная об этих сложностях, биолог Р. Фёльген показал, что в

них содержится ДНК. Однако ученым понадобилось еще несколько

десятилетий, чтобы соотнести ДНК с так называемыми «единицами

наследственности» и прийти к выводу, что ДНК организована и гены

(о структуре ДНК — в гл. IV), которые, в свою очередь, располагают-

ся в линейном порядке на хромосомах. Распределение генов по хро-

мосомам неравномерно: на некоторых хромосомных участках концен-

трация генов высока, на других - относительно низка.

Каждый ген имеет свои хромосомные координаты. Для удобства

обозначения этих координат хромосомы поделены на специальные

единицы, называемые локусами. Локусы неодинаковы по своей дли-

не, но, тем не менее, они используются как специальные «дорожные

столбы», обозначающие дистанции, пройденные по хромосоме. Если

принять длину всех хромосом генома человека за 100%, то гены, кон-

тролирующие синтез белков (так называемые структурные гены), со-

ставят примерно 5% всего хромосомного материала. Среди остальных

95% относительно небольшая часть его организована в гены-регуля-

торы, т.е. гены, управляющие активностью других генов. Насколько

сегодня известно, большая часть хромосом состоит из последователь-

ностей нуклеотидов, вообще ничего не кодирующих.

4. НОРМА РЕАКЦИИ И ДИАПАЗОН РЕАКЦИИ

Еще два понятия, овладение которыми чрезвычайно важно для

правильного понимания отношений между генотипом и фенотипом, —

это

«норма реакции» и «диапазон реакции».

Семантические поля этих

Рис. 1.4.

Кариотип человека с трисо-

мией хромосомы 15.

В клетках носителя этого кариотипа не 46, а 47

хромосом за счет наличия не двух, а трех

хромосом 15.

двух понятий близки, однако между ними существуют весьма значи-

мые различия. Описывая далее взаимоотношения между этими поня-

тиями, мы сначала остановимся на том, что является для них общим,

а затем — на их отличительных признаках.

Общее в понятиях нормы и диапазона реакции заключается в сле-

дующем.

Нормой (диапазоном) реакции

данного генотипа называется

система, описывающая множество фенотипов, существование кото-

рых потенциально возможно в том случае, если данный генотип будет

находиться во взаимодействии с определенными средами. Понятия и

нормы, и диапазона реакции предполагают, что каждый генотип ас-

социируется с определенным, характерным для него, рядом феноти-

пов, формирующихся в разных средах. Упрощенно понятие нормы

(диапазона) реакции можно представить следующим образом:

Различия в понятиях нормы и диапазона реакции состоят в следу-

ющем. Рассмотрим гипотетический пример, касающийся фенотипи-

ческого признака, который отражает какие-то специфические спо-

собности. Предположим, существует 4 генотипа (1, 2, 3, 4), и все эти

генотипы могут быть одновременно помещены в разные типы сред,

отличающиеся друг от друга по уровню разнообразия и обогащеннос-

ти. Схематически эта ситуация отражена на рис.

\.5а.

По оси абсцисс

отложены «уровни» среды, а по оси ординат — условные фенотипи-

ческие значения. Согласно рисунку, в обедненной среде разброс фе-

нотипических значений относительно мал, и четыре генотипа прояв-

Каждому генотипу соответствует своя определенная норма (диа-

пазон

)

еак

ии.

Рис. 1.5.

Схематическое изображение зависимости фенотипических зна-

чений от типов генотипа и среды, в которой данный генотип развивается.

а—

Схематическая иллюстрация понятия «диапазон реакции» (ДР).

Диапазон реакции обозначает разницу между фенотипическими значениями

определенного генотипа в разных типах сред [по:

Gottesman,

1963].

б —

Схематическая иллюстрация понятия «норма реакции».

Один и тот же генотип (Генотип

и Генотип

) в разной среде дает разные

фенотипы.

ляются в фенотипах, мало отличающихся друг от друга. Разброс фе-

нотипических значений существенно возрастает в типичной среде и

достигает максимума в среде обогащенной. Разница между значения-

ми данного генотипа в обедненной и обогащенной средах называется

диапазоном реакции

этого генотипа.

