Kosmiska strålar, neutroner och mutationshastigheten i evolutionen

När kosmiska strålar träffar den övre atmosfären skickar de högenergipartiklar, som neutroner, duscha ner mot ytan. Så en intressant fråga är hur dessa neutroner påverkar saker på marken.

Forskare har länge vetat att neutroner med hög energi kan krossa in i atomkärnor och orsaka alla typer av skador på materialstrukturen. Detta är en orsak till fel i datorminnen.

I själva verket, redan 2004, en grupp forskare från IBM mätte flödet av neutroner från kosmiska strålar kollisioner och använde sina resultat för att förutsäga felfrekvensen i datorminnen en annan elektronisk logik enheter. Deras förutsägelser överensstämde nära med den observerade felfrekvensen, vilket tyder på att neutroner verkligen är en viktig källa till problem vid datoranvändning.

Det fyndet har fångat Augusto González fantasi vid Institutet för cybernetik, matematik och fysik i Havanna, Kuba. Om bakgrundsneutronstrålning kan orsaka fel i datorkretsar, borde det ha en liknande destruktiv effekt på ett annat mycket vanligare informationsbehandlingssystem – livet.

Evolutionsbiologer har länge känt till att spontana mutationer sker i en takt som har en avgörande inverkan på evolutionens natur. Men exakt vad som orsakar spontan mutation har aldrig riktigt förståtts.

Nu säger González att samma tillvägagångssätt som IBM-forskarna använde för att förutsäga fel i datorminne också förklarar graden av spontana mutationer i levande varelser.

González baserar sitt arbete på ett fascinerande experiment utfört av Richard Lenski och hans team vid Michigan State University som har pågått sedan 1988. Dessa killar har odlat bakterierna, E. coli, sedan dess och övervakat de mutationer som sker mellan generationerna.

Varje dag tas en liten mängd bakterier från en kultur och får växa i en ny skål med glukos under loppet av följande dag. Bakterierna förökar sig tills glukosen tar slut, vanligtvis inom åtta timmar eller så. En liten mängd bakterier tas från denna maträtt och får växa i en ny och så vidare.

Sedan 1988 har teamet observerat hur bakterierna har utvecklats över 60 000 generationer. Och de har upptäckt att antalet punktmutationer i bakterierna efter 20 000 generationer är cirka 300 miljoner. Det är en hastighet på cirka 1 per sekund.

Frågan som González tar upp är om denna mutationshastighet kan förklaras av neutronstrålningen i bakgrunden. Han gör detta genom att skapa en matematisk modell av miljön där bakterier växer, som i huvudsak är vatten.

Han beräknar att högenergineutroner skulle komma in i vattnet på ett bakterieprov ungefär en gång var 125:e sekund. Denna högenergineutron skulle sedan överföra sin energi till vattenmolekyler och skapa ett relativt kort spår av joner. Han säger att en enda neutron skulle generera cirka 300 joner över en spårlängd på cirka 100 nanometer och cirka 30 joner på ett avstånd av 0,1 mm

Bakterierna som berörs av den här jonduschen kan förstöras eller uppleva en permanent skada, särskilt i deras DNA, som senare kan ärvas av ättlingarna, säger han.

Frågan är då hur ofta detta händer. Och han beräknar att denna hastighet överensstämmer med frekvensen av skadliga mutationer som mäts i Lenskis experiment. På så sätt indikerar vi det troliga ursprunget till en klass av spontana mutationer, säger han.

Naturligtvis påpekar González en korrelation mellan bakgrundsneutronstrålning och den observerade frekvensen av skadliga mutationer i E. coli. Det är bara en del av vad som krävs för vetenskaplig bekräftelse.

Vad som behövs härnäst är lite gammaldags experimentellt arbete som bekräftar sambandet. Och González förklarar hur detta kan göras i ett experiment som är enkelt, åtminstone i princip. Upprepa helt enkelt Lenskis långsiktiga evolutionsexperiment men med två populationer av bakterier, varav en är skyddad från neutronstrålning i bakgrunden. De skyddade kulturerna bör uppvisa mycket lägre frekvenser för skadliga mutationer, säger han.

Det är lättare sagt än gjort. Lenskis arbete har tagit decennier men det finns ingen anledning till varför någon med lite tid på sina händer skulle vilja prova González idé.

En annan implikation från detta arbete är att bakgrundsneutronstrålning kan vara en viktig utlösare för cancer hos högre djur, såsom människor. Det är vettigt men kommer att behöva undersökas lite eftersom det finns andra källor till spontana mutationer som också kan vara ansvariga, såsom inandning av radioaktiva ämnen som radon och vem-vet-vilka andra kemiska processer som kan störa DNA och dess reparationsmekanismer.

Intressant arbete och ytterligare ett litet steg på vägen till att bättre förstå ursprunget till mutationer i evolutionen.

Ref: arxiv.org/abs/1406.6641 : Mutagenes och bakgrundsneutronstrålning

Dölj