Nya vetenskapliga upptäckter har lett vissa forskare till slutsatsen att det är nödvändigt att göra justeringar och tillägg till den syntetiska evolutionsteorin.
Kevin Lalande turnerade i konferensrummet, som hade samlat flera hundra människor för att diskutera framtiden för evolutionär biologi. En av kollegorna satt ner med honom och frågade hur han trodde att saker och ting gick på det här området.
”Allt verkar gå bra,” svarade Laland. "Det har inte varit några allvarliga tvister än."
Kevin Lalande är en evolutionär biolog vid University of St. Andrews i Skottland. På en kall, grumlig novembereftermiddag, reste han till London för att vara värd för ett möte i Royal Scientific Society om nya trender i evolutionär biologi. Hallen fylldes av biologer, antropologer, läkare, datavetare och självutnämnda ideologer. Royal Society of Science ligger i en ståtlig byggnad med utsikt över St James's Park. Det enda Lalande kunde se från konferenslokalens höghus i dag var byggnadsställningar och fasadnät för renoveringsarbete. Inuti, hoppades Lalande, skulle det också ske en modernisering idag, men av en annan typ.
I mitten av 1900-talet kompletterade biologer Darwins evolutionsteori med nya fynd från genetik och andra vetenskapsområden. Resultatet av detta var den så kallade "syntetiska teorin om evolution", som har satt riktningen för evolutionär biologi i 50 år. Vid den tiden lärde forskare många fakta om hur livet fungerar och kan nu sekvensera hela genom, se hur gener slår på och stänger av att utveckla embryon och hur djur och växter svarar på förändringar i miljön.
Som ett resultat kom Lalande och en grupp biologer som delar samma åsikt med honom till slutsatsen att den syntetiska evolutionsteorin måste revideras. Det blev nödvändigt att ge det en ny form av evolutionsvision, som de kallade begreppet "utökad syntes". Andra biologer har uttryckt sin oenighet och hävdat att det inte finns tillräcklig grund för ett sådant paradigmskifte.
Detta möte vid Royal Society of Science var den första offentliga konferensen där Lalande och hans kollegor hade möjlighet att presentera sina synpunkter på frågan. Men Lalande var inte på humör för att bara predika sina åsikter för likasinnade människor, så framstående evolutionsbiologer som var skeptiska till principerna för utökad syntes var också inbjudna till konferensen.
Båda sidor uttryckte sina synpunkter och kritik på ett civiliserat sätt, men ibland var det spänning i publiken, uttryckt av klirrande, rullande ögon och magert applåder.
Kampanjvideo:
Men det kom aldrig till slagsmål. Åtminstone för stunden.
Evolution som vanligt
För alla vetenskaper kommer det en tid av transformation och en tid då saker och ting fortsätter som vanligt. Efter att Galileo och Newton drog fysiken ur gamla missuppfattningar på 1600-talet började det gå framåt från en ödmjuk prestation till nästa fram till 1900-talet. Därefter lägger Einstein och andra forskare grunden för kvantefysik, presenterade relativitetsteorin och andra nya sätt att känna till universum. Ingen av dem hävdade att Newton hade fel. Men det visar sig att universum faktiskt inte bara är materie i rörelse.
Evolutionär biologi har haft sina egna revolutioner. Den första började säkert 1859 med Charles Darwins artens ursprung. Darwin kombinerade information från områdena paleontologi, embryologi och andra vetenskaper för att visa det gemensamma ursprunget för alla levande organismer. Han introducerade också begreppet naturligt urval, en mekanism för att hantera dessa långsiktiga förändringar. Varje generation av arterna visade stor variation. Ibland hjälpte det organismer att överleva och reproducera, och, tack vare ärftlighet, överfördes till de kommande generationerna.
Darwin inspirerade biologer runt om i världen att studera djur och växter från ett nytt perspektiv och tolkade deras biologi som anpassningar från tidigare generationer. Och han lyckades med detta trots att han inte hade någon aning om gener. Det var inte förrän på 1930-talet som genetiker och biologer slöt sig samman och omformulerade evolutionsteorin. Ärftlighet har kommit att ses som överföring av gener från generation till generation. Förändringarna berodde på mutationer som kunde blandas för att skapa nya kombinationer. Nya arter dök upp när mutationer bildades i populationer som möjliggjorde korsning mellan olika arter omöjligt.
