Kaksostutkimus

Kaksostutkimus on menetelmä, jolla pyritään identtisiä eli samanmunaisia sekä epäidenttisiä eli erimunaisia kaksosia tutkimalla selvittämään, kuinka ympäristössä ja geneettisissä tekijöissä esiintyvä vaihtelu selittää väestössä esiintyvää fenotyyppistä vaihtelua. Identtisillä kaksosilla on sama perimä, mutta epäidenttiset kaksoset jakavat keskimäärin vain puolet niistä geeneistä, joissa esiintyy vaihtelua väestössä. Tällöin identtisten kaksosten suurempi samankaltaisuus viittaa siihen, että yksilöiden väliset geneettiset erot selittävät väestössä esiintyvää tutkittavien ominaisuuksien, esimerkiksi pituuden tai painon vaihtelua. 
Yksinkertainen esimerkki olisi tutkia kuinka suuri osuus väestössä esiintyvistä eroista pituudessa eri ihmisten välillä johtuu heidän välisistään geneettisistä eroista ja kuinka paljon eroista selittyy ympäristötekijöillä. Yksinkertaisimmillaan kaksostutkimus perustuu pelkästään identtisten ja epäidenttisten kaksosparien sisäisten korrelaatioiden vertailuun. Kehittyneempi tilastollinen mallinnus on syrjäyttänyt tämän menetelmän jo 1980-luvulla, mutta aikaisemmin se on ollut hyvin tärkeä ja tuottanut merkittäviä tuloksia monilla tieteenaloilla. Epäidenttisten ja identtisten kaksosten vertailu esimerkiksi paljasti, että geneettisillä tekijöillä on suuri vaikutus fyysisten ominaisuuksien lisäksi myös persoonallisuuteen ja moniin psykiatrisiin tauteihin, joiden aikanaan uskottiin selittyvän puhtaasti ympäristötekijöillä. Westermarck-efekti ja kaksostutkimus ovat osoittaneet, että esimerkiksi autismissa geeneillä voi olla suurempi vaikutus yksilön persoonallisuuteen kuin lapsuuden kokemuksilla. 
Kahden viime vuosikymmenen aikana metodologinen kehitys kaksostutkimuksessa on ollut nopeaa ja erityisesti lineaariseen rakenneyhtälömallinnukseen perustuvat menetelmät ovat tulleet suosituiksi kaksostutkimuksessa. Nämä uudet menetelmät mahdollistavat geneettisten tekijöiden osuuden entistä paremman arvioinnin, mutta mikä tärkeintä, myös huomattavasti monimutkaisempien yhteyksien tutkimisen. Kehittyneillä malleilla on esimerkiksi mahdollista analysoida geneettisten tekijöiden vaikutusta useiden tekijöiden välisiin yhteyksiin ja erilaisiin kehitysprosesseihin, kuten kasvuun ja painonmuutokseen, sekä analysoida geenien ja ympäristön välisiä yhteisvaikutuksia. 
Kymmenen viime vuoden aikana metodologinen kehitys, uudet aineistot ja lisääntynyt yhteistyö eri maiden kaksostutkijoiden välillä on nostanut kaksostutkimuksen pieneksi mutta tärkeäksi alueeksi ihmisgenetiikassa. Molekyyligenetiikan nopea kehitys on myös vaikuttanut vahvasti kaksostutkimukseen. Tulevaisuudessa geneettistä tietoa kuten geenisekvenssejä ja tietoa ehdokasgeeneissä esiintyvästä vaihtelusta tullaan yhä enemmän hyödyntämään osana kaksosmallinnusta. Esimerkkinä viimeisimmästä tutkimuksesta mainittakoon kaksostytöt, joista toiselle kehittyi leukemia. Tämä on auttanut ymmärtämään mm. lasten leukemian kehittymiseen vaikuttavia tekijöitä.
Jaettu ympäristö ja ei-jaettu ympäristö.
Jaettu ympäristö tarkoittaa kaksosille yhteisiä ympäristötekijöitä ja ei-jaettu ympäristö muita ympäristötekijöitä, "sattumia". Esimerkiksi persoonallisuuteen geenit vaikuttavat tutkimuksesta riippuen 50-80 % ja ei-jaettu ympäristö loput.
Professori Nancy Segalin mukaan ei-jaettu ympäristö voi olla sitä, kun toinen kaksosista kokee jotain, mitä toinen ei koe, kuten vakava sairaus, lottovoitto, onnettomuus, eri college-kurssi. Kohdussakin heillä voi olla fyysisesti erilaiset olot.
Vuonna 2003 neljästä kaksostutkimuksesta laskettiin itse seuraavat geneettiset perinnöllisyydet: avoimuus uusille kokemuksille 57 %, ekstroversio 54 %, tunnollisuus 49 %, neuroottisuus 48 % ja sovinnollisuus 42 %. Jaettu ympäristö selittää noin 0 % persoonallisuuseroista ja ei-jaettu ympäristö noin puolet, additiiviset geenit toisen puolen.
Osa ei-jaetun ympäristön "vaikutuksesta" on persoonallisuuden mittausvirhettä. Riemann ja Kandler (2010) eliminoivat mittausvirheen laskemalla eri persoonallisuusmittausten, kuten itsearviot ja vertaisarviot, latentit muuttujat. Tällöin ei-jaetun ympäristön osuus pieneni ja perimän osuus vastaavasti kasvoi 81 prosenttiin.
