Sind intelligente Kinder das Ergebnis genetischer Veranlagung oder „Hühnererziehung“? Diese Zwillingsstudien zeigen, dass die Dinge nicht einfach sind

In der heutigen Zeit, in der Bildung eine überaus wichtige Rolle spielt, wenden Eltern alle möglichen Methoden an, um die Bildung (die Noten) ihrer Kinder zu verbessern. Sie „pumpen ihren Kindern ständig Hühnerblut auf“ und nennen sie scherzhaft „Hühnerbabys“. Manche Kinder machen dadurch schnelle Fortschritte, während andere stagnieren und von ihren Eltern als Kinder mit durchschnittlichem IQ eingestuft werden. Inwieweit wird der IQ durch die Genetik beeinflusst und wie wirken sich Umweltfaktoren darauf aus? Dieser Artikel stellt am Beispiel von Zwillingsstudien (Zwillingsdesign) genetische Methoden der IQ-Forschung vor. Wir werden ein umfassendes Verständnis davon gewinnen, wie uns Zwillingsstudien dabei helfen können, die Vererbung des IQ zu verstehen und welche Umweltfaktoren den IQ-Wert beeinflussen können.
Geschrieben von | Shuang Chenyue

Die Einführung von Zwillingen in die wissenschaftliche Forschung geht auf den britischen Eugeniker Francis Galton zurück. Basierend auf der Zwillingsforschung von Wissenschaftlern in den 1870er Jahren befürwortete Galton die Verwendung von Zwillingen für Vergleichsstudien als neue Beweise zur Unterstützung der biometrischen Identifizierung oder Eugenik.

Seitdem schätzen Wissenschaftler Zwillinge und betrachten sie als „natürliche Experimente“ oder „echte Labore“, da sie glauben, dass sie ein Geschenk der Natur an die wissenschaftliche Forschung sind. Dieser Einfluss ist nicht auf tatsächliche Beobachtungsexperimente beschränkt; Der Physiker Albert Einstein und der Philosoph Henri Bergson nutzten Zwillinge, um über die Natur der Zeit zu diskutieren. In Einsteins Gedankenexperiment, dem Zwillingsparadoxon, wird ein Zwilling, der mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum geschickt wird, bei seiner Rückkehr zur Erde jünger sein als der andere Zwilling, der zu Hause geblieben ist. Bergson entgegnet, dass der Begriff der Zeit in einer wissenschaftlichen Definition nicht so einfach zu verstehen sei. Die Debatte zog viele Zuschauer an und machte mehr Menschen darauf aufmerksam, dass Zwillingserzählungen genutzt werden können, um mehr Wahrheiten über die menschliche Existenz zu erforschen[1].

Abbildung 1 Velvet Twins – Ölgemälde auf Leinen | Quelle: Referenz [2]

Das komplexe Thema der IQ-Vererbung

Geschichten über Zwillinge erregen immer leicht Aufmerksamkeit und regen zum Nachdenken an. Als 2011 der „beste Studienplan“ im Internet populär wurde, erregten die Zwillingsschwestern, die das „Sonderstipendium“ der Tsinghua-Universität gewonnen hatten, große Aufmerksamkeit. Viele Menschen fragen sich, ob ihre herausragenden Leistungen auf ihren hohen genetischen IQ zurückzuführen sind oder darauf, dass sie in einem privilegierten familiären und schulischen Umfeld aufgewachsen sind.

Im letzten Jahrhundert haben Psychologen zahlreiche Studien zu diesem Thema durchgeführt, insbesondere Experimente auf der Grundlage von Zwillingsstudien, die zahlreiche Belege für die Debatte über den IQ nach dem Motto „Anlage oder Erziehung“ geliefert haben.

Trotz seiner konzeptionellen Einfachheit wurde die Erblichkeit des IQ im letzten Jahrhundert heiß diskutiert. Dies liegt daran, dass aufgrund unterschiedlicher Messmethoden und Definitionen der Heritabilität die Ergebnisse der Heritabilität im weitesten und im engen Sinne für den IQ inkonsistent sind [3] und die Heritabilität im engen Sinne normalerweise niedriger ist als die Heritabilität im weiten Sinne. Darüber hinaus variiert der Einfluss der Genetik auf den IQ mit dem Alter. Insgesamt sind die meisten Forscher zu dem Schluss gekommen, dass genetische Faktoren für etwa 30 bis 70 Prozent der Unterschiede im IQ-Wert einer Person im Laufe ihres Lebens in der Gesamtbevölkerung verantwortlich sind. Warum ist die Spanne so groß? In vielen klassischen Studien wurden Zwillingsdesigns mit anderen Methoden der Verhaltensgenetik kombiniert, um komplexere biologische Mechanismen aufzudecken, die diesem Problem zugrunde liegen.

