Генетическая основа поведения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

На тему: “Генетическая основа поведения”

Кищак Владислав Игорович

Байконур, 2013

Наличие у человека стабильной генетически запрограммированной природы на протяжении всей его истории имело колоссальные политические следствия. Как считал Аристотель, люди к сожалению по натуре -- животные, но, к счастью - культурные, то есть они умеют учиться на опыте и передавать этот опыт своим потомкам не генетическим образом, так называемая культурное наследование. Следовательно, человеческая природа не определяет жестко поведение человека, но ведет к большому разнообразию в способах воспитания детей, правления, добывания средств к существованию и так далее. Постоянные усилия человечества по самоизменению своей биологической природы -- вот что создает человеческую историю, культуру прогрессивный рост сложности и разветвленности человеческих институтов.

Одной из основных проблем генетики является проблема реализации генетической информации в сложных формах поведения. В последние десятилетия получены принципиально новые данные о роли медиаторов (нейротрансмиттеров)³ мозга в регуляции поведения, эмоциональности, физиологических функций. Широкие перспективы, открывшиеся для понимания механизмов регуляции поведения и эмоционального состояния и для возможностей влиять на них, поставили медиаторы в центре внимания исследователей мозга.

В то же время генетический контроль медиаторов и его роль в генетической детерминации поведения изучены крайне слабо, несмотря на очевидность того, что путь от гена к такому признаку, как различные формы поведения, должен включать генетический контроль медиаторов, регулирующих эти формы поведения. Показано, что генетическая регуляция медиаторных систем мозга является существенным элементом регуляции поведения как в норме, так и патологических его форм. Установлено, что селекция высших животных по поведенческим признакам фактически является селекцией на определенную функциональную активность медиаторных систем мозга, участвующих в регуляции данного вида поведения. Так, селекция на низкую агрессивность по отношению к человеку сопровождается повышением уровня и изменением метаболизма «классического» медиатора мозгасеротонина, играющего роль ингибитора в регуляции ряда видов агрессивного поведения. Существенно, что сходные изменения в метаболизме серотонина при селекции на доместикационный⁴ тип поведения обнаружены у представителей разных родов животных таких, как серебристо-черные лисицы и крысы-пасюки. Следовательно, селекция на низкую агрессивность ведет к наследственно закрепляемой перестройке серотониновой системы мозга, проявляющейся в усилении и накоплении этого ингибирующего агрессивность признака. Эта перестройка, по-видимому, является одной из основ изменения поведения животного и наследственного закрепляемого превращения в совершенно новый тип, характеризующийся поведением, несвойственным его дикому сородичу.

Основными элементами, через которые осуществляется генетический контроль функционального состояния медиаторных систем мозга, для небелковых медиаторов, являются ключевые ферменты их метаболизма. Для серотониновой системы мозга таким ферментом является триптофангидроксилаза, активность которого контролируется одним геном. Активность триптофангидроксилазы в стволе мозга, например мышей коррелирует с внутривидовой агрессивностью самцов и с некоторыми физиологическими процессами, в регуляции которых принимает участие серотонин. К ним относятся устойчивость мышей различных линий к охлаждению и такой показатель стрессорной реактивности, как интенсивность образования у мышей разных линий язв желудка, вызванных эмоциональным стрессом.

Генетические исследования говорят в пользу прямой связи на молекулярном уровне между генами и специфичным человеческим поведенией. Это прослежено на примере многих семей. Известный пример, когда изучение одной голландской семьи, за которой числились многие случаи агрессии, вывело на гены, управляющие выработкой ферментов моноаминоксидаз, или МАО. Исследование на мышах показало, что аналогичный дефект в генах, управляющих синтезом МАО, вел к крайней агрессивности.

История человечества показывает, что в конечном итоге личности могут научиться подавлять свои порывы, в частности, если их учат должному поведению в соответствующей фазе развития. Общество тоже может много сделать, чтобы принудить личность к такому самоконтролю, а если этот самоконтроль отказывает -- то для предотвращения преступления или наказания преступления совершившегося. Социальные факторы приводят к впечатляющему разбросу цифр преступности в разных обществах, например в Нью-Йорке в год совершается убийств больше, чем во всей Японии. Такие закономерности в одном и том же обществе наблюдается в разные времена. Но социальный контроль действует в контексте биологических импульсов. Причем цифры убийств меняются согласно определенным предсказаниям эволюционной биологии -- например, бытовые убийства чаще происходят в случае людей, не состоящих в кровном родстве (муж и жена, например, или отчим и приемные дети), чем в случае кровных родственников.

