在当今极度重视教育的时代，父母为了孩子教育（成绩）使出十八般武艺，不断给孩子“打鸡血”，戏称“鸡娃”。有些孩子因此而步步高升，也有些孩子原地踏步，被家长认为智商平平。智商究竟在多大程度上受遗传影响，又是如何受到环境因素的影响呢？本文以双胞胎研究（双生子设计）为例，介绍智商相关研究的遗传学方法，我们将深入了解双胞胎研究如何帮助我们理解智商的遗传，有哪些环境因素会影响智商水平。
撰文 | 霜晨月
双胞胎被引入科学研究中最早可以追溯到英国优生学科学家高尔顿（Francis Galton）。基于19世纪70年代学者们对于双生子的研究，高尔顿提倡使用双胞胎做对比研究，以作为支持生物特征识别或者优生学的新证据。
从那以后，科学家们开始重视双胞胎并将其视为“自然的实验”或者“真实存在的实验室”，认为这是大自然赠送给科学研究的礼物。这一影响不仅体现在实际的观察试验上，物理学家爱因斯坦和哲学家亨利·柏格森（Henri Bergson）曾使用双胞胎来辩论时间的本质。在爱因斯坦的思想实验“双生子佯谬”中，如果一对双胞胎中一人以接近光速的速率进入到宇宙中，当其返回地球时，他将会比待在家里的另一人更年轻。而柏格森的反驳认为，时间这个概念不能够在科学定义中这么简单地理解。这一场辩论吸引了许多观众，并让更多的人意识到，双胞胎叙事能够用来探索关于人类存在的更多真相[1]。
图1 天鹅绒双胞胎——亚麻上的油画丨图源：参考文献[2]
复杂的智商遗传问题
双胞胎有关的故事总是很容易引人注目并引发更深刻的思考。2011年，当“最牛学习计划表”火遍全网时，获得清华“特等奖学金”的双胞胎姐妹花广受关注。不少人好奇，她们这么优秀归根到底是因为遗传基因智商高，还是因为从小成长的家庭和学校环境优越呢？
上个世纪以来心理学家围绕着这一主题展开了许多研究，特别是基于双生子设计的试验，为关于智商（IQ）的“遗传-环境”（ nature or nurture）之争提供了大量证据。
尽管概念上很简单，但IQ的可遗传性在上个世纪引起了激烈的争论。这是因为，由于测量的方式不同和遗传率的定义不同，智商的广义遗传率和狭义遗传率结果并不一致[3]，狭义遗传率通常会比广义遗传率低一些。此外，随着年龄的变化，遗传对于智商的影响也不尽相同。总体而言，大部分研究者发现遗传因素对普通人群智商分数差异的影响在人的一生中大约是在30%-70%。为什么会是这样一个范围呢？许多经典研究结合双生子设计与其他行为遗传学方法为我们揭示了这个问题下更加复杂的生物学机制。
早在1981年发表于Science的一篇经典研究中，作者总结了111个来自于全球的IQ遗传度相关调查[4]；并对比亲生父母与子女和养父母与养子女（无遗传关系）两种条件下的智商关联。该研究发现，有血缘关系的亲生父母和子女之间的智力相关度要比收养关系高了1倍左右，亲生父母和子女之间智力相关度大约在0.4左右，处于中等相关的水平。但后续的其他研究使用双胞胎样本结合其他行为学方法，在遗传与环境对智商的影响方面有更加具体的发现；尤其是许多环境因素对于智商发展的作用亦不可忽视。
为了更好地理解相关研究，我们先来看看以双胞胎为样本的研究方法——双生子设计，以及行为遗传学中相关的其他经典方法。
双生子设计与遗传学方法
学术界中以双胞胎为实验对象的研究通常被称为双生子设计，其中许多研究一直是探索复杂性状遗传基础的宝贵信息来源。我们知道，亲属之间由于在不同程度上共享了一些遗传基因与生活环境，他们在特定方面的差异可能不仅来自于基因，也源于一起生活的共享环境。研究人员使用双生子或家系研究来估计基因和环境的相对影响。这些研究的根本逻辑很简单[2]：在某种程度上，一种性状受特定的遗传结构（Genetic architecture）影响，则拥有更多其对应的基因信息的那些个体，在该性状上的相似程度会更高；当基因相似度不同的亲属处于相近环境中时，这一现象更加明显。
双生子设计比较成年同卵双生子和异卵双生子后代的性状差异，以探索直接影响下一代的是家庭环境，还是遗传基因发挥更多作用[2, 3. 5]。其基本原理是对比两种不同类型的双胞胎及其他亲属，在遗传与环境共同作用的某一特征的相似度。
来自同一家庭的同卵双胞胎（MZ twins，简称MZ），他们源自同一个受精卵（100%共享基因），共享了完全相同的基因与家庭环境。而异卵双胞胎（DZ twins，简称DZ）虽然年龄也相同，且在相同的家庭环境中长大，但只有平均一半的遗传物质是相同的（50%共享基因），其本质上与普通的兄弟姐妹在基因上的相似程度相同。因此，同卵双胞胎的相似度通常要比异卵双胞胎的相似度更高，而由于环境的相似性程度不同，异卵双胞胎比普通的兄弟姐妹之间相似度往往要高一些。