In einer klassischen Studie, die 1981 in Science veröffentlicht wurde, fassten die Autoren 111 IQ-Heritabilitätsstudien aus der ganzen Welt zusammen [4] und verglichen die IQ-Korrelation zwischen biologischen Eltern und Kindern sowie zwischen Adoptiveltern und Adoptivkindern (die keine genetische Beziehung haben). Die Studie ergab, dass die Intelligenzkorrelation zwischen biologischen Eltern und Kindern etwa 1-mal höher ist als die zwischen Adoptiveltern, und dass die Intelligenzkorrelation zwischen biologischen Eltern und Kindern bei etwa 0,4 liegt, was einem mittleren Korrelationsniveau entspricht. Spätere Studien mit Zwillingsproben in Kombination mit anderen Verhaltensmethoden haben jedoch spezifischere Ergebnisse hinsichtlich der Auswirkungen von Genetik und Umwelt auf den IQ ergeben. Insbesondere kann die Rolle vieler Umweltfaktoren bei der Entwicklung des IQ nicht ignoriert werden.

Um die relevante Forschung besser zu verstehen, schauen wir uns zunächst die Forschungsmethode mit Zwillingen als Stichproben an – das Zwillingsdesign – sowie andere klassische Methoden der Verhaltensgenetik.

Zwillingsdesign und genetische Methoden

Studien mit Zwillingen als Versuchspersonen werden in der Wissenschaft oft als Zwillingsdesigns bezeichnet, und viele dieser Studien waren eine wertvolle Informationsquelle für die Erforschung der genetischen Grundlagen komplexer Merkmale. Da Verwandte einige genetische Merkmale und Lebensumstände in unterschiedlichem Maße gemeinsam haben, wissen wir, dass ihre Unterschiede in bestimmten Aspekten nicht nur auf die Gene zurückzuführen sein können, sondern auch auf die gemeinsame Umgebung, in der sie zusammen leben. Forscher nutzen Zwillings- oder Familienstudien, um den relativen Einfluss von Genen und Umwelt abzuschätzen. Die diesen Studien zugrunde liegende Logik ist einfach[2]: In dem Maße, in dem ein Merkmal durch eine bestimmte genetische Architektur beeinflusst wird, werden Individuen mit mehr der entsprechenden genetischen Informationen in diesem Merkmal ähnlicher sein; Dieses Phänomen ist noch ausgeprägter, wenn sich Verwandte mit unterschiedlichen genetischen Ähnlichkeiten in ähnlichen Umgebungen befinden.

Das Zwillingsdesign vergleicht die Merkmalsunterschiede zwischen den Nachkommen erwachsener eineiiger und zweieiiger Zwillinge, um herauszufinden, ob das familiäre Umfeld einen direkten Einfluss auf die nächste Generation hat oder ob genetische Gene eine größere Rolle spielen [2, 3. 5]. Das Grundprinzip besteht darin, die Ähnlichkeiten zweier unterschiedlicher Zwillingstypen und anderer Verwandter hinsichtlich eines bestimmten Merkmals zu vergleichen, das das Ergebnis der kombinierten Auswirkungen von Genetik und Umwelt ist.

Eineiige Zwillinge (MZ-Zwillinge, abgekürzt MZ) aus derselben Familie stammen aus derselben befruchteten Eizelle (100 % gemeinsame Gene) und verfügen über genau dieselben Gene und dasselbe familiäre Umfeld. Zweieiige Zwillinge (DZ-Zwillinge, abgekürzt DZ) sind zwar gleich alt und im gleichen familiären Umfeld aufgewachsen, doch im Durchschnitt ist nur die Hälfte ihres genetischen Materials gleich (50 % gemeinsame Gene) und ihre genetische Ähnlichkeit ist im Wesentlichen die gleiche wie bei gewöhnlichen Geschwistern. So sind eineiige Zwillinge sich meist ähnlicher als zweieiige Zwillinge und zweieiige Zwillinge sind sich meist ähnlicher als gewöhnliche Geschwister, was auf die unterschiedlichen Ähnlichkeitsgrade in ihrem Umfeld zurückzuführen ist.