Каково бы ни было соотношение между генами и средой как источниками преступности, ясно, что дискуссия на эту тему в современном мире затруднена. Причина в человеческой истории и традициях. Афроамериканцы занимают непропорционально большую долю в криминальном населении США, однако любое предположение о генетической компоненте этого явления будет воспринято как утверждение, что афроамериканцы генетически более предрасположены к преступлению. Ни один исследователь не имел в виду подобного научного расизма, но у людей все равно останутся серьезные подозрения, что каждый интересующийся данной темой обязательно должен иметь расистские мотивы. генетическая информация детерминация поведение

Однако наша способность управлять поведением человека станет через какое то время напрямую зависеть от развития ДНК технологии. Практически все предсказываемые возможности, связанные с развитием генной инженерии, мы куда вероятнее и куда быстрее сможем осуществить посредством нейрофармакологии. И нам предстоят большие демографические сдвиги популяций, которым станут доступны новые биомедицинские ДНК технологии, изменения не только в распределении полов и возрастов, но и в качестве жизни существенных групп населения.

Влияние факторов внешней среды на проявление различных признаков, контролируемых системами, состоящими из многих генов, можно проиллюстрировать множеством различных примеров. Так, американский генетик Р.Левонтин отмечает, что даже мыши, выведенные генетически идентичными, по-разному реагируют на яд в окружающей среде и что отпечатки пальцев идентичных близнецов никогда не совпадают. Есть такой вид горных растений, у которых внешний вид полностью меняется в зависимости от высоты, на которой они растут. Хорошо известно, что младенцы, независимо от генотипа, сильно отличаются физически и умственно в зависимости от поведения матери в период беременности -- пьет ли она, принимает наркотики, достаточно ли хорошо питается и так далее. То есть взаимодействие индивида со средой начинается задолго до рождения; свойства, которые мы привыкли относить к природным, являются, следовательно, продуктом сложного взаимодействия генетических факторов и среды..

В то же время, это не отменяет биологической природы человека. Под влиянием еды может меняться средний рост, но не может рост человека превысить некоторый верхний предел или оказаться меньше нижнего, и не может средний рост женщин оказаться больше среднего роста мужчин. Эти параметры все же задаются природой. Более того, в большинстве своем свойства людей не подобны свойствам горных растений, имеющих совершенно разные формы на разных высотах. Дети не отращивают мех, если родились в холодном климате.

Таким образом, важно не то, влияет ли среда на поведение и свойства, типичные для человека как вида, важно -- насколько влияет. Степень наследуемости какого-либо свойства или вида поведения сильно варьирует. Предпочтения в музыке практически полностью формируются средой, которая почти не оказывает влияния на такие генетические болезни, как хорея Гентингтона и другие.

Знать степень наследуемости конкретной характеристики очень важно, если она существенна. Например, у индивидуумов с низкой оценкой коэффициента интеллекта (IQ) такая оценка часто зависит не от природных генетических причин (отбор по этому признаку в популяции уже прошел), а от влияния экологической, социальной и культурной среды. То есть, имеется надежда на возможность сдвинуть средние значения этого показателя, сочетая контроль питания, воспитания и социальной политики.

Аргументы о том, что генотип не всегда определяет фенотип, относятся ко всем видам. Другого рода доводы против видоспецифичной природы человека применима почти исключительно только к нему: люди суть культурные животные, которые могут изменять свое поведение путем самообучения и передавать обретенные знания и умения следующим поколениям не генетическим путем. Это значит, что пределы изменения и модификации поведения человека куда больше, чем у любого другого вида.

