In een grote concertzaal, voor een gretig publiek van duizenden, ondervindt Masatoshi Nei een technische storing.
De bioloog heeft zojuist de prestigieuze Japanse Kyoto-prijs in de basiswetenschappen ontvangen, ter ere van zijn baanbrekende onderzoek naar evolutie op moleculair niveau. De ogen en oren van de internationale media, diplomaten en hoogwaardigheidsbekleders, waaronder de Japanse prinses Takamado, zijn gericht op de zachtaardige 82-jarige als hij zijn toespraak houdt. Of probeert te houden. Op een enorm scherm boven hem gaat een diavoorstelling willekeurig op en neer terwijl Nei probeert technieken te presenteren die hij heeft ontwikkeld en die zijn vakgebied hebben gerevolutioneerd – en theorieën die enkele van de meest diepgewortelde ideeën ervan in twijfel trekken.
“Het spijt me zo,” vertelt Nei zijn publiek met een vertederende grinnik. “
Praktijkgerichtheid is echter een leidende kracht geweest in Nei’s hele carrière, van zijn vroege landbouwonderzoek tot zijn decennialange zoektocht om evolutionaire biologie weg te leiden van subjectieve veldwaarnemingen naar objectieve, op wiskunde gebaseerde analyse op moleculair niveau. In 1972 bedacht hij een nu veel gebruikte formule, Nei’s standaard genetische afstand, die belangrijke genen van verschillende populaties vergelijkt om te schatten hoe lang geleden de groepen uit elkaar zijn gegaan. In het begin van de jaren ’90 was Nei mede-ontwikkelaar van gratis software die evolutionaire bomen creëert op basis van genetische gegevens. Twee decennia later is Molecular Evolutionary Genetics Analysis, of MEGA, nog steeds een van de meest gebruikte en geciteerde computerprogramma’s in de biologie.
Maar het is zijn natuurlijke selectie-bustingtheorie, die Nei in de jaren ’80 ontwikkelde en in 2013 uitbreidde in zijn boek Mutation-Driven Evolution, die de onderzoeker omarmd, geciteerd en onderwezen wil zien op scholen.
Een paar dagen nadat zijn presentatiedia’s eindelijk meewerkten, sprak Nei, directeur van het Institute of Molecular Evolutionary Genetics aan de Pennsylvania State University, met Discover over waar Darwin volgens hem de fout in ging.
Discover: U begon uw academische carrière in Japan in de jaren ’50 als assistent-professor in landbouwwetenschappen. Hoe bent u, zonder de woordspeling, geëvolueerd tot een moleculair bioloog die het tegen Darwin opnam? Masatoshi Nei: Ik wilde populatiegenetica nuttig en praktisch maken, dus ging ik me bezighouden met plantenveredeling. Maar ik begon me af te vragen, waarom vindt fenotope evolutie plaats? Ik was erin geïnteresseerd op genetisch niveau. Charles Darwin zei dat evolutie plaatsvindt door natuurlijke selectie in de aanwezigheid van voortdurende variatie, maar hij heeft nooit bewezen dat natuurlijke selectie in de natuur voorkomt. Hij betoogde dat wel, maar hij kwam niet met sterke bewijzen.
Maar onder de mensen die zich met evolutie bezighouden, geloven de meesten nog steeds dat natuurlijke selectie de drijvende kracht is.
Als je zegt dat evolutie plaatsvindt door natuurlijke selectie, lijkt dat wetenschappelijk vergeleken met zeggen dat God alles heeft geschapen. Nu zeggen ze dat natuurlijke selectie alles heeft geschapen, maar ze leggen niet uit hoe. Als het wetenschap is, moet je elke stap verklaren. Daarom was ik ongelukkig. Alleen het vervangen van God door natuurlijke selectie verandert niet veel. Je moet uitleggen hoe.
Q: OK, dus, leg eens uit hoe.