Im einfachsten Zwillingsdesign haben zwei eineiige (MZ) oder zweieiige (DZ) Zwillinge aus derselben Familie dieselben familiären und sonstigen Umwelteinflüsse (z. B. Lebensstil, Nachbarn usw.), sodass zwischen den beiden Zwillingstypen kein großer Unterschied im Grad der Umweltähnlichkeit bestehen sollte. Auf dieser Grundlage definierten die Forscher den genetischen Einfluss auf ein Verhaltensmerkmal als das Ausmaß, in dem die Korrelation zwischen eineiigen (MZ) Zwillingen für diesen Phänotyp höher war als die Korrelation zwischen zweieiigen (DZ) Zwillingen. Anhand solcher Vergleiche können Forscher die Heritabilität (h2) eines bestimmten Merkmals abschätzen, also den Anteil der Populationsvariabilität, der auf genetische Einflüsse zurückzuführen ist.

Abbildung 2 Beispiele für häufig verwendete Modelle für Zwillingsfamiliendaten[5]

Die Verhaltensgenetik untersucht den Einfluss von Genetik und Umwelt auf individuelle Unterschiede im Verhalten von Menschen. Im letzten halben Jahrhundert nahmen Studien mit Zwillingen eine zentrale Stellung in der Verhaltensgenetik ein. Seit den späten 1980er Jahren konzentriert sich die verhaltensgenetische Forschung stärker auf die molekularen Grundlagen der Erblichkeit. Viele Forscher haben den Wert der groß angelegten Datenerhebung für die molekulargenetische Forschung erkannt und begonnen, Proben wie Geschwister, Eltern und Nachkommen von Zwillingen in ihre Forschungsprojekte einzubeziehen [2, 5].

Insbesondere hat im letzten Jahrzehnt die Kombination von genomweiten Assoziationsstudien (GWAS) und Zwillingsstudien eine neue Ära wissenschaftlicher Entdeckungen und methodischer Entwicklungen in der Verhaltensgenetik eingeläutet [5]. Die GWAS-Methode erstellt einen polygenen Score (PGS) in großen Datenmengen, um die genetische Veranlagung einer Person als Ganzes oder eines bestimmten Merkmals oder das Risiko einer bestimmten Krankheit zu bewerten. Es handelt sich um ein direktes quantitatives Instrument, das die molekulare Basis genetischer Prozesse aufdecken kann, die über Generationen hinweg (von den Eltern bis zu den Nachkommen) weitergegeben werden. Zwillingsstudien können statistische Anforderungen mit kleineren Stichprobengrößen erfüllen und Heritabilitäts- und genetische Korrelationsanalysen durchführen; Sie weisen eine größere Vielfalt bei der Bewertung vorhandener Phänotypen auf und können normalerweise subtilere und detailliertere Hypothesen untersuchen als GWAS-Daten. Genetische Unterschiede, die durch Zwillings-/Familienstudien aufgedeckt werden, können bei der Gestaltung und Interpretation von GWAS hilfreich sein. Beispielsweise können in Zwillings-/Familienstudien Verhaltensmessvariablen mit sehr hohen genetischen Korrelationen (ein typisches Beispiel sind IQ und Bildung) „zusammengefasst“ werden, um die Gültigkeit der GWAS zu erhöhen, während Messvariablen mit geringeren genetischen Korrelationen „aufgeteilt“ werden können, um den GWAS-Ergebnissen eine größere Spezifität zu verleihen.

Da Zwillings-/Familiendesigns und GWAS unterschiedliche Vorteile aufweisen und sich weitgehend ergänzen, konnten Forscher durch die Kombination dieser beiden Methoden in den letzten Jahren genetische Effekte präziser herausarbeiten. Zwillingsbasierte Zwillingsdesigns, kombiniert mit Methoden aus vielen verschiedenen Bereichen wie GWAS in der Genetik und Verhaltensforschung, haben Wissenschaftlern eine Fülle von Beweisen geliefert, die die Genetik-Umwelt-Debatte über Unterschiede zwischen Menschen stützen.

