Skolan och dess bortglömda genetiska komponent (Del 4)
Skolan och dess bortglömda genetiska komponent (Del 4)
Hur formas tidiga skolprestationer och senare utbildningsval? Om stabila genetiska influenser och dynamiska miljöinfluenser.
Tillbaka till grundskolan
Vi har i seriens tre första delar fokuserat på hur arv, miljö och slump bidrar till att förklara variationen i individers högsta uppnådda utbildningsnivå. De stabila och välreplikerade resultaten från tvillingstudierna på området (del 1) visade sig underskatta de ärftliga bidragen och överskatta de relativa bidragen av de delade miljöinfluenserna då de inte beaktade “icke-slumpmässig parning” och tvillingspecifika miljöinfluenser (del 2). Avslutningsvis gick vi igenom den spännande forskningen om huruvida skillnader i testosteronexponering bland tvåäggstvillingar potentiellt skulle kunna förklara deras senare utbildningsutfall men det visade sig finnas väldigt lite som talade för att så är fallet (del 3).
I den här delen fördjupar vi oss i nyare tvillingstudier som har belyst hur arv, miljö och slump förklarar individuella skillnader i både skolprestationer och utbildningsval. Genom att analysera studierna får vi en mer detaljerad bild av hur dessa mekanismer samverkar under individens livslopp, från grundskolan till universitetet. För läsare obekanta med den klassiska tvillingmodellen och dess underliggande antaganden rekommenderas en genomgång av de två inledande delarna i serien innan man tar sig an den här delen.
Det inledande avsnittet om skolprestationer är gratis för samtliga att läsa medan det senare avsnittet om utbildningsval enbart är tillgänglig för betalande prenumeranter. Överväg att bli en betalande prenumerant om du vill stötta nyhetsbrevet och få fördjupade kunskaper om modern beteendegenetisk forskning.
De yngsta elevernas prestationer
Det har genomförts relativt få tvillingstudier som har undersökt skolprestationer i grundskolans tidiga år och de studier som har genomförts har i regel haft små urvalsstorlekar. Eveline de Zeeuw, forskare med bakgrund i beteendegenetik vid Fria universitetet Amsterdam (Vrije Universiteit Amsterdam), sammanställde tillsammans med sina kollegor samtliga tvillingstudier på området fram till 2014. Analysen som baserades på 61 enskilda studier och cirka 12 400 tvillingpar i åldrarna 6 till 12 år presenterades i artikeln “Meta-analysis of twin studies highlights the importance of genetic variation in primary school educational achievement”, som publicerades i tidskriften Trends in Neuroscience and Education (2015).
Studien fokuserade på sex specifika utfallsmått: läsförmåga, läsförståelse, matematik, språk, stavning och ett generellt skolbetyg. Resultaten visade att ärftliga faktorer i genomsnitt förklarade över hälften (59 procent) av variationen, eller de individuella prestationsskillnaderna, för samtliga utfall. Det fanns ändock betydande skillnader i ärftligheten mellan specifika utfallsmått, vilka varierade från 44 procent för stavning, till 73 procent för läsförmåga.
Delade miljöfaktorer utgör samtliga icke-genetiska faktorer som tvillingar har gemensamt. Dessa kan inkludera barnuppfostran, socioekonomisk status, bostadsort, skolmiljö, och lärare, i den mån de är delade. I genomsnitt förklarade delade miljöfaktorer 14 procent av variationen i samtliga studerade utfallsmått, med en variation från 10 procent för både läsförmåga och matematik, till 23 procent för stavning.
Det är emellertid viktigt att inte övertolka skillnaderna mellan skattningarna då de bygger på sammanvägningar av relativt små studier som är behäftade med en hel del mätfel. Sammanvägningar av det här slaget kan bidra till att mätfelen minskas, men det gäller primärt i de fall då studierna är metodologiskt likvärdiga. I det aktuella fallet har utfallen delvis olika definitioner mellan studier och därtill varierar deltagarna åldersmässigt, vilket gör att man måste tolka resultaten mer försiktigt.