在最简单的双胞胎设计中，两个来自于同一家庭的同卵（MZ）或异卵（DZ）双胞胎共享了家庭和其他背景环境影响（如生活方式、邻居等），因此两种双胞胎类型之间的环境相似程度应该没有重大差异。基于此，对于某个行为特质的遗传影响，研究人员以同卵（MZ）双胞胎之间在该表型上的相关性高于异卵（DZ）双胞胎之间的相关性的程度来定义。通过这样的比较，研究人员可以估计特定性状的遗传度（h2），即遗传影响导致的群体变异性的比例。
图2 双生子家庭数据的常用模型示例[5]
行为遗传学研究遗传和环境对于人们行为的个体差异的影响。在过去半个多世纪里，以双胞胎为样本的研究在行为遗传学中占据了中心位置。从20世纪80年代末开始，行为遗传学研究的主要目标更加侧重于遗传度的分子基础。许多研究者已经意识到大规模数据收集对于分子遗传学研究的价值，并开始在他们的研究项目中引入兄弟姐妹、父母和双胞胎的后代等样本[2, 5]。
尤其是过去的十年中，全基因组关联研究（GWASs）与双生子研究的结合开创了行为遗传学中科学发现和方法发展的新时代[5]。GWAS方法在大规模数据中构建多基因评分（polygenic score, PGS），以评估个体整体或者某个特征的遗传倾向，或者某种疾病的风险，是一种直接量化的工具——能够揭示跨代共享（从父母到后代）的遗传过程中的分子基础。而双生子研究可以在样本量更小的情况下达到统计学要求，进行遗传度和遗传相关性分析；对于现有表型的评估具有更大的多样性，且通常可以探索比GWAS数据更细微和详细的假设。双胞胎/家庭研究揭示的遗传差异可以为GWAS的设计和解释提供信息。比如在双胞胎/家庭研究中，具有非常高遗传相关性的行为测量变量（典型的一个例子是IQ和教育程度）可以“集中”在一起以增加GWAS的有效性，而反之遗传相关性较低的测量变量则可以“分裂”，从而使GWAS的结果具有更大的特异性。
近些年来，由于双生子/家庭的设计与GWAS具有不同优势，加上它们在很大程度上具有一定的互补性，这两种方法相结合后使得研究人员能够梳理出更加精确的遗传效应。基于双胞胎的双生子设计结合类似于遗传学中的GWAS和行为研究等许多不同领域的方法，为科学家们研究人与人之间差异的遗传-环境之争提供了大量的证据。
智商相关的双生子研究
许多研究者认为，IQ可遗传性备受争议的部分原因是IQ遗传度这个定义没有很好地表征并使用统一的测量方式[3]。例如，常用的直接分析方法与间接分析方法，由于对于“环境”这个影响因素的处理方式不同，它们对IQ的遗传度得出明显不同的估计。前者通常会产生明显更高的IQ遗传率估计。发表在Nature上的一篇经典研究[3]，假设这种矛盾在很大程度上可归因于没有考虑到母亲相关的因素（例如产前的子宫环境）对于IQ的影响。因此，母亲效应（maternal effect）的分离或许可以更加精确地探索智商的遗传机制，以解决IQ之谜。
这项研究评估了一种替代模型，该模型用两个母体子宫环境（two maternal womb environment，一个用于双胞胎，另一个用于兄弟姐妹）以及一个共同的家庭环境，取代传统的双生子设计中假设的三种不同环境——双胞胎、普通兄弟姐妹以及父母和后代的特定环境。研究者基于50,470对不同的配对——其中包括对零级亲属（同卵双生子）、一级亲属（即父母、子女以及兄弟姐妹，包括异卵双生子）或其收养对象的——204项相关性所做的荟萃分析后发现，“母亲效应”模型要比以往的“家庭环境”模型更加符合数据，并可以解释双胞胎之间20%的协方差和兄弟姐妹之间5%的协方差[3]。研究结果表明，智商的广义遗传率可能为48%; 狭义遗传度约为34%。这些结果不仅提示了我们可能存在有关基因和环境对认知功能影响的更复杂的新模型; 也说明了改善产前环境的干预措施可能有助于显著提高下一代的IQ水平。
现有许多研究证明了母体子宫环境的重要性[3]。大脑的神经系统在子宫内的胚胎期时便大量生长，且大脑在出生后的一年内可达到最终质量的70%。其他相关的研究也表明，IQ可以受到产前环境的影响：IQ与出生体重呈正相关，20世纪中期对双胞胎的大规模研究表明他们的智商比独生子女低4到5分；孕期的一些膳食补充剂可以提高孩子的IQ；而孕期酒精、药物和香烟的使用可能会降低未来孩子的IQ；母亲与胎儿的铅交换可能会降低IQ，等等。
还有研究者从纵向发展的角度探索发现，基因的影响会随着年龄的增长而增加。从来自4个国家的11000对双胞胎样本中调查发现，一般认知能力的遗传度从儿童期（9岁）的41%显著线性增加到青春期（12岁）的55%，并在成年早期（17岁）达到66%[6]。为什么生活中的“命运之箭”似乎越来越多地由基因来决定呢? 研究者认为，其实对于许多特征，基因与环境的影响往往并非是单项主导或非黑即白的。来自数千个双胞胎研究的结果表明，大多数行为性状是部分可遗传的，但也同时受到环境的显著影响。
