1953年夏天,木村取得富布赖奖学金去美国留学,他先到艾奥瓦州立学院(也就是后来发展为艾奥瓦大学),之后在克罗(James F. Crow)的支持下转到威斯康星大学学习群体遗传学。此时,刚从芝加哥大学退休的休沃·怀特(英语:Sewall Wright)也来到威斯康星大学工作。木村很受赖特欣赏,并被邀请每周讨论群体遗传学的问题。在赖特的指导下,木村在群体遗传学上进步很快。1956年6月,木村在威斯康星大学取得博士学位,旋即回到国立遗传学研究所继续他的群体遗传学研究。1954-1956年期间是木村学术生涯的的第一个黄金时期,他在赖特的指导和与克罗的合作中做了许多卓有成效的工作,并完善了扩散理论在群体遗传学中的应用,为他以后的中性演化理论奠基了扎实的数学基础。
二战后,日本国内的生活还是比较艰苦,木村也是如此,但他还是坚持留在日本,继续他的群体遗传学的研究。1967年,木村接收了刚从北卡罗来纳州立大学生物统计系毕业的太田朋子。太田朋子为木村做了许多很好的计算工作,最经典的就是演化过程中氨基酸的替换速率的估算。通过对生物数据的详细分析,木村在1968年提出了分子水平的中性演化假说:在分子水平上大部分突变并没有被自然选择淘汰,自然选择对它们呈中性,群体中的中性等位基因的固定(fixation)是通过突变的随机漂变的平衡来实现的,他们的存活下来的概率是随机的(“运气”问题),而不是受到选择作用而留下来。中性假说完善了赖特的遗传漂变理论,并给木村早年和克罗提出有限位点模型(infinite site model)找到了实际的生物学依据。在木村提出中性演化假说之后,一大批木村的追随者和木村一道不断努力完善中性演化理论,并使其成为新兴分子数据分析的利器。1962年-1972年是木村学术生涯的第二个高潮。1970年,他与克罗合写的《理论群体遗传学引论》引导了许多人投身于群体遗传学。
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Kimura, Motoo(1983).The Neutral Theory of Molecular Evolution. Cambridge University Press. ISBN 0-521-23109-4.
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Motoo Kimura, Population Genetics, Molecular Evolution, and the Neutral Theory(Selected Papers)Edited and with Introductory Essays by Naoyuki Takahata,The University of Chicago Press.