W przestronnej sali koncertowej, przed wielotysięczną publicznością, Masatoshi Nei doświadcza technicznej usterki.

Biolog właśnie otrzymał prestiżową japońską nagrodę Kyoto Prize in Basic Sciences, honorującą jego przełomowe badania ewolucji na poziomie molekularnym. Oczy i uszy międzynarodowych mediów, dyplomatów i dygnitarzy, w tym japońskiej księżniczki Takamado, są wyczulone na 82-letniego, łagodnie mówiącego biologa, który wygłasza swoją mowę lub próbuje ją wygłosić. Na ogromnym ekranie nad nim, pokaz slajdów postępuje i cofa się losowo, jak Nei próbuje przedstawić techniki, których był pionierem, które zrewolucjonizowały jego pole – i teorie, które kwestionują niektóre z jego najbardziej głęboko zakorzenionych idei.

„Tak mi przykro” Nei mówi publiczności z ujmującym chichotem. „Zawsze dążę do teorii, a nie do praktyki.”

Praktyczność była jednak siłą przewodnią w całej karierze Nei’a, od jego wczesnych badań rolniczych po trwające dziesiątki lat dążenie do odejścia biologii ewolucyjnej od subiektywnych obserwacji terenowych na rzecz obiektywnej, opartej na matematyce analizy na poziomie molekularnym. W 1972 roku opracował on powszechnie stosowany obecnie wzór, standardową odległość genetyczną Nei’a, która porównuje kluczowe geny różnych populacji w celu oszacowania, jak dawno temu grupy te się rozeszły. Na początku lat 90. Nei był współtwórcą darmowego oprogramowania, które tworzy drzewa ewolucyjne na podstawie danych genetycznych. Dwie dekady później, Molecular Evolutionary Genetics Analysis, lub MEGA, pozostaje jednym z najszerzej używanych i cytowanych programów komputerowych w biologii.

Masatoshi Nei rozszerza swoją teorię ewolucji w swojej książce z 2013 roku Mutation-Driven Evolution. (Credit: Michael Ray)

Ale to jest jego naturalna teoria obalająca selekcję, którą Nei rozwinął w latach 80-tych i rozszerzył w książce Mutation-Driven Evolution z 2013 roku, którą badacz chce zobaczyć ogarniętą, cytowaną i nauczaną w szkołach.

Kilka dni po tym, jak slajdy jego prezentacji w końcu zaczęły współpracować, Nei, dyrektor Instytutu Molekularnej Genetyki Ewolucyjnej na Pennsylvania State University, rozmawiał z Discover o tym, gdzie jego zdaniem Darwin popełnił błąd.

Discover: Rozpoczął Pan swoją karierę akademicką w Japonii w latach 50-tych jako asystent profesora nauk rolniczych. Jak to się stało, że stał się Pan, bez zamierzonego kalamburu, biologiem molekularnym podejmującym walkę z Darwinem?

Masatoshi Nei: Chciałem uczynić genetykę populacyjną użyteczną i praktyczną, więc zająłem się hodowlą roślin. Ale zacząłem się zastanawiać, dlaczego ewolucja fenotopowa ma miejsce? Interesowało mnie to na poziomie genetycznym. Karol Darwin powiedział, że ewolucja zachodzi poprzez dobór naturalny w obecności ciągłej zmienności, ale nigdy nie udowodnił występowania doboru naturalnego w przyrodzie. Argumentował to, ale nie przedstawił mocnych dowodów.

Ale wśród ludzi pracujących nad ewolucją, większość z nich nadal wierzy, że dobór naturalny jest siłą napędową.

Jeśli mówisz, że ewolucja zachodzi przez dobór naturalny, wygląda to naukowo w porównaniu z mówieniem, że Bóg wszystko stworzył. Teraz oni mówią, że dobór naturalny stworzył wszystko, ale nie wyjaśniają jak. Jeśli jest to nauka, musisz wyjaśnić każdy krok. Dlatego byłem niezadowolony. Zamiana Boga na dobór naturalny nie zmienia zbyt wiele. Musisz wyjaśnić jak.

Nei przedstawia argumenty za ewolucją napędzaną mutacjami podczas ceremonii wręczenia nagród Kyoto Prize 2013. (Credit: The Inamori Foundation)

Q: OK, więc wyjaśnij jak.