A: Elk deel van ons lichaam wordt bestuurd door moleculen, dus je moet het op moleculair niveau uitleggen. Dat is het echte mechanisme van evolutie, hoe moleculen veranderen. Ze veranderen door mutatie. Mutatie betekent een verandering in het DNA door, bijvoorbeeld, substitutie of insertie. Eerst moet je verandering hebben, en dan kan natuurlijke selectie werken of niet werken. Ik zeg dat mutatie de belangrijkste, drijvende kracht van evolutie is. Natuurlijke selectie treedt soms op, natuurlijk, omdat sommige soorten variaties beter zijn dan andere, maar mutatie creëerde de verschillende soorten. Natuurlijke selectie is secundair.
Q: Iemand die van buitenaf naar het debat kijkt, zou kunnen zeggen dat u en andere onderzoekers haarkloverij bedrijven, dat zowel mutatie als natuurlijke selectie de evolutie aandrijven. Hoe reageert u daarop?
A: Ik bestudeer niet het karakter of de functie; ik bestudeer het gen dat de functie regelt. Mijn standpunt is dat mutatie variatie creëert, dan kan natuurlijke selectie al dan niet werken, het kan al dan niet de goede variatie kiezen en de slechte elimineren, maar natuurlijke selectie is niet de drijvende kracht.
In het neo-Darwinisme, is evolutie een proces van toenemende fitness . In de mutatie-gedreven evolutietheorie is evolutie een proces van toename of afname van de complexiteit van een organisme. Wij zijn geneigd te geloven dat natuurlijke selectie één type selecteert. Maar er zijn vele types, en toch zijn ze OK. Ze kunnen overleven, geen probleem.
Bij voorbeeld, als blauwe ogen om een of andere reden beter zijn in Scandinavië, dan heeft die mutatie een geselecteerd voordeel, en dan zal dat voordeel natuurlijk meer voorkomen in die populatie. Maar eerst moet je de mutatie hebben. En natuurlijke selectie zelf is niet zo duidelijk. In bepaalde gevallen wel, maar niet altijd. De genfrequentie van blauwe ogen kan ook zijn toegenomen door toeval, in plaats van natuurlijke selectie. De blauwe oogkleur kan net zo goed zijn als de groene. Beiden kunnen zien.
Q: In 1968 stelde uw vriend en mentor Motoo Kimura de neutrale theorie van moleculaire evolutie voor, met als argument dat de meeste mutaties die optreden noch voordelige noch nadelige gevolgen hebben voor een organisme. Hoe heeft u de neutrale theorie een stap verder gebracht met de mutatie-gedreven evolutietheorie?
A: Kimura geloofde dat morfologie evolueert door natuurlijke selectie. Hij paste de neutrale theorie alleen toe op moleculair niveau. Ik zeg dat het ook morfologische kenmerken kan bepalen omdat DNA alles bepaalt, maar om dit te bewijzen is niet zo gemakkelijk geweest. Veertig of vijftig jaar later, probeer ik het nog steeds te bewijzen.
Q: Een van uw belangrijkste bijdragen aan het vakgebied is Nei’s standaard genetische afstand, een formule die bepaalt wanneer verschillende populaties uit elkaar zijn gegaan op basis van wiskundige analyse van hun genomen. Maar deze formule gaat ervan uit dat de snelheid van genetische verandering constant is. Denkt u dat menselijke activiteiten – van overbevissing tot het verbranden van fossiele brandstoffen en het verlichten van onze steden en snelwegen met kunstlicht – de mutatiesnelheid zouden kunnen versnellen?
A: Ik denk dat er een mutageen element zit in menselijke activiteiten, maar het is moeilijk om daar bewijs voor te verzamelen. Het is alleen voorgekomen in, laten we zeggen, de afgelopen 10.000 jaar, en ik weet niet of het de mutatiesnelheid verandert. Je kunt wel vaststellen hoeveel verschillende mutaties er zijn opgetreden, maar niet altijd hoe.
Q: U heeft het al meer dan drie decennia over mutatie-gedreven evolutie. Waarom denkt u dat de meerderheid van de evolutiebiologen in het kamp van de natuurlijke selectie blijft?
A: Ik verwoordde deze eenvoudige opvatting voor het eerst in 1975 in mijn boek Molecular Population Genetics and Evolution, en in 1987 in een hoofdstuk in een ander boek, maar niemand veranderde zijn opvattingen of de leerboeken. In die tijd was de moleculaire biologie natuurlijk nog niet zo ver ontwikkeld, en de traditionele evolutiebiologie beschouwde alleen de morfologie, niet hoe de variatie ontstond.