一个经典的发现是，科学家们观察到遗传倾向通常也与环境因素相关，这一现象统称为基因-环境相关性 (rGE)——即随着儿童的成长，他们越来越多地选择、改变自己的行为，甚至在某种程度上，个体能够根据他们的遗传倾向创造他们自己的经历。父母的基因可能通过父母的特征（如社会经济地位、智商和教育等）来共同起作用影响后代的性状[6, 7]。例如，有音乐天赋的孩子可能同时从他们的父母那里继承了更多相对于其他孩子有利于发展音乐能力的基因和环境——如乐器表演天赋和音乐环境的熏陶。
随着基因相关的技术发展，2019年有一篇研究，作者结合双生子设计使用全基因组关联研究（GWAS）的多基因评分（PGS）方法，测试父母基因对于后代子女受教育情况与认知方面的影响[8]。该研究包括110万人的最新的教育程度GWAS数据，基于这个大样本构建的多基因评分 (PGS) 能够预测11%- 13%的受教育程度差异和7%-10%的认知能力差异[9, 10]，并进一步证明了受教育程度是考察认知能力的一个可行指标。在这项研究的结果中，对于后代智商得分影响最高的三个因素首先是父母智商得分（相关性为0.48），其次为父母的教育水平（相关性为0.33）和社会经济地位（socioeconomic status，即SES，相关性为0.30）。这说明除了父母基因的遗传之外，其他一些重要的环境因素，例如家长的教育水平和SES对于下一代的智商水平也有很大影响。此外，在美国也有其他研究发现了在高SES条件下，智商和学业成就的遗传能力似乎更高[10, 11]。
因此我们能看出，对于望子成龙的家长们而言，想要养育一个高智商的优秀孩子，仅靠“鸡娃”烧钱给孩子报班或者买学区房是不够的。孩子的智商与以下因素密切相关：首先，父母的智商基因对于孩子的智商发展与学业成绩具有中等程度的影响；其次，母亲对于孩子的影响会比父亲高一些，女性的智商、学历和孕期营养状况对于孩子未来的智商潜力影响巨大；最后，“鸡娃”不如先“鸡自己”，父母教育水平与社会经济地位与孩子智商水平的相关程度仅次于父母智商得分。社会经济地位较好的情况下，孩子更能够在学业和智商上发挥出其遗传的智力潜能。从更宏观的层面来说，为了我们国家发展战略中的未来人才培养，促进男女平等、提高女性受教育机会和学历程度也极其重要。
双生子研究的其他方法与应用
走出最简单的双胞胎设计，后续许多研究也根据其不同研究目的和实验数据演变出了诸多更加复杂的双胞胎模型[2, 12]，科学家们也得到许多有趣的发现。
例如，多元设计的方法，即通过将单变量的双生子研究推广到多个变量，每个被试分析一种以上的表型，可以研究性状之间的关联和共病的原因[2, 5]。多元设计中可能会提出这样的问题：运动的变化会导致抑郁的变化吗？不同的性状是否会因为受到一组共同基因的影响而聚集在一起？
此外，近年来比较经典的还有CoT方法（children-of-twins）：一种使用已经成家且养育出了下一代的双胞胎样本，并且能够从环境影响中分离出遗传影响的研究范式[12]。CoT研究在过去十多年中越来越受欢迎，因为越来越多的双胞胎样本已经到了成家、有自己孩子的年龄，能够提供时间跨度更长、更加全面的信息。一篇对于CoT方法的回顾性综述显示，当前已有的CoT研究覆盖了从精神疾病、药物滥用、养育和婚姻困难等多方面表型，来区分父母和子女之间的遗传和环境作用规律。
CoT方法能够控制家族混杂因素，从而评估亲子关系中的潜在因果关系[12]。近年来CoT研究中最重要的发现之一是，父母/孩子行为关系中存在唤起性基因-环境相关性（evocative rGE），即父母与孩子之间的互动方式也受到孩子由遗传导致的先天行为倾向调节。例如，通过领养研究和双胞胎研究发现，基因影响的儿童行为可以影响父母的养育方式，就像父母可以影响孩子的行为一样。这些发现可能有助于我们更好地理解亲子关系的动态变化，或者复杂家庭环境中的不同亲子关系。
过去的许多大型双胞胎样本已经逐渐有他们自己的孩子了，这在未来将为研究人员探索父母和儿童之间的表型关联中，挖掘一些新颖而有意义的主题提供了更多的可能性[12]。
参考文献
[1] https://wellcomecollection.org/articles/Y06p_BEAAImMAegD
[2] Dorret, Boomsma., Andreas, Busjahn., Leena, Peltonen.(2002). Classical twin studies and beyond. Nat Rev Genet, 3(11), 0. doi:10.1038/nrg932
[3] B, Devlin., M, Daniels., K, Roeder.(1997). The heritability of IQ. Nature, 388(6641), 0. doi:10.1038/41319