A: Każda część naszego ciała jest kontrolowana przez molekuły, więc musisz to wyjaśnić na poziomie molekularnym. To jest prawdziwy mechanizm ewolucji, jak zmieniają się molekuły. Zmieniają się one poprzez mutację. Mutacja oznacza zmianę w DNA poprzez, na przykład, substytucję lub insercję. Najpierw musi zajść zmiana, a potem może działać lub nie działać dobór naturalny. Twierdzę, że mutacja jest najważniejszą siłą napędową ewolucji. Naturalna selekcja występuje czasami, oczywiście, ponieważ niektóre typy zmian są lepsze od innych, ale mutacja stworzyła różne typy. Naturalna selekcja jest drugorzędna.

Q: Ktoś z zewnątrz patrząc na debatę może powiedzieć, że ty i inni badacze dzielicie włos na czworo, że zarówno mutacja jak i naturalna selekcja napędzają ewolucję. How do you respond?

A: I don’t study the character or the function; I study the gene that controls it. Moje stanowisko jest takie, że mutacja tworzy zmienność, potem dobór naturalny może, ale nie musi działać, może wybrać dobrą zmienność i wyeliminować złą, ale dobór naturalny nie jest siłą napędową.

W neodarwinizmie ewolucja jest procesem wzrostu kondycji. W teorii ewolucji opartej na mutacjach, ewolucja jest procesem zwiększania lub zmniejszania złożoności organizmu. Mamy tendencję do wierzenia, że dobór naturalny wybiera jeden typ. Ale istnieje wiele typów, a mimo to są one w porządku. Mogą one przetrwać, nie ma problemu.

Na przykład, jeśli niebieskie oczy są lepsze z jakiegoś powodu w Skandynawii, że mutacja ma wybraną przewagę, a następnie oczywiście, że przewaga będzie występować więcej w tej populacji. Ale najpierw musisz mieć tę mutację. A dobór naturalny sam w sobie nie jest tak jednoznaczny. W niektórych przypadkach jest, ale nie zawsze. The gen częstotliwość błękitny oko móc wzrastać przypadkowo, zbyt, raczej niż naturalna selekcja. Niebieski kolor oczu może być tak samo dobry jak zielony. Both can see.

Q: W 1968 roku, twój przyjaciel i mentor Motoo Kimura zaproponował neutralną teorię ewolucji molekularnej, twierdząc, że większość mutacji, które występują nie mają ani korzystnych ani szkodliwych konsekwencji dla organizmu. W jaki sposób poszedłeś o krok dalej z teorią ewolucji opartej na mutacjach?

A: Kimura wierzył, że morfologia ewoluuje poprzez dobór naturalny. Zastosował on teorię neutralną tylko na poziomie molekularnym. Ja twierdzę, że może ona również określać cechy morfologiczne, ponieważ DNA określa wszystko, ale udowodnienie tego nie było takie proste. Czterdzieści lub 50 lat później, nadal próbuję to udowodnić.

Q: Jednym z twoich najbardziej znaczących wkładów w tę dziedzinę jest standardowa odległość genetyczna Nei’a, formuła, która określa, kiedy różne populacje się rozeszły na podstawie matematycznej analizy ich genomów. Wzór ten zakłada jednak, że tempo zmian genetycznych jest stałe. Czy sądzisz, że działalność człowieka – od przełowienia, przez spalanie paliw kopalnych, po oświetlanie naszych miast i autostrad sztucznym światłem – może przyspieszać tempo mutacji?

A: Myślę, że działalność człowieka zawiera element mutagenny, ale trudno zebrać na to dowody. Wystąpił on tylko w ciągu, powiedzmy, ostatnich 10 000 lat i nie wiem, czy zmienia tempo mutacji. Można zidentyfikować, ile różnych mutacji wystąpiło, ale nie zawsze jak.

Q: Mówisz o ewolucji napędzanej mutacjami od ponad trzech dekad. Jak sądzisz, dlaczego większość biologów ewolucyjnych pozostaje w obozie doboru naturalnego?

A: Wyraziłem ten prosty pogląd po raz pierwszy w 1975 roku w mojej książce Molecular Population Genetics and Evolution, a w 1987 roku w rozdziale w innej książce, ale nikt nie zmienił swoich poglądów ani podręczników. Oczywiście, w tym czasie biologia molekularna nie rozwinęła się jeszcze zbyt daleko, a tradycyjna biologia ewolucyjna brała pod uwagę tylko morfologię, a nie to, jak doszło do zmienności.