1942 beskrev den brittiska biologen Julian Huxley detta nya koncept i sin bok Evolution: Modern Synthesis. Forskare använder fortfarande det här namnet. (De hänvisar ibland till den som neo-Darwinism, även om termen faktiskt är vilseledande. Begreppet neo-Darwinism myntades på 1800-talet och användes av biologer som främjade Darwins idéer under hans livstid).
Den syntetiska evolutionsteorin har visat sig vara ett kraftfullt verktyg inom naturrelaterade frågor. Forskare har använt den för en mängd olika livshistoriska upptäckter, till exempel varför vissa människor är benägna att genetiska sjukdomar som sigdcellsjukdom, eller varför bekämpningsmedel förr eller senare slutar arbeta med skadedjur. Men strax efter bildandet av begreppet modern syntes började olika biologer att regelbundet klaga över dess överdrivna kategoriitet. Det är emellertid först de senaste åren som Lalande och andra forskare har kunnat förena och samordna ansträngningar för att utveckla principerna för en utökad evolutionär syntes som skulle kunna ersätta honom.
Forskare anser inte den syntetiska evolutionsteorin vara ett felaktigt begrepp - den kan helt enkelt inte reflektera all evolutionens rikedom. Organismer ärver mer än bara gener - de kan ärva andra cellulära molekyler såväl som beteenden de lär sig och deras förfädernas livsmiljöer. Lalande och hans kollegor bestrider också den övergripande rollen som naturligt urval för att förklara hur livet blev som vi känner det idag. Evolutionsförloppet kan påverkas av andra processer, från reglerna enligt vilka arter utvecklas, till de yttre förhållandena för deras bostad.
"Det handlar inte om att skruva fler och fler maskiner till det vi redan har," sa Lalande. "Vi måste titta på orsakssamband från en annan vinkel."
Komplettera Darwin
Tel Aviv University biolog Eva Jablonka försökte i sitt tal att analysera bevisen för att inte bara gener kan bestämma arvsformerna.
Våra celler använder ett antal molekyler för att känna igen vilka gener som producerar proteiner. Till exempel, i en process som kallas metylering, begränsar celler deras DNA för att hålla vissa gener stängda. När celler delar sig kan de använda samma princip och därmed kontrollera nytt DNA. Vissa signaler som tas emot från miljön kan leda till att celler ändrar den så kallade "epigenetiska" kontrollen, vilket gör att organismer kan anpassa sig till nya förhållanden.
Vissa studier visar att under vissa omständigheter kan epigenetiska förändringar hos föräldern överföras till avkomman. Och de kan i sin tur vidarebefordra denna förändrade epigenetiska kod till sina barn. Detta är en typ av arv utanför gener.
Denna princip om arv ses särskilt tydligt i växter. I en studie kunde forskare spåra ett förändrat metyleringsmönster upp till 31 generationer med en växt som heter Arabidopsis. Denna typ av arv kan väsentligt förändra kroppens funktion. I en annan studie fann forskare att ärvda metyleringsmönster kan förändra blomningstiden för Arabidopsis och påverka storleken på dess rötter. Variationen orsakad av dessa mönster var större än den orsakade av vanliga mutationer.
Efter att ha lagt fram bevisen hävdade Yablonka att epigenetiska skillnader skulle kunna avgöra organismernas mognad för förplantning. "Naturligt urval kan ha en inverkan på detta system," sade hon.
Eftersom naturligt urval har en betydande inverkan på utvecklingen, presenterade konferensdeltagarna bevis på hur det kan begränsas eller förskjutas i en annan riktning. Wiens universitet biolog Gerd Müller citerade ett exempel från sin egen forskning om ödlor. Vissa arter ödlor har tappat tårna på bakbenen under evolutionen. Vissa arter hade bara fyra tår, andra bara en, och andra tappade helt ut benen.
Enligt Mueller leder den syntetiska evolutionsteorin forskare att se dessa mekanismer som helt enkelt ett resultat av naturligt urval, vilket gynnar ett alternativ på grund av dess överlevnadsfördelar. Men detta tillvägagångssätt fungerar inte om du undrar vad som är fördelen för en viss art av individer i förlusten av första och sista fingrarna, och inte några andra.
”Svaret på den frågan är att det inte finns någon verklig selektiv fördel,” sa Mueller.
Nyckeln till att förstå varför ödlor tappar vissa tår är främst hur ödla tår utvecklas i deras embryonala tillstånd. Processer visas först på sidorna, och sedan utvecklas fem fingrar från dem, alltid i samma sekvens. Och de förlorar dem under utvecklingen i omvänd ordning. Müller föreslår att sådana begränsningar orsakas av mutationernas oförmåga att reproducera alla möjliga förändringar i ett drag. Vissa fingerkombinationer är alltså inte tillgängliga och naturligt val kan inte välja dem alls.