Slutbetyg från grundskolan i Storbritannien
Robert Plomin, professor vid Kings College London, är något av en pionjär inom beteendegenetik. Under 1990-talet fick Plomin ett stort forskningsanslag för att följa upp ett större antal brittiska tvillingar för att studera hur deras genetiska arv och miljöexponeringar kom på att påverka deras utfall vid upprepade tillfällen under livet. Forskningsprojektet resulterade i det nationellt representativa tvillingmaterialet The Twins Early Development Study (TEDS).
Inom ramen för sitt avhandlingsarbete undersökte Nicholas Shakeshaft, en tidigare doktorand till Plomin, hur genetiskt arv, miljöfaktorer och slumpen förklarade individuella skillnader i cirka 11 000 tvillingpars slutbetyg från grundskolan. Studiens resultat presenterades i artikeln “Strong Genetic Influence on a UK Nationwide Test of Educational Achievement at the End of Compulsory Education at Age 16” som publicerades i tidskriften PLoS One (2013).
Den aktuella studien utgjorde ett betydande bidrag till fältet vid tidpunkten för dess publicering. Tidigare forskning hade antingen fokuserat på större urval av högpresterande tvillingar (jfr. Loehlin & Nichols, 1976), vilket av förklarliga skäl har en begränsad generaliserbarhet, eller så hade studierna genomförts på representativa men mindre urval av tvillingar, vilket resulterade i bristande precision i skattningarna. Av dessa skäl hade det tidigare varit vanskligt att dra några definitiva slutsatser om i vilket utsträckning arv och miljö förklarade variationen i skolprestationer.
I sin studie fokuserade Shakeshaft och hans kollegor på tvillingarnas prestationer i engelska, naturvetenskap och matematik, vilka utgör kärnämnen i det brittiska skolsystemet. De beräknade därefter ett genomsnittligt betyg för kärnämnena, och undersökte även ett motsvarande genomsnittligt betyg för kurser i humaniora.
Resultaten visade att ärftliga faktorer förklarade 58 procent av de individuella prestationsskillnaderna i de tre kärnämnen som studerades och varierade från 52 procent för betyg i engelska, till 60 procent för betyg i naturvetenskap. Ärftlighetsgraden var dock betydligt lägre för prestationer inom humaniora (40 procent).
Delade miljöfaktorer förklarade på motsvarande vis mellan en femtedel (22 procent) till en tredjedel (33 procent) av variationen i betygen för samtliga utfall. Den kvarvarande variationen förklarades av det som vi beteendegenetiker kallar för unika miljöfaktorer, vilket avser en kombination av individspecifika miljöinfluenser, slumpfaktorer och mätfel.
Varför är ärftlighetsgraderna höga?
Plomin ledde, i samarbete med sin dåvarande doktorand Eva Krapohl (nu verksam vid bioteknikföretaget UBC), en uppföljningsstudie under det efterföljande året. Denna studie utgick från de höga ärftlighetsskattningarna för skolprestationer i TEDS-materialet och syftade till att belysa dess orsaker. Resultaten presenterades i artikeln “The high heritability of educational achievement reflects many genetically influenced traits, not just intelligence”, publicerad i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences (2014).
I den aktuella studien hade TEDS-forskarna lyckats rekrytera fler deltagare som hade hunnit bli gamla nog för att ha avklarat sina grundskolestudier. Detta innebar en ökning av urvalsstorleken från ca 11 000 till 13 300 deltagare. Forskarna inledde studien med att undersöka graden av ärftlighet för deltagarnas prestationer i den brittiska skolans tre kärnämnena: engelska, naturvetenskap och matematik. Resultatet visade att ärftliga faktorer förklarade en något större andel (62 procent) av de individuella betygsskillnaderna i de tre kärnämnena jämfört med den tidigare studien av Shakeshaft et al. (58 procent). Samtidigt hade de delade miljöinfluenserna minskat från 29 till 26 procent.