Niektóre ptaki, na przykład, mają odmianę hemoglobiny, która pozwala im latać nad Himalajami, na bardzo dużych wysokościach. Niektóre aligatory mają inny wariant hemoglobiny, który pozwala im pozostać w zanurzeniu przez bardzo długi czas. To było znane przez jakiś czas i każdy czuł, dobrze, zróżnicowanie istnieje w populacjach, ale warunek konieczny musi być tylko selekcją naturalną.

Metoda łączenia sąsiadów pozwala naukowcom obliczyć, kiedy różne gatunki, lub odmiany w obrębie gatunku, zróżnicowały się poprzez analizę różnic na poziomie molekularnym. Na podstawie badań z 2002 roku, ta ilustracja przedstawia związki między 18 populacjami ludzkimi, wykorzystując metodę sąsiedzkiego łączenia do stworzenia drzewa ewolucyjnego zbudowanego na podstawie danych genetycznych. (Credit: Alison Mackey/Discover after Jason Spatola/Wikimedia Commons)

Q: W 1987 roku był Pan współautorem pracy z Naruyą Saitou opisującej metodę sąsiedzkiego łączenia, nowatorski algorytm tworzenia drzew ewolucyjnych poprzez pracę wstecz w oparciu o kluczowe różnice genetyczne pomiędzy spokrewnionymi gatunkami, w myśl idei, że im bardziej niedawno jeden gatunek oddzielił się od drugiego, tym bardziej podobne będzie ich DNA. Przez lata był on cytowany ponad 34 000 razy i stał się kamieniem węgielnym badań nad molekularną biologią ewolucyjną. Dlaczego uważa Pan, że była ona tak wpływowa?

A: To proste. Rozwinąłem teorię odległości genetycznej, ponieważ chciałem stworzyć drzewo filogenetyczne, a odległość może być używana do tworzenia drzew. Ale interesowała mnie również statystyka. Połączyłem więc te dwie metody. Aby to przetestować, najpierw przeprowadziliśmy symulacje komputerowe: Wygenerowaliśmy sekwencję DNA dla drzewa ewolucyjnego, gdzie już wiedzieliśmy, gdzie drzewo się rozgałęzia. Następnie wykorzystaliśmy statystykę, metodę łączenia sąsiadów, do zrekonstruowania drzewa i sprawdzenia, czy przypominało ono rzeczywiste drzewo filogenetyczne. Tak było i stąd wiedzieliśmy, że ta metoda daje całkiem dobre wyobrażenie o tym, jak gatunki ewoluowały i rozchodziły się.

Na początku inni biolodzy byli fanatykami trzymania się wcześniejszych metod obliczania związków między gatunkami. W latach 80. było wiele głupich walk, ale upierałem się, że to zadziała. W przypadku, powiedzmy, użycia 100 sekwencji genetycznych, możemy stworzyć drzewo sąsiedztwa w ciągu kilku sekund. Przy użyciu zwykłej metody zajęłoby to miesiące. A po miesiącach pracy wynik był prawie zawsze taki sam jak w przypadku metody sąsiedzkiego łączenia.

Q: Stwierdziłeś przy wielu okazjach, że jesteś gotowy na wiele krytyki w związku ze swoją najnowszą książką, Mutation-Driven Evolution z 2013 roku. Dlaczego?

A: Przedstawiłem takie poglądy w mojej książce Molecular Evolutionary Genetics z 1987 roku, ale ludzie nie zwrócili na nie uwagi. Podręczniki do ewolucji nie zmieniły się: nadal twierdzą, że dobór naturalny powoduje ewolucję. Moje poglądy zostały całkowicie zignorowane. W książce tej omówiłem wiele technik statystycznych i dopiero w ostatnim rozdziale przedyskutowałem problem nieudowodnienia doboru naturalnego. Myślę, że ten rozdział nie przekonał wielu ludzi, ponieważ mieli już z góry założone przekonanie, że dobór naturalny musi być siłą napędową, ponieważ Darwin tak powiedział. Darwin jest bogiem w ewolucji, więc nie możesz krytykować Darwina. Jeśli to zrobisz, jesteś naznaczony jako arogant.

Ale za każdym razem, gdy teoria naukowa jest traktowana jak dogmat, musisz ją kwestionować. Dogmat o doborze naturalnym istnieje od dawna. Większość ludzi go nie zakwestionowała. Większość podręczników wciąż twierdzi, że tak jest. Większość studentów jest kształcona przy pomocy tych książek.

Musisz kwestionować dogmaty. Używajcie zdrowego rozsądku. Musisz myśleć za siebie, bez uprzedzeń. To właśnie jest ważne w nauce.

Ten artykuł pierwotnie ukazał się w druku jako „We Are All Mutants.”

.