Zwillingsstudien zur Verbindung des IQ

Viele Forscher glauben, dass die Erblichkeit des IQ weiterhin umstritten ist, auch weil die Definition der IQ-Erblichkeit nicht gut charakterisiert ist und nicht einheitlich gemessen werden kann [3]. So liefern beispielsweise die häufig verwendeten Methoden der direkten und indirekten Analyse aufgrund ihres unterschiedlichen Umgangs mit dem Einflussfaktor „Umwelt“ deutlich unterschiedliche Schätzungen der Heritabilität des IQ. Erstere führen im Allgemeinen zu deutlich höheren Schätzungen der IQ-Heritabilität. Eine klassische Studie, die in Nature[3] veröffentlicht wurde, stellte die Hypothese auf, dass diese Diskrepanz größtenteils darauf zurückzuführen sei, dass die Auswirkungen mütterlicher Faktoren (wie etwa der pränatalen Gebärmutterumgebung) auf den IQ nicht berücksichtigt würden. Daher könnte die Isolierung des mütterlichen Effekts eine genauere Erforschung der genetischen Mechanismen des IQ ermöglichen und so das Rätsel des IQ lösen.

In dieser Studie wurde ein alternatives Modell evaluiert, das die drei unterschiedlichen Umgebungen, die im traditionellen Zwillingsdesign angenommen werden – Zwillinge, gemeinsame Geschwister und eltern- und nachkommenspezifische Umgebungen – durch zwei mütterliche Gebärmutterumgebungen – eine für Zwillinge und eine für Geschwister – und eine gemeinsame Familienumgebung ersetzt. Basierend auf einer Metaanalyse von 204 Korrelationen mit 50.470 verschiedenen Paaren, darunter Verwandte nullten Grades (eineiige Zwillinge), Verwandte ersten Grades (d. h. Eltern, Kinder und Geschwister, einschließlich zweieiiger Zwillinge) oder deren Adoptivpartner, stellten die Forscher fest, dass das Modell des „Muttereffekts“ besser zu den Daten passt als das vorherige Modell des „familiären Umfelds“ und 20 % der Kovarianz zwischen Zwillingen und 5 % der Kovarianz zwischen Geschwistern erklären kann [3]. Die Ergebnisse der Studie legen nahe, dass die Erblichkeit des IQ im weiteren Sinne 48 % betragen könnte; die Heritabilität im engeren Sinne beträgt etwa 34 %. Diese Ergebnisse legen nicht nur nahe, dass es möglicherweise neue, komplexere Modelle zum Einfluss von Genen und Umwelt auf die kognitive Funktion gibt; Sie weisen außerdem darauf hin, dass Maßnahmen zur Verbesserung der pränatalen Umgebung dazu beitragen können, den IQ der nächsten Generation deutlich zu steigern.

Zahlreiche Studien haben die Bedeutung des mütterlichen Gebärmuttermilieus aufgezeigt[3]. Das Nervensystem des Gehirns wächst während der Embryonalperiode im Mutterleib schnell und erreicht innerhalb eines Jahres nach der Geburt 70 % seiner endgültigen Masse. Auch andere Studien haben gezeigt, dass der IQ durch die pränatale Umgebung beeinflusst werden kann: Der IQ korreliert positiv mit dem Geburtsgewicht, und eine groß angelegte Studie mit Zwillingen Mitte des 20. Jahrhunderts ergab, dass ihr IQ um 4 bis 5 Punkte niedriger war als der von Einzelkindern; einige Nahrungsergänzungsmittel während der Schwangerschaft können den IQ des Kindes erhöhen; während der Konsum von Alkohol, Drogen und Zigaretten während der Schwangerschaft den IQ des zukünftigen Kindes senken kann; Bleiaustausch zwischen Mutter und Fötus kann den IQ senken usw.