Därefter konstruerade Krapohl och hennes kollegor nio separata index för att mäta olika typer av faktorer som, enligt litteraturen, har visat sig samvariera med skolprestationer. Dessa faktorer inkluderade intelligens, självförmåga, upplevd skol- och hemmiljö, personlighet, subjektivt välmående, föräldra- och självskattade beteendeproblem samt somatiska besvär. Eftersom samtliga index uppvisade en måttlig till stark ärftlighetsgrad (35 till 58 procent), fanns det grund för att anta att en del av den höga ärftligheten för individuella prestationsskillnader i skolans kärnämnen överlappade med ärftliga faktorer som var gemensamma för ett eller flera av dessa index.
I den klassiska tvillingmodellen studeras hur ärftliga faktorer samt delade respektive unika miljöfaktorer bidrar till att förklara individuella skillnader i ett givet utfall. Denna modell kan emellertid utvidgas till att studera hur sådana influenser förklarar överlappen mellan två eller fler utfall, vilka kallas bivariata respektive multivariata tvillingmodeller. I den aktuella studien tillämpade Krapohl och hennes kollegor ett antal bi- och multivariata tvillingmodeller för att undersöka hur pass mycket ärftligheten för TEDS-deltagarnas skolprestationer kunde förklaras av de ovannämnda indexen.
De bivariata tvillinganalyserna påvisade betydande genetiska överlapp mellan specifika index och prestationer i kärnämnen. Intelligens visade den starkaste kopplingen, och förklarade hälften av ärftligheten för betygen i kärnämnen, vilket efterföljdes av självförmåga (37 procent), personlighetsdrag (21 procent), upplevd skolmiljö (19 procent) och beteendeproblem (16-21 procent).
En multivariat analys av indexens samtliga effekter visade att de tillsammans bidrog till att förklara 75 procent av ärftligheten för betygen i kärnämnen. Om vi enbart hade beaktat resultaten från de bivariata analyserna, hade indexen förklarat hela 174 procent av samma ärftlighet. Den multivariata modellen tar dock hänsyn till att de enskilda indexen är genetiskt korrelerade med varandra. Exempelvis är självförmåga, personlighetsdrag och beteendeproblem genetiskt korrelerade med intelligens. Genom att beakta sådana överlapp ger den multivariata modellen oss en mer korrekt uppskattning av indexens samlade effekter.
Generalistgener?
De starka genetiska överlappen mellan mått på intelligens och skolprestationer utgör ett välreplikerat fynd som har gett upphov till hypotesen om "generalistgener" för kognitiva förmågor (Kovas et al., 2005). Denna hypotes postulerar att ett större antal gener utövar pleiotropa effekter på kognitiva förmågor, vilket innebär att enskilda gener kan påverka flera kognitiva utfall samtidigt.
Kailli Rimfeld, universitetslektor i psykologi vid Royal Holloway University of London och tidigare doktorand i Robert Plomins forskargrupp, undersökte hypotesen om generalistgener för betyg i ett bredare urval av kurser än de som ingår i den brittiska grundskolans kärnämnen. Rimfeld och hennes kollegor presenterade sina resultat i artikeln “Pleiotropy across academic subjects at the end of compulsory education” som publicerades i tidskriften Scientific Reports (2015).
Resultaten från den aktuella studien indikerade att över hälften (54-65 procent) av variationen, eller de individuella skillnaderna, i både intelligens och olika ämnesbetyg kunde tillskrivas ärftliga faktorer. Delade miljöfaktorer förklarade en mindre andel av variationen i intelligens jämfört med ämnesbetygen (5 procent vs. 14-21 procent). Den kvarvarande variationen i samtliga utfall kunde tillskrivas unika miljöinfluenser.
