Darwins svarta låda
Uttrycket ”arrival of the fittest” användes redan 1905 i en skrift av Hugo de Vries, som var en av de forskare som återupptäckte de ärftlighetslagar som Gregor Mendel beskrev 1865.
En viktig utgångspunkt för Wagners bok är att Darwins teori om naturlig selektion kan förklara hur evolution går till genom att ta vara på ärftliga varianter som påverkar individens egenskaper, men att den inte förklarar hur den ärftliga variationen uppkommer (arrival of the fittest). Darwin kände inte till genetikens lagar, men han var väl medveten att det förekommer ärftlig variation som påverkar individens egenskaper (fenotyp) och att man kan förändra en population genom att bedriva ett aktivt urval.
Darwin beskriver sin bok som en enda lång argumentation för sin teori, och ett viktigt argument var att man inom växtförädling och husdjursavel kunde förändra individernas egenskaper inom en sort/ras genom att noggrant välja ut de bästa föräldrarna till nästa generation. Darwin själv bedrev avel med duvor för att visa att detta är möjligt. Erfarenheten från växt- och djurförädlingen var så viktig för Darwin att det första kapitlet i Om arternas uppkomst handlar om detta, och Darwin driver tesen att det inte finns något skäl som talar emot att dessa principer, som har fungerat så väl när det gäller husdjur och grödor, skulle fungera på samma sätt i naturen.
Genetiken var en svart låda för Darwin, han visste att det förekommer ärftlig variation och att den kunde påverkas genom selektion, men han kände inte till Mendels lagar. Andreas Wagner låter läsaren kika in i denna svarta låda och därigenom bli uppdaterad om vad vi har lärt oss sedan Darwins tid.
Ett viktigt argument i Om arternas uppkomst är att jorden är tillräckligt gammal för att det är möjligt att en så komplex organism som människan ska ha kunnat utvecklas från mindre komplexa livsformer under jordens historia. Wagner tar upp denna fråga på nytt mot bakgrund av vad vi nu har lärt oss inom molekylärbiologin. En röd tråd är att det inom biologin finns ett oändligt antal möjligheter att skapa olika proteiner eller, till exempel, olika genuppsättningar. Det finns helt enkelt många fler tänkbara kombinationer än vad som någonsin har kunnat testas under evolutionens gång.
Wagner tar som ett exempel hur många olika proteinsekvenser man kan bilda om proteinet består av 100 aminosyror. Eftersom det finns 20 olika aminosyror, blir svaret 20100, vilket motsvarar 10130, ett tal som är betydligt större än det uppskattade antalet väteatomer i hela universum (1090). Så den fråga Wagner ställer i inledningen är hur det har varit möjligt att utveckla alla de olika livsformer som finns idag under de cirka tre miljarder år som har förflutit sedan liv uppstod på jorden.
Innan Wagner presenterar sitt förslag till lösning på detta problem, får läsaren en god översikt över många av de fantastiska upptäckter som har gjorts inom biologin under de senaste 100 åren. Andreas Wagner forskar själv inom gränsområdet biologi, datavetenskap och matematik (på engelska computational biology), och kryddar texten med exempel från sin egen forskning.
Boken börjar med att beskriva genetikens utveckling från Mendel till den genetikens guldålder vi nu befinner oss i. Man kan säga att den moderna genetiken är vår tids mikroskop som har gjort det möjligt att kika in i arvsmassan och studera i detalj hur den fungerar. En viktig utveckling inom genetiken skedde under 1920- och 30-talen, då Ronald Fisher, Sewall Wright och J B S Haldane utvecklade den så kallade moderna syntesen, som förenade Mendels lagar om ärftlighet med Darwins evolutionsteori.
Mendel hade studerat kvalitativa egenskaper där individer inom en art kan delas upp i diskreta klasser, till exempel ärtor med släta eller skrynkliga frön. Men de allra flesta biologiska egenskaper, till exempel längd och vikt, uppvisar en kontinuerlig variation och inga diskreta klasser. Den moderna syntesen kunde förklara att denna variation beror på många olika genvarianter som alla nedärvs enligt Mendels lagar, även om de var för sig har en knappt märkbar effekt på individens egenskaper. Utvecklingen av denna kvantitativa genetik har haft en enorm betydelse inom växtförädling och husdjursavel och är en viktig förklaring till att vi har kunnat öka livsmedelsproduktionen så mycket de senaste 80 åren.
Den kvantitativa genetiken får allt större betydelse även inom humanmedicinen som ett redskap för att förstå arvets bidrag till våra stora folksjukdomar som diabetes och hjärt- och kärlsjukdomar, som alla påverkas av både arv och miljö. Det är ingen tvekan om att Fisher, Wright och Haldane skulle ha delat ett Nobelpris om man hade insett hur viktigt deras bidrag skulle bli inom livsvetenskaperna.