Обратите внимание: понятие диапазона реакции подразумевает

сохранение рангов фенотипических значений генотипов в разных сре-

довых условиях. Например, Генотип

ассоциируется с низкими фено-

типическими значениями и в обедненной, и в обогащенной средах, в

то время как Генотип

является наиболее «процветающим» в любой

среде. Соответственно, диапазон реакции Генотипа

— наименьший,

а диапазон реакции Генотипа

— наибольший. Иными словами, ос-

новным допущением при интерпретации понятия «диапазон реакции»

служит следующее предположение: существующие генотипы отлича-

ются друг от друга таким образом, что фенотипические преимуще-

ства каждого из этих генотипов постоянны, а фенотипические разли-

чия, ассоциируемые с каждым из генотипов, становятся все более

заметны по мере того, как среда становится все более благоприятной

для развития данного фенотипического признака. Если взять в каче-

стве примера математические способности, то носители Генотипа

будут демонстрировать наивысшие значения как в обедненной, так и

в обогащенной среде, причем чем благоприятнее среда, тем выше

уровень математических достижений. Напротив, носители Генотипа

будут иметь наименьшие фенотипические значения в любой среде, а

фенотипические изменения, характеризующие этот фенотип при пе-

реходе из одних средовых условий в другие, будут незначительны.

Добавим к изучаемым нами генотипам два новых — Генотип

Генотип

(рис. 1.5б). Оказывается, что поведение этих двух генотипов в

разных средах не соответствует ожиданиям о сохранении ранговых

мест фенотипических выражений разных генотипов в варьирующих

средовых условиях. Как показано на рис. 1.5б, максимальное феноти-

пическое значение Генотипа

наблюдается в типичной среде, в то время

как обогащенная среда не является благоприятной для этого геноти-

па — его фенотипическое значение уменьшается. В качестве возмож-

ной иллюстрации данного феномена может быть использован хорошо

известный из психологии развития факт: излишняя когнитивная сти-

муляция многих (но не всех) младенцев часто приводит не к оптими-

зации, а к расстройству их познавательной деятельности.

Генотип

, напротив, на переход от обедненной к типичной среде

никак не реагирует, его фенотипическое значение остается неизмен-

ным. Однако ситуация существенно меняется при изменении средо-

вых условий на обогащенные: фенотипическое значение Генотипа

резко и линейно возрастает. Примером подобной ситуации может слу-

жить развитие музыкальных способностей, поскольку ребенок, осно-

вываясь на своих природных задатках, должен овладеть мастерством,

для обучения которому ему необходимо находиться в обогащенной

среде, в то время как и обедненная, и типичная среды таких условий

не дают.

Таким образом, несколько упрощая ситуацию, можно сказать,

что понятие нормы реакции — более общее понятие, поскольку, ис-

пользуя его, исследователь не должен делать никаких предположений

о сохранении рангов фенотипов в разных средах. Для понятия же ди-

апазона реакции допущение об определенном ранговом порядке фе-

нотипов (и, соответственно, генотипов) в контексте разных средовых

условий является критическим. В силу большей широты понятия нормы

реакции далее в учебнике будет использоваться именно это понятие.

5-1432

Сегодня мы не располагаем аналитическими средствами, которые

позволили бы нам предположить, что произойдет с индивидуумом,

являющимся носителем определенного генотипа, если он будет по-

мещен в среду, отличающуюся от любой предыдущей; поэтому опре-

деление нормы реакции — задача экспериментальная. Каким образом

норма реакции генотипа определяется в эксперименте? С этой целью

генетически одинаковые организмы помещаются в разные среды, а

фенотипы, развивающиеся в результате взаимодействия генотипа и

различных сред, тщательно измеряются и описываются. В процессе

генетического экспериментирования исследователь старается выделить

для анализа ограниченное количество генов, детерминирующих оп-

ределенные признаки. Исследователь также старается застраховаться

от случайных влияний среды, работая в максимально контролируе-

мых условиях. Понятно, что этот тип эксперимента возможен только

с растениями или животными.