Andere Forscher haben dies aus der Perspektive der Längsentwicklung untersucht und festgestellt, dass der Einfluss der Gene mit dem Alter zunimmt. Eine Umfrage unter 11.000 Zwillingspaaren aus vier Ländern ergab, dass die Heritabilität der allgemeinen kognitiven Fähigkeiten signifikant linear von 41 % in der Kindheit (9 Jahre) auf 55 % in der Adoleszenz (12 Jahre) anstieg und im frühen Erwachsenenalter (17 Jahre) 66 % erreichte [6]. Warum scheint der „Pfeil des Schicksals“ im Leben zunehmend von den Genen bestimmt zu werden? Forscher gehen davon aus, dass der Einfluss der Gene und der Umwelt bei vielen Merkmalen oft nicht von einem einzigen Faktor dominiert wird und es keine eindeutige Unterscheidung gibt. Ergebnisse aus Tausenden von Zwillingsstudien zeigen, dass die meisten Verhaltensmerkmale teilweise vererbbar sind, aber auch erheblich von der Umwelt beeinflusst werden.

Eine klassische Erkenntnis ist die Beobachtung, dass genetische Prädispositionen oft auch mit Umweltfaktoren korrelieren (ein Phänomen, das unter dem Begriff Gen-Umwelt-Korrelation (rGE) bekannt ist). Das bedeutet, dass Kinder im Laufe ihres Heranwachsens ihre eigenen Erfahrungen immer häufiger auf der Grundlage ihrer genetischen Prädispositionen auswählen, verändern und in gewissem Maße auch selbst schaffen. Die Gene der Eltern können zusammenwirken und über elterliche Merkmale (wie sozioökonomischer Status, IQ und Bildung) die Eigenschaften der Nachkommen beeinflussen [6, 7]. So erben musikalisch begabte Kinder beispielsweise möglicherweise mehr Gene als andere Kinder und geraten auch in ein Umfeld, das die Entwicklung musikalischer Fähigkeiten begünstigt – etwa das Talent, ein Musikinstrument zu spielen oder in ein musikalisches Umfeld zu kommen.

Mit der Entwicklung genbezogener Technologien wurde 2019 eine Studie veröffentlicht, in der die Autoren die Methode des polygenen Scorings (PGS) der genomweiten Assoziationsstudie (GWAS) in Kombination mit einem Zwillingsdesign verwendeten, um den Einfluss elterlicher Gene auf die Bildung und Kognition ihrer Nachkommen zu testen[8]. Diese Studie umfasste die neuesten GWAS-Daten zum Bildungsniveau von 1,1 Millionen Menschen. Der auf Grundlage dieser großen Stichprobe erstellte polygene Score (PGS) konnte Unterschiede im Bildungsniveau von 11–13 % und in der kognitiven Fähigkeit von 7–10 % vorhersagen [9, 10] und bewies damit erneut, dass das Bildungsniveau ein geeigneter Indikator für die Untersuchung der kognitiven Fähigkeiten ist. Den Ergebnissen dieser Studie zufolge sind die drei Faktoren, die den größten Einfluss auf den IQ-Wert der Nachkommen haben, zunächst der IQ-Wert der Eltern (Korrelation 0,48), gefolgt vom Bildungsniveau der Eltern (Korrelation 0,33) und dem sozioökonomischen Status (SES, Korrelation 0,30). Dies zeigt, dass neben dem genetischen Erbe der Eltern auch andere wichtige Umweltfaktoren wie das Bildungsniveau und der sozioökonomische Status der Eltern einen großen Einfluss auf den IQ der nächsten Generation haben. Darüber hinaus haben andere Studien in den Vereinigten Staaten ergeben, dass die Erblichkeit von IQ und akademischen Leistungen unter Bedingungen eines hohen sozioökonomischen Status höher zu sein scheint [10, 11].