Wagner fortsätter med att beskriva hur liv först kan ha uppstått på jorden i den ”ursoppa” som var så rik på näringsämnen. Han beskriver hur alltmer komplexa former har kunnat utvecklas genom att allt fler olika kemiska reaktioner kan katalyseras av de proteiner som utvecklats. Idag känner vi till cirka 5 000 kemiska reaktioner som kan utföras av olika organismer, men ingen art kan utföra samtliga dessa reaktioner. Varje art har den genuppsättning som krävs för dess specifika ekologiska anpassning. Wagner ägnar ett kapitel åt att beskriva hur viktig genreglering är för alla livsformer, men i synnerhet för komplexa livsformer som ett däggdjur där så kallade transkriptionsfaktorer spelar en central roll för att styra utvecklingen från en befruktad äggcell till en fullt utvecklad individ med alla olika typer av vävnader och celler. Det som skiljer oss människor från vår närmaste släkting schimpansen är inte i första hand vår genuppsättning, utan regleringen av de gener som styr vår utveckling.
I bokens sista kapitel jämförs biologisk evolution med teknologisk evolution, och det betonas att en viktig princip inom bägge dessa områden är ”trial and error”. Inom biologin uppstår nya mutationer hos varje nyfödd individ, och dessa kan delas in i tre olika kategorier: (1) de som har ingen eller försumbar effekt på individens egenskaper, dessa påverkas inte av naturlig selektion, (2) de som har en skadlig effekt och därför elimineras av naturlig selektion och (3) de sällsynta mutationer som har en positiv effekt på individens överlevnadsvärde (”arrival of the fittest”) och som kommer att öka i frekvens i population tack vare naturlig selektion enligt Darwins principer.
Populärt
Amnesty har blivit en aktivistklubb
Den tidigare så ansedda människorättsorganisationen har övergett sina ideal och ideologiserats, skriver Bengt G Nilsson.
På samma sätt testar vi olika tekniska lösningar innan vi hittar en tillräckligt bra lösning för en ny teknologisk innovation. Wagner citerar Thomas Edison, som ska ha sagt: ”Jag har inte misslyckats. Jag har precis upptäckt 10 000 sätt som inte fungerar.” Ett annat gemensamt tema är att en viss biologisk egenskap eller en viss teknik kan återanvändas för att skapa en innovation. Inom teknisk utveckling kan nämnas att Gutenberg byggde om en vinpress när han utvecklade den första tryckpressen. På liknande sätt finner evolutionen lösningar på nya utmaningar, och en viss gen kan under evolutionens gång få en helt ny funktion. Inom viss teknologisk utveckling försöker man använda principerna från biologisk evolution, och Wagner nämner ett exempel med självprogrammerande robotar som kan testa ny kod.
Hur var det då med frågan om hur det har varit möjligt att utveckla så komplexa livsformer under tre miljarder år trots det oändligt stora antalet möjligheter för att, till exempel, skapa olika former av proteiner enligt ovan eller kombinera olika genuppsättningar till en konkurrenskraftig organism? Wagner och hans medarbetare har kommit fram till att det finns många alternativa problemlösningar som är tillräckligt bra.
Om vi fortsätter med exemplet på de 10130 olika formerna av ett protein som består av 100 aminosyror, kommer det att finnas ett betydligt lägre antal varianter med olika biokemiska egenskaper, det vill säga: många olika varianter har mycket likartade egenskaper. Wagner lanserar sin teori om nätverk av genotyper, som han anser är nödvändigt för att förstå hur evolutionen går till på molekylär nivå. Ett nätverk av genotyper är den genuppsättning en art har och som bestämmer vilka biokemiska reaktioner som kan utföras. Hypotesen är att det går relativt snabbt (ur det långsamma evolutionära perspektivet) att utveckla evolutionära innovationer baserat på nya mutationer som leder till en ny och väl fungerande genuppsättning. Detta är möjligt tack vare redundansen i dessa nätverk av genotyper, som innebär att gener har flexibilitet att ändras utan att organismen som helhet slutar fungera.
Denna bok handlar i första hand om molekylär evolution och i mycket liten utsträckning om den fenotypiska evolution som Darwin beskriver – hur egenskaper förändras för artens anpassning till sin miljö. Den som läser boken med förhoppning om att få läsa om hur det gick till när till exempel Darwinfinkarnas näbbar utvecklades för att kunna utnyttja olika födoresurser kommer att bli besviken. Om Darwin fann skönhet i den biodiversitet vi kan se med blotta ögat (”endless forms most beautiful”), finner Wagner skönhet i biologins komplexitet på molekylär nivå. Wagner tar ett helhetsgrepp för att försöka förklara hur komplexa livsformer som är beroende av tusentals olika kemiska reaktioner har kunnat utvecklas genom naturlig selektion. Boken är välskriven, intellektuellt stimulerande och erbjuder även en rejäl dos vetenskapshistoria.