Система родства у человека простирается от сложно устроенных кланов и родов до неполной семьи с одним родителем, чего нет в системе родства шимпанзе или летучих мышей. Допустим, что наша культурная многообразие соответствует генетической разнокачественности. Отсюда следовал бы вывод, что граждане долго существующих демократий иные и имеют иную генетическую конституцию, нежели те, кто привык жить под диктатурой. Но мы знаем, что мировоззрения жителей тоталитарных государств сильно изменилась под влиянием поражения и открытия правды о военных преступлениях, пример Япония и Германия.

В популярной печати пишут о «генах» что угодно, от рака груди до агрессивности, и это дает людям ложное ощущение конечного биологического детерминизма; тут полезно было бы напомнить, что культура и социальные конструкции продолжают играть в нашей жизни важную роль. Однако оценка наследуемости коэффициента интеллекта IQ в сорок--пятьдесят процентов уже содержит в себе оценку влияния культуры на IQ и подразумевает, что даже если принять в расчет культуру, все равно останется его существенный наследуемый компонент.

Аргумент, что человеческой природы не существует, поскольку люди -- культурные животные и способны обучаться, в корне неверен. Ни один серьезный мыслитель никогда не отрицал, что люди суть культурные создания или что они могут с помощью самообучения, образования и социальных институтов формировать свой образ жизни. Аристотель отмечал, что человеческая природа не приводит нас автоматически к нашим зрелым формам так, как вырастает желудь на дубе. Процветание человека зависит от тех достоинств, которые человек должен приобретать осознанно. Такая вариабельность индивидуального развития отражается в вариабельности представлений о справедливости, несмотря на то что природной справедливости не существует, «все нормы справедливости изменчивы». Тем не менее, нужно, чтобы кто-то основывал города, писал законы для этих городов, основанные на представлениях о справедливости, соответствующих имеющимся условиям. Аристотель замечает, что хотя «правая рука обычно сильнее левой, но любой человек может научиться одинаково действовать обеими руками»: воздействие культуры может преодолеть природу. В системе Аристотеля достаточно места для того, что мы сегодня называем культурными вариациями и историческим развитием.

Другое важное положение о человеческой природе, как считал Гегель, это то, что борьба за общественное признание есть чисто человеческое явление -- даже в каком-то смысле центральное, определяющее суть человека. Но под человеческой жаждой признания, как сейчас выяснено, кроется биологическая основа, которая наблюдается и у многих других видов животных. Представители многих видов выстраиваются в иерархию подчинения. У приматов --родственников человека, таких как гориллы и в особенности шимпанзе, борьба за статус в иерархии подчинения очень напоминает человеческую. Самцы-шимпанзе образуют коалиции, интригуют друг против друга и друг друга предают и очевидным образом испытывают эмоции, весьма напоминающие гордость и гнев, когда их ранг в колонии признается или не признается собратьями.

Конечно, человеческая борьба за признание сложнее, чем у животных. Люди, обладающие умом, интеллектом, памятью, способностью к обучению, даром абстрактного мышления, могут направить борьбу за признание на созидательную деятельность - идеологию, религию, должности, премии и других символов почета, остальные - действовать по типу Герострата. Существенно то, что жажда общественного признания, уважения, власти имеет биологические корни, и эти корни связаны с уровнем серотонина в мозгу. Было показано, что у обезьян, находящихся в самом низу лестницы подчинения, уровень серотонина низок, и наоборот, когда самец обезьяны добывает себе статус самца альфа, он испытывает «серотониновый прилив».

Науки о жизни расширили знания о природе человека и его поведении, и потому необходимо пересмотреть некоторые наши знания о человеческой природе. Тогда станет ясно, какие из них устояли, какие опровергнуты, а какие необходимо модифицировать в свете того, что нам уже известно. Более важным является попытка выделить свойства, уникальные для вида, поскольку они играют ключевую роль в понимании вопроса о видовых особенностях поведения человека.

