I en stor konsertsal, inför en ivrig publik på tusentals människor, har Masatoshi Nei ett tekniskt problem.
Biologen har just fått Japans prestigefyllda Kyoto-pris för grundläggande vetenskaper, vilket hedrar hans banbrytande utforskning av evolutionen på molekylär nivå. Ögon och öron från internationella medier, diplomater och dignitärer, inklusive Japans prinsessa Takamado, är riktade mot den mjukt talande 82-åringen när han håller sitt tacktal.Eller försöker. På en massiv skärm ovanför honom visas ett bildspel som går fram och tillbaka slumpmässigt när Nei försöker presentera tekniker som han har varit pionjär på och som har revolutionerat hans område – och teorier som utmanar några av dess mest djupt rotade idéer.
”Jag är så ledsen”, säger Nei till sin publik med ett älskvärt skratt. ”Jag strävar alltid efter teorin, inte efter det praktiska.”
Praktikalitet har dock varit en vägledande kraft genom hela Neis karriär, från hans tidiga jordbruksforskning till hans decennier långa strävan att flytta evolutionsbiologin bort från subjektiva fältobservationer och in i en objektiv, matematikbaserad analys på molekylär nivå. År 1972 utarbetade han en nu allmänt använd formel, Neis genetiska standardavstånd, som jämför viktiga gener från olika populationer för att uppskatta hur länge sedan grupperna skiljde sig åt. I början av 90-talet var Nei med och utvecklade en fri programvara som skapar evolutionära träd på grundval av genetiska data. Två decennier senare är Molecular Evolutionary Genetics Analysis, eller MEGA, fortfarande ett av de mest använda och citerade datorprogrammen inom biologin.
Men det är hans teori om naturligt urval som Nei utvecklade på 80-talet och utvecklade i boken Mutation-Driven Evolution från 2013, som forskaren vill att man ska omfamna, citera och lära ut i skolorna.
För några dagar sedan hans presentationsbilder äntligen samarbetade talade Nei, chef för Institute of Molecular Evolutionary Genetics vid Pennsylvania State University, med Discover om var han anser att Darwin gjorde fel.
Discover: Du började din akademiska karriär i Japan på 50-talet som biträdande professor i jordbruksvetenskap. Hur utvecklades du, utan ordvitsar, till en molekylärbiolog som tog sig an Darwin?
Masatoshi Nei: Jag ville göra populationsgenetik användbar och praktisk, så jag började med växtförädling. Men jag började fråga mig varför fenotopisk evolution äger rum. Jag var intresserad av det på en genetisk nivå. Charles Darwin sade att evolutionen sker genom naturligt urval i närvaro av kontinuerlig variation, men han bevisade aldrig att det naturliga urvalet förekommer i naturen. Han argumenterade för det, men han presenterade inga starka bevis.
Men bland de människor som arbetar med evolution tror de flesta fortfarande att det naturliga urvalet är den drivande kraften.
Om man säger att evolutionen sker genom naturligt urval ser det vetenskapligt ut jämfört med att säga att Gud har skapat allting. Nu säger man att det naturliga urvalet skapade allting, men man förklarar inte hur. Om det är vetenskap måste man förklara varje steg. Det var därför jag var olycklig. Att bara ersätta Gud med naturligt urval förändrar inte särskilt mycket. Man måste förklara hur.
Q: Okej, förklara hur.
A: Varje del av vår kropp styrs av molekyler, så du måste förklara på en molekylär nivå. Det är evolutionens verkliga mekanism, hur molekyler förändras. De förändras genom mutation. Mutation innebär en förändring i DNA genom till exempel substitution eller insättning . Först måste man ha en förändring, och sedan kan det naturliga urvalet verka eller inte verka. Jag säger att mutation är den viktigaste drivkraften i evolutionen. Naturligt urval sker naturligtvis ibland, eftersom vissa typer av variationer är bättre än andra, men mutationen skapade de olika typerna. Det naturliga urvalet är sekundärt.
Q: Någon som står utanför och tittar in i debatten kan säga att du och andra forskare splittrar hårstråna, att både mutation och naturligt urval driver evolutionen. Hur svarar du?
A: Jag studerar inte karaktären eller funktionen; jag studerar genen som styr den. Min ståndpunkt är att mutation skapar variation, sedan kan det naturliga urvalet verka eller inte verka, det kan välja den goda variationen och eliminera den dåliga eller inte, men det naturliga urvalet är inte den drivande kraften.
I neodarwinismen är evolutionen en process av ökande lämplighet . I den mutationsdrivna evolutionsteorin är evolutionen en process som ökar eller minskar en organisms komplexitet. Vi tenderar att tro att det naturliga urvalet väljer en typ. Men det finns många typer, och ändå är de okej. De kan överleva, inga problem.
Till exempel, om blå ögon av någon anledning är bättre i Skandinavien, har den mutationen en selekterad fördel, och då kommer naturligtvis den fördelen att förekomma mer i den populationen. Men först måste man ha mutationen. Och det naturliga urvalet i sig är inte så tydligt. I vissa fall är det det, men inte alltid. Genfrekvensen för blå ögon kan ha ökat av en slump också, snarare än genom naturligt urval. Den blå ögonfärgen kan vara lika bra som grön. Båda kan se.
Q: 1968 föreslog din vän och mentor Motoo Kimura den neutrala teorin om molekylär evolution, där han hävdade att de flesta mutationer som uppstår varken har fördelaktiga eller skadliga konsekvenser för en organism. Hur tog du den neutrala teorin ett steg vidare med mutationsdriven evolutionsteori?