Utveckling kan begränsa evolutionen, och å andra sidan ger djur och växter en hög plastisitet. Sonia Sultan, en evolutionär ekolog vid Wesleyan University, gav ett nyfiken exempel i sitt tal och pratade om örten från bovete-familjen hon studerade, pepparmynta.
Inom ramen för modern syntes, sade Sultan, kommer anpassningen av bergsbestigaren att tyckas vara ett finjusterat resultat av naturligt urval. Om den växer under svagt ljus kommer naturligt urval att gynna växter med förändrade egenskaper som gör att de kan frodas i miljön, till exempel genom att utveckla bredare blad för fotosyntes. Och de som växer i starkt solljus utvecklar anpassningar för framgångsrik tillväxt under olika förhållanden.
"Detta talar för den synpunkt att vårt möte ägnas åt att motsätta sig," sade Sultan.
Om du odlar genetiskt identiska Knotweed-växter under olika förhållanden, hamnar du med växter som verkar tillhöra olika arter.
Till att börja med justerar pepparmynten bladens storlek efter den mängd solljus som den får. I starkt ljus blir bladen smala och tjocka och i svagt ljus blir de breda och tunna. I torr mark rotar dessa växter ner djupt i marken på jakt efter vatten, och i väl fuktig jord blir rötterna korta, håriga och grunt.
Forskare vid mötet hävdade att sådan plastisitet kan bidra till utvecklingen av sig själv. Det tillåter växter att sprida sig i olika livsmiljöer, till exempel till vilket naturligt urval sedan anpassar sina gener. Bland talarna var Susan Anton, en paleoanthropolog vid New York University, som hävdade att plasticitet kunde spela en viktig roll i hittills underskattad mänsklig evolution. Detta beror på att under den senaste halva seklet har modern syntes betydligt påverkat sin studie.
Paleoanthropologer tenderade att behandla de egenskaper som finns i fossilerna som ett resultat av genetiska skillnader. Detta tillät dem att återskapa människans evolutionära träd och utdöda former nära honom. Anhängare av denna strategi har uppnått betydande resultat, medgav Anton. Vid 1980-talet hade forskare räknat ut att för ungefär två miljoner år sedan var våra tidiga släktingar små och hade små hjärnor. Då blev representanter för en av arvslinjerna längre och utvecklade en stor hjärna. Denna övergång markerade vårt sorters ursprung, Homo.
Men ibland fann paleoanthropologer variationer som var svåra att förstå. De två fossilerna kan tyckas tillhöra samma art på vissa sätt, men mycket annorlunda i andra. Forskare tenderar att ignorera sådana skillnader från miljön. "Vi ville bli av med allt och komma till punkten," sade Anton.
Men "allt detta" är för mycket att ignorera. Forskare har hittat en häpnadsväckande variation av humanoidfossiler som går tillbaka till mellan 1,5 och 2,5 miljoner år sedan. Vissa är höga och andra inte, andra har stora hjärnor och andra har små hjärnor. Alla sina skelett delar Homo-drag, men var och en har en förvirrande kombination av skillnader.
Anton tror att principerna för utökad syntes kan hjälpa forskare att förstå denna förvirrande berättelse. Hon anser i synnerhet att hennes kollegor bör ta plasticitet på allvar som en förklaring till den konstiga mångfalden hos tidiga mänskliga fossiler.
Som stöd för denna idé noterade Anthon att levande människor har sin egen typ av plastisitet. Kvaliteten på maten som en kvinna får under graviditeten kan påverka barnets tillväxt och hälsa, och påverkan kan spåras tillbaka till vuxen ålder. Dessutom kan storleken på kvinnan själv, som delvis beror på sin egen mors diet, påverka hennes barn. Biologer har till exempel funnit att barn till kvinnor med långa ben generellt sett är högre än sina kamrater.
Anthon föreslog att de konstiga förändringarna från det paleontologiska arkivet kunde vara ännu mer dramatiska exempel på plastisitet. Alla dessa fossiler stammar från en tid då Afrikas klimat genomgick extrema fluktuationer. Torka och kraftigt regn kan förändra matresurserna i olika regioner i världen, vilket får tidiga människor att utvecklas i en annan riktning.
Utökad evolutionär syntesteori kan också hjälpa oss att ta itu med ett annat kapitel i vår historia - uppkomsten av jordbruk. I Asien, Afrika och Amerika har människor odlat grödor och boskap. Smithsonian arkeolog Melinda Zeder talade om den problematiska förståelsen för hur denna omvandling kunde ha skett.