Studien undersökte därefter den genetiska korrelationen (rG) mellan intelligens och ämnesbetygen. Dessa varierade från en måttlig genetisk korrelation (rG=0,44) för sambandet mellan intelligens och betyg i konst, till en stark genetisk korrelation (rG=0,69) för sambandet med betyg i matematik. Annorlunda uttryckt indikerade detta att de genetiska influenser som påverkar intelligens överlappade med 19 procent och 48 procent av de genetiska influenser som påverkar prestationer i konst respektive matematik.1
Forskarna fann vidare att de genetiska korrelationerna mellan ämnesbetygen generellt sett var högre (rG=0,51-0,88). Intressant nog förblev korrelationerna starka (rG=0,49–0,81) även efter justering för intelligens. Sammantaget gav resultaten stöd för förekomsten av "generalistgener" som förklarar individuella skillnader både i intelligens och prestationer i flera specifika skolämnen.
Resultaten gällande delade miljöinfluenser var dock mer komplexa. Delade miljöinfluenser associerade med högre betyg i konst var enbart associerade med motsvarande influenser för betyg i humaniora, och inte till andra ämnen. På grund av det relativt låga antalet deltagare som läste företagsinformatik var det vanskligt att få precisa skattningar av korrelationerna mellan delade miljöinfluenser för det ämnet och övriga ämnen. För övriga ämnen var de delade miljökorrelationerna starka (rC=0,80-0,92). Detta tyder på att delade miljöinfluenser generellt sett tenderar att vara gemensamma för betyg i flera ämnen, med undantag för konst där det delvis förefaller finnas andra typer av relevanta delade miljöinfluenser.
De unika miljökorrelationerna mellan ämnesbetygen var i väntad ordning låga till måttliga (rE = 0,17-0,45). Om de unika miljöinfluenserna enbart hade omfattat individspecifika miljöfaktorer hade vi förväntat oss starkare korrelationer, men då de även inkluderar slumpmässiga faktorer och mätfel tenderar skattningarna att artificiellt underskattas.
Stabila gener och dynamiska miljöer
I en annan av Rimfelds studier tillämpade hon multivariata tvillingmodeller för att förstå orsakerna till varför individuella prestationer i kärnämnen antingen förblir stabila eller varierar under grundskoleperioden. Resultaten av den aktuella studien presenterades i artikeln “The stability of educational achievement across school years is largely explained by genetic factors” som publicerades i tidskriften npj Science of Learning (2018).
Datamaterialet utgjordes av ett delurval av 6000 tvillingpar som deltog i TEDS-studien. Den brittiska grundskolan kan beskrivas vara uppdelad i fyra distinkta etapper:
Etapp 1 (Key stage 1 eller KS1): Elever i åldrarna 5-7 år får lära sig grundläggande färdigheter i läsning, skrivning och matematik.
Etapp 2 (Key stage 2 eller KS2): Elever i åldrarna 7-11 år utvecklar de grundläggande färdigheter som de har fått med sig från KS1 och blir därtill introducerade till nya ämnen (exempelvis naturvetenskap, geografi och historia).
Etapp 3 (Key stage 3 eller KS3): Elever i åldrarna 11-14 år får fortsatt breddade kunskaper i ett större antal ämnen och börjar därtill att förbereda sig för de nationella examensproven.
Etapp 4 (General Certificate of Secondary Education eller GCSEs): Elever i åldrarna 14-16 år får göra nationella examensprov i valda kurser. I genomsnitt brukar de brittiska eleverna läsa cirka åtta GCSE-kurser (mer statistik finns här).
Resultaten visade att ärftliga faktorer (“A” i figuren nedan) stod för ungefär 60 procent av den individuella variationen i studieprestationerna i de undersökta kurserna. Delade miljöinfluenser (“C”) och unika miljöinfluenser (“E”) bidrog vardera med cirka 20 procent till att förklara samma variation. Inga systematiska skillnader observerades mellan specifika ämnen, eller etapper.2
Deltagarnas betyg i grundskolans kärnämnen var relativ stabil under hela grundskoleperioden (r=0,66-0,85). Den här stabiliteten i skolprestationer förklarades till 70 procent av ärftliga faktorer, 24 procent av delade miljöfaktorer och 6 procent av en kombination av individspecifika miljöfaktorer, slumpfaktorer och mätfel.