Задача определения набора сред, приводящих к проявлению од-

ного и того же генотипа в разных фенотипах у человека (или опреде-

ление нормы реакции данного генотипа), чрезвычайно сложна. Для

изучения нормы реакции необходимо некоторое количество генети-

чески идентичных особей, т.е. необходимы группы идентичных близ-

нецов (пятерняшек, шестерняшек или, того лучше, двадцатерняшек),

родители которых согласились бы разлучить детей при рождении и

растить их в разных средовых условиях. Биологически задача создания

генетически идентичных человеческих организмов очень трудна, но

осуществима; с точки же зрения этики такой эксперимент в цивили-

зованном обществе принципиально невозможен.

Не менее сложна задача определения параметров среды, существен-

ных для развития изучаемого признака человека. Например, что являет-

ся оптимальной средой для формирования интеллектуальной активнос-

ти ребенка? Или уже: что в семейной среде стимулирует интеллектуаль-

ную активность ребенка — количество книг, наличие компьютера или

чтение сказок перед сном? Решая данные задачи, психогенетика нахо-

дится в прямом и непосредственном контакте с психологией и, более

того, зависит от нее, поскольку именно из психологии психогенетика

должна получать сведения о том, какие конкретные средовые условия

существенны для развития того или иного психологического признака.

«Норма реакции» является понятием по своей природе интерак-

ционистским, т.е. подчеркивающим идею взаимодействия вовлечен-

ных в развитие факторов генотипа и среды. Конкретный фенотип пред-

ставляет собой реализацию конкретного генотипа в конкретных сре-

довых условиях в соответствии с его нормой реакции, и процесс этого

взаимодействия чрезвычайно сложен. Любое искусственное расчлене-

ние и квалификация генотипических и средовых влияний на форми-

рующийся организм является его упрощением, и это необходимо по-

мнить при интерпретации психогенетических данных.

5. ДВА ПОДХОДА К АНАЛИЗУ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ

ГЕНОТИПОМ И ФЕНОТИПОМ

Между генотипом и фенотипом нет неопосредованной зависимо-

сти. Между геном и первичным биохимическим проявлением его дей-

ствия (например, синтезом какого-либо белка), с одной стороны, и

влиянием этого гена на поведение — с другой, прямого соответствия

не существует. Влияние генов на поведение имеет опосредованный

характер. В той мере, в какой индивидуальные различия в психике и

поведении передаются по наследству, они представляют собой ре-

зультат сложнейших биохимических процессов. Непосредственное био-

химическое проявление гена и его влияние на психологические осо-

бенности разделены «горным хребтом» промежуточных биомолеку-

лярных событий.

Для изучения зависимости между геном (или генотипом) и поведе-

нием (или фенотипом) исследователи располагают двумя подходами.

Разница этих подходов определяется начальной точкой движения: пер-

вый подход предполагает движение от фенотипа к генотипу, второй —

от генотипа к фенотипу. Отправляясь от наблюдаемого (от фенотипа),

исследователь должен прежде всего удостовериться в том, что анали-

зируемый признак действительно подвержен влиянию со стороны дан-

ного гена, и только затем переходить к изучению последнего. В рамках

этого подхода сначала изучаются законы передачи анализируемого

признака по наследству, затем картируют* ген, детерминирующий

развитие этого признака, а потом изучают генный продукт (белок).

Второй подход предполагает противоположное направление дви-

жения — от гена (генов) к фенотипу. Данная аналитическая стратегия

заключается в локализации изучаемого гена, определении его струк-

туры и описании его нуклеотидов. Знание последовательности нукле-

отидов на участке ДНК, функция которого неизвестна, позволяет

сделать вывод о последовательности аминокислот в белке, за синтез

которого этот участок отвечает. Зная такую последовательность, мож-

но синтезировать искомый белок, а затем ввести его животному с

целью изучения его функций. Инъекция «чужого» белка вызывает об-

разование у животного специфических антител, которые дают воз-

можность выяснить, в клетках какого типа производится изучаемый

белок и какова его функция. Более того, зная нуклеотидную структуру

гена, ответственного за производство изучаемого белка, исследова-

тель может вызвать искусственные мутации гена. Изменив структуру

данного белка, можно изучать изменения в фенотипе, вызываемые

такими мутациями.

Психогенетика как наука, развивающаяся на стыке генетики и

психологии, характеризуется двойственностью своих исследовательс-

* Картирование — составление генетических карт хромосом.