Innan folk började odla, var de tvungna att få sin egen mat och jaga spelet. Zeder förklarade hur många forskare som tolkar samlarbeteende i samband med modern evolutionär syntes: som något som är utmärkt reglerat av naturligt urval för att få bättre belöningar för deras ansträngningar att hitta mat.
Det är svårt att föreställa sig hur sådana samlare alls kunde ha gått över till jordbruk. "Du får inte omedelbar nöje av att ta mat och lägga den i munnen," sa Zeder till mig.
Vissa forskare har föreslagit att övergången till jordbruk kan ha skett under en klimatförändring, när det var mycket svårare att hitta vilda växter. Men Zeder och andra har inte hittat några bevis på en kris där jordbruket kunde ha uppstått.
Zeder hävdar att det finns en annan synvinkel i denna fråga. Människor är inte lydiga zombies som försöker överleva i en konstant miljö, utan kreativt tänkande individer som kan förändra själva miljön och styra evolutionen i en ny riktning.
Forskare kallar denna ekologiska nischbyggnad, en process som involverar många arter. Bland de klassiska fallen är bäver värda att notera. De hugger ner träd och bygger en dam och skapar ett damm. Under dessa nya förhållanden kommer vissa arter av växter och djur att vara bättre än andra. Och de kommer att anpassa sig på nya sätt till sin miljö. Detta gäller inte bara de växter och djur som lever runt bäverdammet, utan också för bäverna själva.
Enligt Zeder var hennes första bekantskap med konceptet att bygga en ekologisk nisch en uppenbarelse för henne. "Det var som små explosioner i mitt huvud," sa hon till mig. De arkeologiska fynd som samlats in av henne och andra forskare kommer att hjälpa till att förstå hur människor lyckades ändra miljöförhållandena.
Tidiga samlare verkar ha flyttat vilda växter från sina naturliga livsmiljöer så att de alltid kan hittas till hands. Genom att vattna växter och skydda dem från växtätare hjälpte människor dem att anpassa sig till sin nya miljö. Ogräsarter ändrade också deras livsmiljö och blev oberoende jordbruksgrödor. Vissa djur har också anpassat sig till sin miljö och blivit hundar, katter och andra inhemska arter.
Efterhand, från kaotiskt spridda lappar av mark bebodda av vilda växter, förändrades miljöförhållandena till tätt belägna åkermark. Detta bidrog inte bara till växternas utveckling, utan också till utvecklingen av kulturen bland bönderna. I stället för att vandra runt i världen som nomader bosatte de sig i byar och fick möjlighet att odla landet runt. Samhället har blivit mer stabilt när barn får ekologisk arv från sina föräldrar. Så här började civilisationen.
Att bygga en ekologisk nisch är bara ett av många avancerade evolutionära syntesbegrepp som kan hjälpa oss att förstå domesticeringsprocessen, sade Zeder. Under sitt tal presenterade hon en mängd olika förutsägelser, glidande för bild, allt från rörelserna från tidiga samlare till takten i växtutvecklingen.
"Det kändes som en reklam för principerna för utvidgad evolutionär syntes", berättade Zeder mig senare och skrattade. - Men det är inte allt! Du kan få en uppsättning köksknivar!"
Återlämnandet av det naturliga urvalet
Bland dem i rummet var en biolog vid namn David Schacker, en forskare vid University of St. Andrews. Han lyssnade lugnt på diskussionerna i en och en halv dag och beslutade nu att ta ordet själv och räckte upp handen.
Talaren framför honom var Denis Noble, en fysiolog med en chock av grått hår och en blå jacka. Noble, som tillbringade större delen av sin karriär i Oxford, sa att han började som en traditionell biolog, som trodde att gener var den ultimata orsaken till allt i kroppen. Men under de senaste åren ändrade han sig och började prata om genomet inte som en bas för livet, utan som ett känsligt organ som upptäcker stress och kan återuppbyggas för att övervinna problem. "Det tog mig lång tid att komma till denna slutsats," sade Noble.
För att illustrera denna nya vy talade Noble om en rad olika experiment. En av dem publicerades förra året av ett team vid University of Reading och var studien av bakterier som rör sig genom miljön med långa, roterande svansar.
Först och främst isolerade forskare en gen från DNA från bakterier som ansvarar för att odla en svans. Därefter placerade de de resulterande svårfria individerna i en petriskål med ett magert utbud av mat, som de snart konsumerade. Utan förmågan att röra sig dog de. På mindre än fyra dagar under dessa svåra förhållanden började bakterierna simma igen. Vid nära inspektion upptäcktes att de hade odlat nya svansar.