A: Kimura ansåg att morfologi utvecklas genom naturligt urval. Han tillämpade den neutrala teorin endast på molekylär nivå. Jag säger att den kan bestämma morfologiska egenskaper också eftersom DNA bestämmer allt, men att bevisa detta har inte varit så lätt. Fyrtio eller femtio år senare försöker jag fortfarande bevisa det.
Q: Ett av dina viktigaste bidrag till området är Neis standard genetiska avstånd, en formel som bestämmer när olika populationer skiljde sig åt baserat på matematisk analys av deras genomer. Men denna formel förutsätter att den genetiska förändringshastigheten är konstant. Tror du att mänsklig verksamhet – från överfiske till förbränning av fossila bränslen till att belysa våra städer och motorvägar med artificiellt ljus – kan påskynda mutationstakten?
A: Jag tror att det finns ett mutagent inslag i mänsklig verksamhet, men det är svårt att samla bevis. Den har bara förekommit under de senaste 10 000 åren, och jag vet inte om den ändrar mutationshastigheten. Man kan identifiera hur många olika mutationer som inträffat, men inte alltid hur.
Q: Du har talat om mutationsdriven evolution i mer än tre decennier. Varför tror du att majoriteten av evolutionsbiologerna fortfarande befinner sig i lägret för det naturliga urvalet?
A: Jag uttryckte denna enkla åsikt först 1975 i min bok Molecular Population Genetics and Evolution, och 1987 i ett kapitel i en annan bok, men ingen ändrade sina åsikter eller läroböckerna. Vid den tiden hade molekylärbiologin naturligtvis inte utvecklats alltför långt ännu, och den traditionella evolutionsbiologin tog endast hänsyn till morfologin, inte till hur variationen uppstod.
Vissa fåglar har till exempel en variant av hemoglobin som gör att de kan flyga över Himalaya, på mycket hög höjd. Vissa alligatorer har en annan variant av hemoglobin som gör att de kan hålla sig under vatten under mycket lång tid. Detta har varit känt ett tag och alla tyckte, ja, variation finns i populationerna, men det nödvändiga villkoret måste vara just naturligt urval.
Q: 1987 var du tillsammans med Naruya Saitou författare till en artikel där du beskrev grannskapsmetoden, en ny algoritm för att skapa evolutionära träd genom att arbeta bakåt baserat på viktiga genetiska skillnader mellan besläktade arter, med idén att ju mer nyligen en art skiljde sig från en annan art desto mer lik är deras DNA. Metoden har citerats mer än 34 000 gånger genom åren och har blivit en hörnsten i den molekylära evolutionsbiologiska forskningen. Varför tror du att den var så inflytelserik?
A: Det är enkelt. Jag hade utvecklat teorin om genetiska avstånd eftersom jag ville göra ett fylogenetiskt träd, och avstånd kan användas för att göra träd. Men jag var också intresserad av statistik. Så jag kombinerade de två metoderna. För att testa det gjorde vi först datorsimuleringar: Vi genererade en DNA-sekvens för ett evolutionärt träd där vi redan visste var trädet förgrenade sig. Sedan använde vi statistik, grannsamverkansmetoden, för att rekonstruera trädet och testa om det liknade det faktiska fylogenetiska trädet. Det gjorde det, och det var så vi visste att den här metoden gav en ganska bra uppfattning om hur arter utvecklats och divergerat.
I början var andra biologer fanatiker när det gällde att hålla fast vid tidigare metoder för att beräkna släktskap mellan arter. Det var många dumma bråk på 80-talet, men jag insisterade på att det skulle fungera. När vi till exempel använder 100 genetiska sekvenser kan vi göra ett neighbor-joining tree inom några sekunder. Med den vanliga metoden skulle det ta månader. Och efter att ha arbetat i månader var resultatet nästan alltid detsamma som med neighbor-joining-metoden.
Q: Du har vid ett antal tillfällen sagt att du är beredd på en hel del kritik angående din senaste bok, Mutation-Driven Evolution från 2013. Varför?
A: Jag presenterade sådana åsikter i min bok Molecular Evolutionary Genetics från 1987, men folk lyssnade inte. Läroböckerna om evolution har inte förändrats: De säger fortfarande att det naturliga urvalet orsakar evolutionen. Mina åsikter ignorerades helt och hållet. I den boken diskuterade jag många statistiska tekniker, och först i det sista kapitlet diskuterade jag problemet med att det naturliga urvalet inte är bevisat. Det kapitlet övertygade inte många människor, tror jag, eftersom de redan hade en förutfattad mening om att det naturliga urvalet måste vara den drivande kraften eftersom Darwin sa det. Darwin är en gud inom evolutionen, så man kan inte kritisera Darwin. Om man gör det stämplas man som arrogant.
Men varje gång en vetenskaplig teori behandlas som en dogm måste man ifrågasätta den. Dogmen om det naturliga urvalet har funnits länge. De flesta människor har inte ifrågasatt den. I de flesta läroböcker står det fortfarande att det är så. De flesta studenter utbildas med dessa böcker.
Man måste ifrågasätta dogmer. Använd sunt förnuft. Du måste tänka själv, utan förutfattade meningar. Det är det som är viktigt inom vetenskapen.
Denna artikel publicerades ursprungligen i tryck som ”We Are All Mutants.”