[4] T J Jr, Bouchard., M, McGue.(1981). Familial studies of intelligence: a review. Science, 212(4498), 0. doi:10.1126/science.7195071
[5] Naomi P, Friedman., Marie T, Banich., Matthew C, Keller.(2021). Twin studies to GWAS: there and back again. Trends Cogn Sci, 25(10), 0. doi:10.1016/j.tics.2021.06.007
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[7] C M A, Haworth., M J, Wright., M, Luciano., N G, Martin., E J C, de Geus., C E M, van Beijsterveldt., M, Bartels., D, Posthuma., D I, Boomsma., O S P, Davis., Y, Kovas., R P, Corley., J C, Defries., J K, Hewitt., R K, Olson., S-A, Rhea., S J, Wadsworth., W G, Iacono., M, McGue., L A, Tho4]mpson., S A, Hart., S A, Petrill., D, Lubinski., R, Plomin.(2009). The heritability of general cognitive ability increases linearly from childhood to young adulthood. Mol Psychiatry, 15(11), 0. doi:10.1038/mp.2009.55
[8] Emily A, Willoughby., Matt, McGue., William G, Iacono., Aldo, Rustichini., James J, Lee.(2019). The role of parental genotype in predicting offspring years of education: evidence for genetic nurture. Mol Psychiatry, 26(8), 0. doi:10.1038/s41380-019-0494-1
[9] Papageorge, N.W. and Thom, K. (2020) Genes, education, and labor market outcomes: evidence from the Health and Retirement Study. J. Eur. Econ. Assoc. 18, 1351–1399
[10] Elliot M, Tucker-Drob., Daniel A, Briley.(2014). Continuity of genetic and environmental influences on cognition across the life span: a meta-analysis of longitudinal twin and adoption studies. Psychol Bull, 140(4), 0. doi:10.1037/a0035893
[11] Tucker-Drob, E.M. and Bates, T.C. (2016) Large cross-national differences in gene ×socioeconomic status interaction on intelligence. Psychol. Sci. 27, 138–149
[12] Tom A, McAdams., Jenae M, Neiderhiser., Fruhling V, Rijsdijk., Jurgita, Narusyte., Paul, Lichtenstein., Thalia C, Eley.(2014). Accounting for genetic and environmental confounds in associations between parent and child characteristics: a systematic review of children-of-twins studies. Psychol Bull, 140(4), 0. doi:10.1037/a0036416
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