"Strategin är att skapa snabba evolutionära förändringar i genomet som svar på negativa yttre påverkan," förklarade Noble för publiken. "Det är ett självhushållande system som gör att vissa egenskaper kan manifestera oberoende av DNA."
Shaker tyckte det inte övertygande, och efter att applåderna avtog, beslutade han att inleda en diskussion med Noble.
"Kan du kommentera mekanismen bakom denna upptäckt?" - frågade Shaker.
Noble började stamna. "Mekanismen i allmänna termer, jag kan, ja …" sa han och började sedan prata om nätverk och regler och den feberiga sökningen efter en väg ut ur krisen. "Du måste referera till den ursprungliga texten i rapporten," sade han sedan.
När Noble kämpade för att svara, tittade Shaker på föreläsningen öppen på sin urklipp. Och han började läsa upp ett av styckena högt.
"Våra fynd visar att naturligt urval snabbt kan ändra regleringsnätverk," läste Shaker och satte ner sin iPad.”Detta är ett underbart, bara underbart exempel på snabb ny-darwinisk utveckling,” sade han.
Shaker fick själva känslan av ett stort antal skeptiker med vilka jag kunde prata på konferensen. De ambitiösa retoriken om paradigmskiftet var främst ogrundade, sade de. Men dessa skeptiker stannade inte kvar i skuggan. Några av dem beslutade att ta ordet personligen.
"Jag tror att jag förväntas prata om Jurassic evolution," sade Douglas Futuima och tog pallen. Futuima är en flytande biolog vid Stony Brook University i New York och författare till en viktig lärobok om evolution. Under mötet överflödades han av klagomål om att läroböcker uppmärksammade lite sådant som epigenetik och plasticitet. Faktum är att Futuima bara blev inbjuden att förklara för kollegor varför dessa begrepp ignorerades.
"Vi måste erkänna att de grundläggande principerna för den syntetiska evolutionsteorin är starka och giltiga," säger Futuima. Inte bara det, tillade han, utan de biologiska variationerna som diskuterades vid Royal Society är egentligen inte så nya. Skaparna av den syntetiska evolutionsteorin nämnde dem för mer än 50 år sedan. För att förstå dem har många studier baserade på modern evolutionär syntes genomförts.
Ta plasticitet. Genetisk variation i djur eller växter reglerar utbudet av former som en organisme kan utvecklas till. Mutationer kan ändra detta intervall. Och de matematiska modellerna för naturligt urval visar hur det kan främja vissa typer av plasticitet på bekostnad av andra.
Om teorin för utvidgad evolutionär syntes inte behövs av någon, hur är det då att ett helt möte i Royal Society of Science ägnades åt den? Futuima föreslog att detta intresse var emotionellt snarare än vetenskapligt. Dess principer gjorde livet till en drivande kraft, inte ett vilande mutationsvapen.
"Jag tror att vetenskapen inte kan baseras på det vi känslomässigt eller estetiskt är mer attraktivt", säger Futuima.
Ändå gick han mycket för att visa att den forskning som diskuterades i sessionen kunde leda till några intressanta slutsatser om evolution. Men dessa slutsatser kan uppstå endast till följd av hårt arbete, vilket innebär uppkomsten av tillförlitliga uppgifter. "Tillräckligt med uppsatser och rapporter har skrivits om detta ämne," sade han.
Några av publikens medlemmar började bickla med Futuima. Andra skeptiska talare blev lurade av argument som de tyckte var meningslösa. Men mötet avslutades fortfarande den tredje dagen utan slagsmål.
”Det här är förmodligen det första av många, många möten,” sa Lalande till mig. I september fick ett konsortium av forskare i Europa och USA finansiering på 11 miljoner dollar (varav 8 miljoner dollar från John Templeton Foundation) för att genomföra 22 studier om principerna för avancerad evolutionär syntes.
Många av dessa studier kommer att testa de förutsägelser som har framkommit från den syntetiska evolutionsteorin under de senaste åren. De kommer till exempel att ta reda på om arter som bygger sina egna livsmiljöer - spindelnät, kornbor och så vidare - kan växa till fler arter än de som inte gör det. De kommer också att överväga om hög plasticitet möjliggör snabbare anpassning till nya förhållanden.
"Att göra denna forskning är vad våra kritiker begär," sade Lalande. "Gå och hitta bevis."