Sommige vogels, bijvoorbeeld, hebben een variant van hemoglobine die hen in staat stelt over de Himalaya te vliegen, op zeer grote hoogten. Sommige alligators hebben een andere variant van hemoglobine die hen in staat stelt zeer lang onder water te blijven. Dit is al een tijdje bekend en iedereen dacht, nou ja, variatie bestaat in de populaties, maar de noodzakelijke voorwaarde moet gewoon natuurlijke selectie zijn.
Q: In 1987 was u co-auteur van een artikel met Naruya Saitou waarin u de neighbor-joining methode beschreef, een nieuw algoritme voor het maken van evolutionaire bomen door achteruit te werken op basis van belangrijke genetische verschillen tussen verwante soorten, waarbij het idee is dat hoe recenter een soort van een andere soort is afgeweken, hoe meer hun DNA op elkaar zal lijken. Het is in de loop der jaren meer dan 34.000 keer geciteerd en is uitgegroeid tot een hoeksteen van het moleculaire evolutiebiologisch onderzoek. Waarom denkt u dat het zo invloedrijk was?
A: Het is simpel. Ik had de genetische afstandstheorie ontwikkeld omdat ik een fylogenetische boom wilde maken, en afstand kan worden gebruikt om bomen te maken. Maar ik was ook geïnteresseerd in statistiek. Dus combineerde ik de twee methoden. Om het te testen, deden we eerst computersimulaties: We genereerden een DNA-sequentie voor een evolutionaire boom waarvan we al wisten waar de boom vertakte. Daarna gebruikten we statistiek, de neighbor-joining methode, om de boom te reconstrueren en te testen of die leek op de werkelijke fylogenetische boom. Dat was het geval, en zo wisten we dat deze methode een vrij goed idee gaf van hoe soorten evolueerden en divergeerden.
In het begin waren andere biologen fanatiek in het vasthouden aan vroegere methoden om verwantschappen tussen soorten te berekenen. Er waren veel stomme ruzies in de jaren ’80, maar ik stond erop dat het zou werken. In het geval van, laten we zeggen, 100 genetische sequenties, kunnen we binnen een paar seconden een boom maken met neighbor-joining. Met de gewone methode, zou het maanden duren. En na maanden werken was het resultaat bijna altijd hetzelfde als bij de neighbor-joining methode.
Q: U heeft een aantal keren verklaard dat u klaar bent voor een hoop kritiek op uw meest recente boek, 2013’s Mutation-Driven Evolution. Waarom?
A: Ik presenteerde dergelijke opvattingen in mijn boek Molecular Evolutionary Genetics uit 1987, maar de mensen besteedden er geen aandacht aan. De leerboeken over evolutie zijn niet veranderd: ze zeggen nog steeds dat natuurlijke selectie de evolutie veroorzaakt. Mijn opvattingen werden totaal genegeerd. In dat boek besprak ik veel statistische technieken, en pas in het laatste hoofdstuk ging ik in op het probleem dat natuurlijke selectie niet bewezen is. Dat hoofdstuk heeft veel mensen niet overtuigd, denk ik, omdat ze al een vooroordeel hadden dat natuurlijke selectie de drijvende kracht moet zijn omdat Darwin dat gezegd heeft. Darwin is een god in de evolutie, dus je kunt Darwin niet bekritiseren. Doe je dat wel, dan word je gebrandmerkt als arrogant.
Maar elke keer dat een wetenschappelijke theorie als een dogma wordt behandeld, moet je er vraagtekens bij zetten. Het dogma van natuurlijke selectie bestaat al heel lang. De meeste mensen hebben het niet in twijfel getrokken. In de meeste leerboeken staat het nog steeds zo. De meeste studenten worden met deze boeken opgeleid.
Je moet dogma’s in twijfel trekken. Gebruik je gezond verstand. Je moet voor jezelf denken, zonder vooroordelen. Dat is wat belangrijk is in de wetenschap.
Dit artikel verscheen oorspronkelijk in druk als “We Are All Mutants.”