Многое из того, что узнали о человеческой природе, касается видоспецифичных способов, с помощью которых мы воспринимаем и усваиваем информацию и интеллектуально развиваемся. У людей свой способ познания, отличающийся от способов других высокоразвитых млекопитающих, таких, например, как обезьяны и дельфины. Человеческий способ позволяет накапливать новые знания, но не бесконечно. Очевидным примером является язык. Реальные человеческие языки условны, и одна из величайших пропастей, разделяющих группы людей, есть взаимное непонимание различных языков. С другой стороны, как мы видим, способность усваивать языки универсальна и определяется некоторыми биологическими свойствами человеческого мозга. Предполагают, что существуют «глубинные структуры», лежащие в основе синтаксиса всех языков. Идея о том, что эти глубинные структуры являются врожденными, генетически запрограммированными аспектами развития мозга, сегодня широко принята. Гены, а не культура, гарантируют появление способности к изучению языка в какой-то момент первого года жизни ребенка, и уменьшение этих способностей, когда ребенок достигает отрочества.

Количественные признаки в генетике поведения

Как уже упоминалось, огромное большинство признаков поведения характеризуется непрерывной изменчивостью, и подобные ряды нельзя подразделить на фенотипически дискретные классы. Такой характер фенотипической изменчивости можно объяснить одновременным действием большого числа генов в сочетании с фенотипическими отклонениями, которые вызываются влиянием средовых факторов.

В разделе, посвященном проблемам нейрогенеза (см.: 8.5.1), говорилось о компонентном составе фенотипической изменчивости в применении к проблеме относительной роли генотипа и среды при формировании признака. При оценке количественных признаков сформированного организма выступают сходные по структуре, но несколько иные по природе закономерности. Ниже будет дан их анализ.

Вклад генетической изменчивости в фенотипическую подразделяется на три части: аддитивные генетические эффекты, отклонения доминирования и эпистатические взаимодействия. Основная модель количественной генетики представлена на рис. 8.24.

Рис. 8.24. Схематическое изображение возможных эффектов действия одиночного гена, имеющего два аллеля. Параметр da -- величина, равная половине разницы между двумя гомозиготами; ha -- величина, на которую признак отклоняется у гетерозиготного генотипа от точки m, -- это средняя величин признака обоих родителей.

В генетике количественных признаков заглавными буквами обозначают усиливающие аллели, которые не обязательно доминантны. Таким образом, величина da положительна по определению, тогда как ha может принимать любые значения

Если мы возьмем инбредную линию, гомозиготную практически по всем локусам, поскольку она прошла много поколений братско-сестринских скрещиваний, то фенотипический признак, определяющийся большим числом генов, можно обозначить как m + (d+) + (d-) ; где (d+) -- суммарный эффект генов, представленных в данном фенотипе усиливающими аллелями; (d-) -- то же для ослабляющих аллелей; параметр m -- постоянная, которая отражает средние средовые эффекты, общие у двух сравниваемых линий, а также генетические эффекты для локусов, в которых сравниваемые линии имеют одинаковые аллели.

Различия в величине признака для двух инбредных линий будут выражаться как 2[(d+) + (d-)]; эту величину мы будем обозначать для краткости как 2[d]. Точно также величина признака у гибрида первого поколения выразится как m + (h+) + (h-), далее обозначается как m + [h].

Отметим, что А -- это суммарное, связанное с доминированием, отклонение для многих генов. Если эффекты этих генов противоположны по направлению, то [h] будет малым или равным нулю, даже если доминирование имеет место. То же относится и к [d]: даже когда у двух инбредных линий, несущих разные аллели в существенных для признака локусах, фенотип определяется аддитивными генетическими эффектами, межлинейные различия необязательно будут заметными. С другой стороны, у гибридов может возникнуть ситуация, когда две родительские линии имеют доминантные аллели, равно распределенные между ними. Тогда в случае направленного доминирования (т.е. когда все отклонения доминирования имеют одно направление) все гибриды будут обладать крайними значениями признака. Из-за этого фактическая величина [h] может оказаться больше, чем [d]. Это явление называется гетерозис.

