Kosmiske stråler, neutroner og mutationsraten i evolutionen

Når kosmiske stråler rammer den øvre atmosfære, sender de højenergipartikler, såsom neutroner, brusende ned mod overfladen. Så et interessant spørgsmål er, hvordan disse neutroner påvirker tingene på jorden.

Forskere har længe vidst, at højenergi-neutroner kan smadre ind i atomkerner og forårsage alle former for skader på materialers struktur. Dette er en årsag til fejl i computerhukommelser.

Faktisk, tilbage i 2004, målte en gruppe forskere fra IBM strømmen af ​​neutroner fra kollisioner med kosmiske stråler og brugte deres resultater til at forudsige fejlraten i computerhukommelser, en anden elektronisk logisk enhed. Deres forudsigelser matchede nøje den observerede fejlrate, hvilket tyder på, at neutroner faktisk er en vigtig kilde til problemer med computere.

Det fund har fanget Augusto González' fantasi ved Institut for Kybernetik, Matematik og Fysik i Havana, Cuba. Hvis baggrundsneutronstråling kan forårsage fejl i computerkredsløb, så burde det have en tilsvarende destruktiv effekt på et andet meget mere almindeligt informationsbehandlingssystem – liv.

Evolutionsbiologer har længe vidst, at spontane mutationer forekommer med en hastighed, der har en afgørende indflydelse på evolutionens natur. Men præcis, hvad der forårsager spontan mutation, er aldrig blevet korrekt forstået.

Nu siger González, at den samme tilgang, som IBM-forskerne brugte til at forudsige fejl i computerhukommelsen, også forklarer frekvensen af ​​spontane mutationer i levende ting.

González baserer sit arbejde på et fascinerende eksperiment udført af Richard Lenski og hans team ved Michigan State University, som har været i gang siden 1988. Disse fyre har dyrket bakterierne, E. coli, siden da og overvåget de mutationer, der opstår mellem generationer.

Hver dag tages en lille mængde bakterier fra en kultur og får lov til at vokse i en ny skål med glukose i løbet af den følgende dag. Bakterierne formerer sig, indtil glukosen løber tør, normalt inden for otte timer eller deromkring. En lille mængde bakterier tages fra denne ret og får lov til at vokse i en ny og så videre.

Siden 1988 har holdet observeret, hvordan bakterierne har udviklet sig over 60.000 generationer. Og de har opdaget, at antallet af punktmutationer i bakterierne efter 20.000 generationer er omkring 300 millioner. Det er en hastighed på omkring 1 i sekundet.

Spørgsmålet, som González adresserer, er, om denne mutationshastighed kan forklares med neutronstrålingen i baggrunden. Det gør han ved at skabe en matematisk model af det miljø, hvori bakterier vokser, som i det væsentlige er vand.

Han beregner, at højenergi-neutron ville komme ind i vandet på en bakterieprøve cirka en gang hvert 125. sekund. Denne højenergi-neutron ville derefter overføre sin energi til vandmolekyler og skabe et relativt kort spor af ioner. Han siger, at en enkelt neutron ville generere omkring 300 ioner over en sporlængde på omkring 100 nanometer og omkring 30 ioner i en afstand på 0,1 mm

De bakterier, der berøres af denne ionbruser, kan blive ødelagt eller opleve en permanent skade, især i deres DNA, som senere kan nedarves af efterkommerne, siger han.

Spørgsmålet er så, hvor ofte det sker. Og han beregner, at denne hastighed er i overensstemmelse med hyppigheden af ​​skadelige mutationer målt i Lenskis eksperimenter. På denne måde angiver vi den sandsynlige oprindelse af en klasse af spontane mutationer, siger han.

Selvfølgelig påpeger González en sammenhæng mellem baggrundsneutronstråling og den observerede hastighed af skadelige mutationer i E. coli. Det er kun en del af det, der kræves for videnskabelig bekræftelse.

Det næste, der er brug for, er noget godt gammeldags eksperimentelt arbejde, der bekræfter sammenhængen. Og González forklarer, hvordan det kan gøres i et eksperiment, der er simpelt, i hvert fald i princippet. Gentag blot Lenskis langsigtede evolutionsforsøg, men med to populationer af bakterier, hvoraf den ene er afskærmet fra baggrundsneutronstråling. De afskærmede kulturer bør udvise meget lavere rater for skadelige mutationer, siger han.

Det er lettere sagt end gjort. Lenskis arbejde har taget årtier, men der er ingen grund til, at nogen med lidt tid på hænderne vil prøve González' idé.

En anden implikation fra dette arbejde er, at baggrundsneutronstråling kan være en vigtig udløser for kræft hos højere dyr, såsom mennesker. Det giver mening, men det vil kræve nogle undersøgelser, da der er andre kilder til spontane mutationer, der også kan være ansvarlige, såsom indånding af radioaktive elementer som radon og hvem-ved-hvad andre kemiske processer, der kan forstyrre DNA og dets reparationsmekanismer.

Interessant arbejde og endnu et lille skridt på vejen til bedre at forstå oprindelsen af ​​mutationer i evolutionen.

Ref: arxiv.org/abs/1406.6641 : Mutagenese og baggrundsneutronstråling

skjule