Wir sehen also, dass es für Eltern, die möchten, dass ihre Kinder erfolgreich sind und hervorragende Kinder mit hohem IQ großziehen, nicht ausreicht, einfach Geld auszugeben, um ihre Kinder in die Schule einzuschreiben oder eine Wohnung in einem Schulbezirk zu kaufen. Der IQ eines Kindes hängt eng mit den folgenden Faktoren zusammen: Erstens haben die IQ-Gene der Eltern einen mäßigen Einfluss auf die IQ-Entwicklung und die schulischen Leistungen des Kindes. zweitens ist der Einfluss der Mutter auf das Kind größer als der des Vaters, und der IQ, das Bildungsniveau und der Ernährungszustand einer Frau während der Schwangerschaft haben einen enormen Einfluss auf das zukünftige IQ-Potenzial des Kindes; Schließlich ist es besser, „sich selbst anzutreiben“, als „das Baby hochzutreiben“, und die Korrelation zwischen dem Bildungsniveau und sozioökonomischen Status der Eltern und dem IQ-Niveau des Kindes ist nach dem IQ-Wert der Eltern die zweitgrößte. Bei einem guten sozioökonomischen Status können Kinder ihr angeborenes intellektuelles Potenzial hinsichtlich akademischer Leistungen und IQ besser ausschöpfen. Aus einer eher makroökonomischen Perspektive ist es für die Entwicklung zukünftiger Talente in der Entwicklungsstrategie unseres Landes außerdem äußerst wichtig, die Gleichstellung der Geschlechter zu fördern und die Bildungschancen und akademischen Qualifikationen von Frauen zu verbessern.

Andere Methoden und Anwendungen von Zwillingsstudien

Über das einfachste Zwillingsdesign hinaus haben sich viele nachfolgende Studien zu komplexeren Zwillingsmodellen entwickelt, die auf unterschiedlichen Forschungszwecken und experimentellen Daten basieren [2, 12], und Wissenschaftler haben auch viele interessante Entdeckungen gemacht.

Beispielsweise können multivariate Designansätze, die univariate Zwillingsstudien auf mehrere Variablen verallgemeinern und mehr als einen Phänotyp pro Proband analysieren, Assoziationen zwischen Merkmalen und den Ursachen von Komorbidität untersuchen [2, 5]. Zu den Fragen, die in einem multivarianten Design gestellt werden könnten, gehören: Führen Veränderungen der körperlichen Betätigung zu Veränderungen der Depression? Bilden sich unterschiedliche Merkmale zusammen, weil sie von einem gemeinsamen Satz von Genen beeinflusst werden?

Darüber hinaus hat sich in den letzten Jahren die CoT-Methode (Children-of-Twins) zu einem Klassiker entwickelt: ein Forschungsparadigma, das Proben von Zwillingen verwendet, die bereits Familien gegründet und die nächste Generation großgezogen haben, und in der Lage ist, genetische Einflüsse von Umwelteinflüssen zu trennen [12]. CoT-Studien sind im letzten Jahrzehnt immer beliebter geworden, da immer mehr Zwillingsproben das Alter erreichen, in dem sie eine Familie gründen und eigene Kinder bekommen, und so umfassendere Informationen über einen längeren Zeitraum liefern. Eine retrospektive Überprüfung der CoT-Methode zeigt, dass bestehende CoT-Studien ein breites Spektrum an Phänotypen abdecken, von psychischen Erkrankungen, Drogenmissbrauch, Erziehungs- und Eheproblemen bis hin zur Unterscheidung der genetischen und umweltbedingten Wechselwirkungen zwischen Eltern und Kindern.

Mit der CoT-Methode können familiäre Störfaktoren kontrolliert und so mögliche kausale Zusammenhänge in Eltern-Kind-Beziehungen beurteilt werden [12]. Eine der wichtigsten Erkenntnisse der CoT-Forschung der letzten Jahre ist die Existenz einer evokativen Gen-Umwelt-Korrelation (evokative rGE) in der Eltern-Kind-Verhaltensbeziehung, d. h., die Art und Weise, wie Eltern mit ihren Kindern interagieren, wird auch durch angeborene, genetisch bedingte Verhaltenstendenzen der Kinder reguliert. Adoptions- und Zwillingsstudien haben beispielsweise gezeigt, dass genetisch beeinflusstes Verhalten von Kindern den Erziehungsstil beeinflussen kann, genauso wie Eltern das Verhalten ihrer Kinder beeinflussen können. Diese Erkenntnisse können uns helfen, die Dynamik von Eltern-Kind-Beziehungen oder unterschiedlichen Eltern-Kind-Beziehungen in komplexen Familienkonstellationen besser zu verstehen.

Viele der großen Zwillingsstichproben der Vergangenheit haben nach und nach eigene Kinder bekommen, was den Forschern in Zukunft mehr Möglichkeiten bieten wird, neue und interessante Fragen im Bereich der phänotypischen Assoziationen zwischen Eltern und Kindern zu untersuchen [12].