Сложнее описать участие генотипа в определении изменчивости признака при эпистатических (т.е. межлокусных, или неаллельных) взаимодействиях. Этими терминами обозначают явления, когда эффекта разных генов не суммируются простым образом, а фенотипический эффект аллелей одного локуса зависит от генотипа другого локуса. Наиболее простой и известный пример эпистатического взаимодействия -- это взаимодействие локусов, влияющих на окраску шерсти у мышей. Например, локус b определяет черный или коричневый цвет шерсти. Однако, если мыши гомозиготны по локусу альбинизма с, то пигмент просто не образуется и никакие аллельные замены в локусе b ничего изменить не смогут, Эпистатические взаимодействия элементов полигенной системы настолько сложны, что ее точное описание невозможно, Для простоты описания обычно постулируется отсутствие значимых межаллельных взаимодействий. Более подробное знакомство с методами генетики количественных признаков помогает в оценке результатов генетических исследований признаков поведения и позволяет построить модели, которые описывают достаточно сложные генетические феномеиы, такие как, например, плейотропия.

Важным понятием в генетике количественных признаков является также наследуемость "в узком" и "в широком" смысле. Наследуемость в узком смысле определяют как долю всей фенотипической дисперсии, которая определяется генами с аддитивными эффектами. Наследуемость в широком смысле -- это доля всей генетической изменчивости в фенотипической.

Из этих определений следует, что величина наследуемости зависит от генетических особенностей особей изучаемой популяции, от средовых условий, а также от степени точности, с которой определяется фенотип.

Можно кратко проанализировать случай, когда необходимо оценить корреляцию между двумя признаками, каждый из которых находится частично под контролем общих генов. Иными словами, в данном случае нас больше интересует ковариация между признаками, чем просто их изменчивость. Фенотипическая коварианса двух признаков имеет генетическую и средовую составляющие. В свою очередь генетическая составляющая может быть подразделена на компоненты, связанные с аддитивным эффектом и с эффектом доминирования.

Если мы определили величины генетических коварианс и дисперсий (варианс), то вслед за этим можно вычислить генетическую корреляцию между признаками. Отметим, что подобные расчеты проводятся на основе математических моделей со значительным числом допущений (например, об отсутствии неравновесия при сцеплении см.: Айала, 1988). Если фенотипические корреляции между признаками могут оказаться следствием целого ряда случайностей и/или побочных эффектов, то генетические корреляции отражают реальное существование "общего пути" в формировании двух признаков, иными словами, реальное существование общих генов, которые детерминируют интересующие нас признаки.

Фенотипическая изменчивость есть не только сумма эффектов изменчивости генотипа и среды, она включает в себя также величину, связанную со взаимодействием этих факторов. На основе этого соотношения были разработаны методы оценки наследуемости, степени доминирования аллелей, а также так называемые многопараметрические статистические методы в применении к генетике количественных признаков (см.: Мазер, Джинкс, 1985; Crusio, 1992).

Для популяционной генетики, этологии и общей биологии генетика количественных признаков важна как способ оценки так называемой "генетической архитектуры признака". При анализе поведения животных исследователь, как говорилось выше, руководствуется одним из четырех основных вопросов, которые в наиболее четкой форме были сформулированы Тинбергеном (Tinbergen, 1963).

Два из них относятся к "непосредственным причинам" наличия данного признака в репертуаре поведения, т.е. к его нейрофизиологическим механизмам и/или его развитию в онтогенезе, два других касаются: один -- функциональной значимости признака в настоящий момент, т.е. его адаптивной роли, а другой -- его роли в процессе эволюции вида, т.е. в филогенетическом аспекте. Два вопроса "функциональной" группы часто называют анализом причин (causation) данного поведения в филогенетическом и феногенетическом аспектах. Генетическую архитектуру признака поведения также можно рассмотреть с этих позиций.

Филогенетический аспект. Как правило, для подобного анализа необходима информация о составе генетической изменчивости. В соответствии с генетической теорией естественного отбора (Fisher, 1958; Айала, 1988) отбор на высокие величины какого-либо признака имеет результатом низкий уровень его аддитивной генетической изменчивости и большую величину генетической изменчивости, связанной с доминированием. Для подобных признаков величина наследуемости в узком смысле бывает невысокой, в отличие от значительной наследуемости (в широком смысле).

В случае стабилизирующего отбора, т.е. отбора на средние значения признака, его генетическая архитектура будет характеризоваться большой величиной аддитивного компонента изменчивости (дисперсии) и либо отсутствием доминирования, либо двусторонним доминированием.

Наследуемость в узком смысле будет в таких случаях высокой, а доминирование -- относительно малым.