ких задач: они пересекаются с задачами собственно генетическими и

собственно психологическими. Конечной целью

генетического иссле-

дования

человеческого организма, общей с целями генетических ис-

следований других живых организмов, является идентификация гена

(генов), ответственного за формирование тех или иных поведенчес-

ких признаков, его положения на хромосомной карте и описание гена

и его продуктов. Отсутствие продуктов этого гена — носителя опреде-

ленного поведенческого признака — в организме человека или обна-

ружение корреляции между мутацией гена и анализируемым призна-

ком служат свидетельством того, что найденный ген вовлечен в фор-

мирование и(или) проявление анализируемого признака.

После того как ген картирован и его продукт описан, изучение

белка, синтез которого контролируется исследуемым геном, может

привести к пониманию физиологического механизма изучаемого при-

знака. Исследование физиологического механизма признака, в свою

очередь, может помочь разработке профилактических программ (как

биологических, так и небиологических), целью которых является

уменьшение или полная остановка неблагоприятного влияния бел-

ков, синтезируемых в результате вредоносных мутаций исследуемого

гена. В конце концов, поняв систему, в которую вовлечен изучаемый

ген, исследователи, возможно, смогут разработать программы, по-

зволяющие заменять вредоносные аллели-мутанты новыми, «здоро-

выми» вариантами гена.

Конечной целью

психологического исследования

является понима-

ние этиологии и структуры анализируемого признака, обнаружение

факторов, влияющих на его индивидуальное развитие, и тех характе-

ристик среды (культурной, социальной, групповой, семейной или

индивидуальной), которые позволяют влиять на развитие, а также

макро- и микрофункционирование данного признака.

Психогенетические исследования подчиняются обеим целям, изу-

чая генотип и среду в их непрерывном взаимодействии, объединяя в

себе методологию и инструментарий обеих наук.

* * *

Изменчивость, межиндивидуальная вариативность — неизбежная

форма существования живых организмов. Она формируется в резуль-

тате взаимодействия наследственных и средовых факторов, комбина-

ция которых уникальна для каждого живого организма.

Общие закономерности наследования признаков систематизиро-

ваны в рамках хромосомной теории наследственности, центральные

понятия которой — «хромосома», «генотип», «ген» и «аллель».

Продуктом реализации данного генотипа в данной среде является

фенотип — наблюдаемые морфологические, физиологические, пси-

хологические характеристики организма. Фенотипы не наследуются,

а формируются в течение жизни в результате взаимодействия геноти-

па и среды. Одним из центральных понятий при описании этого взаи-

модействия служит понятие «норма (диапазон) реакции».

Глава II

КЛАССИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ Г.МЕНДЕЛЯ

1. ГЕНИАЛЬНОЕ ПРЕДВИДЕНИЕ ИЛИ ТВОРЧЕСКАЯ УДАЧА?

Основные законы наследуемости

были описаны более века назад

чешским монахом Грегором Менделем (1822-1884), преподававшим

физику и естественную историю в средней школе г. Брюнна (г. Брно).

Мендель занимался селекционированием гороха, и именно гороху,

научной удаче и строгости опытов Менделя мы обязаны открытием

основных законов наследуемости*: закона единообразия гибридов пер-

вого поколения, закона расщепления и закона независимого комби-

нирования.

Г. Мендель не был пионером в области изучения результатов скрещива-

ния растений. Такие эксперименты проводились и до него, с той лишь разни-

цей, что скрещивались растения разных видов. Потомки подобного скрещи-

вания (поколение F

) были стерильны, и, следовательно, оплодотворения и

развития гибридов второго поколения (при описании селекционных экспе-

риментов второе поколение обозначается F

) не происходило. Другой осо-

бенностью доменделевских работ было то, что большинство признаков, ис-

следуемых в разных экспериментах по скрещиванию, были сложны как по

типу наследования, так и с точки зрения их фенотипического выражения.