Faktumet att elevernas prestationer i genomsnitt tenderade att vara stabila utesluter inte förekomsten av elever som i betydande grader presterade olika mellan de fyra etapperna. Mer komplexa modeller visade att sådana individuella prestationsskillnader nästan uteslutande förklarades av miljöinfluenser.
Tillsammans visade analyserna att elevernas stabilitet i skolprestationer, vare sig svaga eller starka, primärt tenderade att förklaras av deras ärftliga bakgrund, medan skillnader i prestationer över tid istället primärt tenderade att förklaras av miljöinfluenser.
En jämförande sociologisk studie
I en studie ledd av Tina Baier, forskare i sociologi vid universitetet i Oslo, undersöktes hur arv och miljö förklarade skolprestationer i fyra höginkomstländer: Tyskland, Norge, Sverige och USA. Länderna valdes dels på grund av deras varierande välfärdspolitik, med USA som ett land som kännetecknas av ett mindre välfärdsutbud, och dels på grund av skillnader i ländernas skolsystem, med Tyskland som ett unikt fall med tidig nivågruppering redan i femte klass. Resultaten presenterades i artikeln “Genetic Influences on Educational Achievement in Cross-National Perspective” som publicerade i European Sociological Review (2022).
I det svenska och norska datamaterialet analyserades deltagarnas slutbetyg från årskurs 9 medan de tyska och amerikanska datamaterialen enbart hade uppgifter om deltagarnas slutbetyg från gymnasiet. Övriga skillnader mellan datamaterialen har sammanfattats i tabellen nedan (GPA avser betyg eller grade point average):
Baier och hennes kollegor ville därtill beakta icke-slumpmässig parning (se del 2 för detaljer). Kort sagt antar den klassiska tvillingmodellen att föräldrar till de studerade tvillingarna inte har valt varandra på basis av den egenskap som undersöks, vilket i det här fallet utgörs av skolbetyg. Det här antagandet är emellertid inte realistiskt då det föreligger måttligt starka korrelationer i utbildningsprestationer mellan personer som skaffar barn ihop. I separata analyser valde därför Baier att justera sina modeller för den här typen av icke-slumpmässig parning (eng. assortative mating).
Efter justering för icke-slumpmässig parning fann Baier och hennes kollegor att ärftlighetsgraden för skolprestationer i Tyskland uppgick till 60 procent medan motsvarande skattningar för de övriga länderna var betydligt högre (75 till 85 procent). Delade miljöfaktorer bidrog till att förklara mellan 15 till 18 procent av prestationsskillnaderna i Tyskland och Norge, men de förklarade inte motsvarande variation vare sig i Sverige eller USA.
Författarna argumenterade för att den lägre ärftlighetsskattningen i Tyskland skulle kunna tolkas som att landets skolsystem, med sin tidiga nivågruppering, skulle kunna hämma somliga elevers genetiska potential för att nå akademisk framgång:
In line with our expectations, we found that genetic influences on school grades were considerably stronger in Norway, Sweden, and the United States compared to Germany. This indicates that early tracking lowers children’s chances to realize their potential for academic growth. Early tracking, therefore, seems to lead to untapped genetic potentials for education.
Detta må vara plausibelt men det behövs mer omfattande studier för att bekräfta den hypotesen. Tyskland skiljer sig från de övriga länderna på betydligt fler områden än enbart dess skolsystem, vilket gör det vanskligt att dra alltför starka slutsatser från enklare jämförelser av det här slaget.
Författarna fann dock inget stöd för hypotesen att ärftligheten för skolprestationer skulle vara högre i mer generösa välfärdsstater. I kontrast till den hypotesen fann forskarna att de amerikanska tvillingstudierna hade bland de högsta ärftlighetsskattningarna, oaktat om icke-slumpmässig parning justerades för eller ej. Det bör ändock noteras, vilket jag diskuterade i närmare detalj i del 1 , att det inte är helt oproblematiskt att jämföra ärftlighetsskattningar mellan distinkta populationer på det här viset.