Viidestä suuresta persoonallisuuspiirteestä geenien ja ei-jaetun ympäristön osuudet olivat tällöin keskimäärin 81 % ja 19 %: 
ekstroversio 86 %, 14 %; avoimuus kokemuksille 92 %, 8 %; sovinnollisuus 85 %, 15 %, tunnollisuus 81 %, 19 % ja neuroottisuus 59 %, 41 %. Jaetun ympäristön osuus oli mitätön.
Adoptiotutkimuksissakin useimpien psykologisten ominaisuuksien korrelaatio adoptiosisaruksilla on lähes nolla ("jaetulla ympäristöllä" ei näytä olevan vaikutusta). Sen sijaan geenien vaikutus on suuri. Adoptiosisarusten korrelaatio persoonallisuuksissa oli 4 %, adoptiovanhempaan 5 %.
Valikoiva pariutuminen vähättelee geenien osuutta.
Geenien vaikutus voi olla paljon suurempi ja jaetun ympäristön vaikutus paljon pienempi kuin tavallisilla malleilla (CTD) saadaan tulokseksi. Ne näet olettavat, että ei-identtisten kaksosten geneettinen samanlaisuus on vain puoliksi lähempänä identtisten kaksosten vastaavaa kuin satunnaisten ihmisten. Oikeasti se on vieläkin lähempänä, jos valikoivan parinmuodostuksen vuoksi puolisot ovat geneettisesti lähempänä toisiaan kuin satunnaiset ihmiset. Kun tämä ero otettiin huomioon (NTFD), Wolfram ja Morris osoittivat, että ihmisen koulutusvuosien määrä riippuikin jaetusta ympäristöstä vain 26 %, ei 43 %, kuten CTD:n perusteella voisi luulla. Samalla todettiin, että vanhempien koulutuksella ei ollut ympäristövaikutusta lasten koulutukseen, kun geneettiset vaikutukset otettiin huomioon.
Kaksostutkimusten tulkinta.
Kaksostutkimusten tuottama perinnöllisyysarvio tarkoittaa sitä osuutta, joka selittää fenotyyppisten piirteiden vaihtelun yksilöiden välillä tietyssä populaatiossa. Perinnöllisyyden osuus voi vaihdella nollasta yhteen. Nolla viittaa siihen, että geenit selittävät 0 % piirteen vaihtelusta populaatiossa. Arvo yksi tarkoittaa, että geenit selittävät 100 % piirteen vaihtelusta populaatiossa. Perinnöllisyysarvio selittää piirteiden vaihtelua vain populaatiotasolla, ei populaatioiden välillä eikä yksilötasolla. Jotta piirteelle voidaan laskea perinnöllisyysarvio, sen suhteen pitää populaation sisällä olla vaihtelua. Näin ollen monet voimakkaasti geenien säätelemät ominaisuudet, kuten ihmisen pää tai silmät, saavat kaksostutkimusten tuottamien perinnöllisyysarvioiden mukaan tulokseksi 0 %. Tämä johtuu siitä, että näiden ominaisuuksien välillä ei ole vaihtelua yksilöiden välillä. 
Kaksostutkimusten tuottamia perinnöllisyysarvioita voidaan soveltaa vain siinä ympäristössä ja populaatiossa, johon se on tuotettu. Kaksotutkimuksissa oletetaan, että ympäristö pysyy olennaisten muuttujien osalta vakaana. Olennaisten ympäristötekijöiden sivuuttaminen voi johtaakin huomattaviin geneettistä perinnöllisyyttä korostaviin virhepäätelmiin. Richard Lewintonin kuuluisa esimerkki "säkillisestä siemeniä" havainnollistaa ongelmaa. Esimerkissä otetaan kaksi kourallista geneettisesti heterogeenisia siemeniä. Toinen kourallinen kylvetään ravinteikkaalle, ja toinen ravintoköyhälle pellolle. Tämän jälkeen mitataan kasvien pituus. Koska ympäristön vaihtelua populaatioiden välillä ei oteta huomioon, voidaan kasvien pituuden perinnöllisyysarvioksi saada yksi. Jos taas ympäristön vaihtelu otetaan huomioon laskee perinnöllisyysarvio nollaan. 
Perinnöllisyysarvio ei myöskään kerro suoraan siitä, missä suhteessa ympäristötekijöillä on vaikutusta piirteen ilmenemiseen. Esimerkiksi kehitysvammaisuutta aiheuttavaa PKU-tautia eli fenyyliketonuriaa pidetään hyvin perinnöllisenä tautina, jonka kehittyminen voidaan kuitenkin estää oikeanlaisella ja varhain aloitetulla ruokavaliolla, joka sisältää mahdollisimman vähän fenyylialaniini-aminohappoa. Myös esimerkiksi psykologi David Mooren esittämä analogia lumihiutaleiden muodostumisesta maapallon napa-alueilla ilmentää asiaa. Lumihiutaleiden muodostuminen edellyttää sekä suhteellista kosteutta että alle -5 C° asteen lämpötilaa. Koska molemmilla napa-alueilla lämpötila pysyy alle viiden asteen, lumihiutaleiden muodostumiseen liittyvä vaihtelu selittyy sekä pohjois- että etelänavalla kosteuden vaihtelulla. Tämä ei tarkoita, etteikö lämpötilalla olis olennainen vaikutus lumihiutaleiden muodostumiseen. Se vain sattuu pysymään vakaana tutkituilla alueilla. Toisaalta trooppisilla alueilla kuten Costa Ricassa lumihiutaleiden muodostumista selittää ainostaan lämpötilan vaihtelu (Costa Rican vuorenhuipuilla on kylmempää). Näin ollen perinnöllisyysarvio ei kerro mitään kausaliteetista, eli geenien ja ympäristötekijöiden vaikutuksesta piirteiden kehitykseen.