Гениальность (или удача?) Менделя заключалась в том, что в своих экс-

периментах он не повторил ошибок предшественников. Как писала английс-

кая исследовательница Ш. Ауэрбах, «успех работы Менделя по сравнению с

исследованиями его предшественников объясняется тем, что он обладал двумя

существенными качествами, необходимыми для ученого: способностью за-

давать природе нужный вопрос и способностью правильно истолковывать

ответ природы» [9]. Во-первых, в качестве экспериментальных растений Мен-

* Надо сказать, что некоторые исследователи выделяют не три, а два закона

Менделя. Например, в руководстве «Генетика человека» Ф. Фогеля и А. Мотульс-

ки (рус. изд. — 1989 г.) излагаются три закона, а в книге Л. Эрман и П. Парсонса

«Генетика поведения и эволюция» (рус. изд. — 1984 г.) — два. При этом некоторые

ученые объединяют первый и второй законы, считая, что первый закон является

частью второго и описывает генотипы и фенотипы потомков первого поколения

). Другие исследователи объединяют в один второй и третий законы, полагая,

что «закон независимого комбинирования» есть в сущности «закон независимости

расщепления», протекающего одновременно по разным парам аллелей. Однако в

отечественной литературе речь идет обычно о трех законах Менделя. Эту точку

зрения принимаем и мы.

дель использовал разные сорта декоративного гороха внутри одного рода

Pisum. Поэтому растения, развившиеся в результате подобного скрещивания,

были способны к воспроизводству. Во-вторых, в качестве эксперименталь-

ных признаков Мендель выбрал простые качественные признаки типа «или/

или» (например, кожура горошины может быть либо гладкой, либо сморщен-

ной), которые, как потом выяснилось, контролируются одним геном. В-третьих,

подлинная удача (или гениальное предвидение?) Менделя заключалось в том,

что выбранные им признаки контролировались генами, содержавшими ис-

тинно доминантные аллели, И наконец, интуиция подсказала Менделю, что

все категории семян всех гибридных поколений следует точно, вплоть до пос-

ледней горошины, пересчитывать, не ограничиваясь общими утверждениями,

суммирующими только наиболее характерные результаты (скажем, таких-то

семян больше, чем таких-то).

Мендель экспериментировал с 22 разновидностями гороха, отличавши-

мися друг от друга по 7 признакам (цвет, текстура семян). Свою работу Мен-

дель вел восемь лет, изучил 10 000 растений гороха. Все формы гороха, кото-

рые он исследовал, были представителями чистых линий; результаты скре-

щивания таких растений между собой всегда были одинаковы. Результаты

работы Мендель привел в статье 1865 г., которая стала краеугольным камнем

генетики. Трудно сказать, что заслуживает большего восхищения в нем и его

работе — строгость проведения экспериментов, четкость изложения резуль-

татов, совершенное знание экспериментального материала или знание ра-

бот его предшественников.

Коллеги и современники Менделя не смогли оценить важности сделан-

ных им выводов. По свидетельству А.Е. Гайсиновича [34], до конца XIX в, ее

цитировали всего пять раз, и только один ученый — русский ботаник

И.О. Шмальгаузен — оценил всю важность этой работы. Однако в начале

XX столетия законы, открытые им, были переоткрыты практически одновре-

менно и независимо друг от друга учеными К. Корренсом, Э. Чермаком и

К. де Фризом. Значимость этих открытий сразу стала очевидна научному со-

обществу начала 1900-х годов; их признание было связано с определенными

успехами цитологии и формированием гипотезы ядерной наследственности*.

2. ЗАКОН ЕДИНООБРАЗИЯ ГИБРИДОВ

ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ (ПЕРВЫЙ ЗАКОН МЕНДЕЛЯ)

Данный закон утверждает, что скрещивание особей, различаю-

щихся по данному признаку (гомозиготных по разным аллелям), дает

генетически однородное потомство (поколение

)

все особи кото-

рого гетерозиготны. Все гибриды

могут иметь при этом либо фенотип

одного из родителей (полное доминирование), как в опытах Менде-

ля, либо, как было обнаружено позднее, промежуточный фенотип

(неполное доминирование). В дальнейшем выяснилось, что гибриды

первого поколения F

, могут проявить признаки обоих родителей (кодо-

минирование). Этот закон основан на том, что при скрещивании двух

гомозиготных по разным аллелям форм

(АА

aа)

все их потомки оди-

наковы по генотипу (гетерозиготны —

Аа),

а значит, и по фенотипу.

* Интересующимся историей генетики можно посоветовать прекрасное изло-

жение ее в книге А.Е. Гайсиновича «Зарождение и развитие генетики» (М., 1988).