Оценка признака поведения в условиях лабораторных тестов зависит, как правило, от многих переменных (не имеющих, разумеется, экологической ценности). Они могут дать некую величину аддитивной изменчивости, что, однако, ни в какой мере не может быть индикатором какой бы то ни было адаптивной значимости признака (как это принято считать для "естественных" нелабораторных признаков).

В этом отношении интересны данные американского исследователя Н.Хендерсона (Henderson, 1978). Уровень двигательной активности 12-дневных мышат разных генотипов он оценивал в двух ситуациях: при помещении мышонка в установку "открытое поле", т.е. в типичном лабораторном тесте, и при "возвращении" вынутого из гнезда детеныша назад, в привычные комфортные условия. Оказалось, что аддитивная компонента дисперсии признака "уровень двигательной активности", т.е. быстроты перемещения животного, была высокой в первом, и низкой -- во втором случае. Двигательная активность животного в разных условиях контролируется разными физиологическими механизмами. Возвращение мышонка в гнездо -- реакция с четкой адаптивной функцией. Низкие величины аддитивного компонента дисперсии этого признака свидетельствуют о том, что формирование его в ходе эволюции происходило с отбором на крайние значения (большую скорость перемещения). В то же время "активность в открытом поле" (т.е. выполнение практически тех же движений, но, видимо, с иным мотивационным фоном) имеет другую генетическую архитектуру с большой величиной аддитивной компоненты дисперсии. Возможно, что последние результаты связаны с неадекватным характером теста "открытое поле" для детенышей столь раннего возраста.

В этом контексте следует упомянуть еще об одном понятии, которое часто используется при обсуждении адаптивной и/или функциональной роли признака -- о так называемой приспособленности организма, т.е. о его способности выжить и оставить способное к размножению потомство.

Признаки, имеющие высокую величину компоненты доминирования в величине общей генетической дисперсии, связаны с приспособленностью.

Естественный отбор благоприятствовал сохранению особей с наибольшими величинами такого признака. В то же время затруднительно делать подобные выводы о признаках с двусторонним доминированием, т.е. о тех, у которых предположительно был отбор на средние значения. В таких случаях наиболее благоприятными для выживания могли оказаться средние значения признака. Очевидно, что разделение признаков, влияющих и не влияющих на приспособленность, достаточно условно, поскольку базируется на результатах вычислений с целым рядом допущений.

Феногенетический аспект. Этот подход мы обозначили выше как путь "от гена к признаку". В его рамках проводятся исследования корреляций между поведением и физиологическими, нейроанатомическими и нейрохимическими переменными, которые могут пролить свет на происхождение этих связей (см.: 8.6.7.2).

Метод выявления генетических корреляций позволяет обнаружить совместное варьирование генетических эффектов. Такие корреляции выражают либо плейотропные эффекты (см.: 8.2.2), либо так называемое неравновесие, или неравновесность, по сцеплению*) (linkage disequilibria; см.: Айала, Кайгер. 1988). Если для анализа генетических корреляций выбирать неродственные между собой группы, например инбредные линии разного происхождения, то вероятность неравновесности по сцеплению будет невелика, поскольку, если у них и существуют "коадаптированные локусы", у гибридов они не сохранятся. В этом случае генетическая корреляция между двумя признаками будет свидетельствовать о том, что, по меньшей мере, часть пути "от гена к признаку" для этих двух признаков оказывается общей.

Это делает достаточно высокой вероятность существования между ними функциональной связи. Напомним, что наличие фенотипической корреляции между признаками еще не может быть указанием на общность их генетической детерминации (см.: 8.6.1). Корреляционные решетки, полученные для величин генетических корреляций, можно далее анализировать с использованием стандартных многопараметрических методов, например факторного анализа.

Конкретные методы оценки состава генетической изменчивости и величин наследуемости достаточно многочисленны, и рассмотреть их здесь не представляется возможным (см.: Эрман и Парсонс, 1984; Мазер, Джинкс, 1985). Наряду с определением регрессии родители--потомки, а также селекции линий на разные величины признака, в генетике поведения большое распространение получили методы анализа инбредных линий. Один из таких методов -- так называемое диаллельное скрещивание.

Размещено на Allbest.ru