211service.com
Kosmische stralen, neutronen en de mutatiesnelheid in evolutie
Wanneer kosmische straling de bovenste atmosfeer raakt, sturen ze hoogenergetische deeltjes, zoals neutronen, naar het oppervlak. Een interessante vraag is dus hoe deze neutronen de dingen op de grond beïnvloeden.
Onderzoekers weten al lang dat hoogenergetische neutronen atoomkernen kunnen inslaan en allerlei soorten schade aan de structuur van materialen kunnen veroorzaken. Dit is een oorzaak van fouten in computergeheugens.
Inderdaad, in 2004 heeft een groep onderzoekers van IBM de flux van neutronen gemeten van botsingen met kosmische straling en hun resultaten gebruikt om het foutenpercentage in computergeheugens van andere elektronische logische apparaten te voorspellen. Hun voorspellingen kwamen nauw overeen met het waargenomen foutenpercentage, wat suggereert dat neutronen inderdaad een belangrijke bron van problemen bij de computer zijn.
Die bevinding sprak tot de verbeelding van Augusto González van het Instituut voor Cybernetica, Wiskunde en Natuurkunde in Havana, Cuba. Als achtergrondstraling van neutronen fouten kan veroorzaken in computercircuits, dan zou het een vergelijkbaar destructief effect moeten hebben op een ander, veel gebruikelijker informatieverwerkingssysteem: het leven.
Evolutionaire biologen weten al lang dat spontane mutaties plaatsvinden met een snelheid die een cruciale invloed heeft op de aard van evolutie. Maar wat de oorzaak is van spontane mutatie is nooit goed begrepen.
Nu zegt González dat dezelfde benadering die de IBM-onderzoekers gebruikten om fouten in het computergeheugen te voorspellen, ook de snelheid van spontane mutaties in levende wezens verklaart.
González baseert zijn werk op een fascinerend experiment dat sinds 1988 is uitgevoerd door Richard Lenski en zijn team aan de Michigan State University. Deze jongens kweken sindsdien de bacterie E. coli en volgen de mutaties die tussen generaties optreden.
Elke dag wordt een kleine hoeveelheid bacteriën uit de ene cultuur gehaald en de volgende dag in een nieuwe schaal met glucose laten groeien. De bacteriën planten zich voort totdat de glucose op is, meestal binnen een uur of acht. Er wordt een kleine hoeveelheid bacteriën uit dit gerecht gehaald en in een nieuwe laten groeien, enzovoort.
Sinds 1988 heeft het team waargenomen hoe de bacteriën zich gedurende 60.000 generaties hebben ontwikkeld. En ze hebben ontdekt dat het aantal puntmutaties in de bacteriën na 20.000 generaties ongeveer 300 miljoen is. Dat is een snelheid van ongeveer 1 per seconde.
De vraag die González beantwoordt, is of deze mutatiesnelheid kan worden verklaard door de neutronenstraling op de achtergrond. Hij doet dit door een wiskundig model te maken van de omgeving waarin bacteriën groeien, in wezen water.
Hij berekent dat hoogenergetische neutronen ongeveer eens per 125 seconden op een bacterieel monster in het water zouden komen. Dit hoogenergetische neutron zou dan zijn energie overdragen aan watermoleculen, waardoor een relatief kort spoor van ionen ontstaat. Hij zegt dat een enkel neutron zo'n 300 ionen zou genereren over een spoorlengte van ongeveer 100 nanometer en ongeveer 30 ionen op een afstand van 0,1 mm
De bacteriën die door deze ionenregen worden geraakt, kunnen worden vernietigd of blijvende schade oplopen, vooral in hun DNA, dat later door de nakomelingen kan worden geërfd, zegt hij.
De vraag is dan hoe vaak dit voorkomt. En hij berekent dat dit percentage consistent is met de frequentie van schadelijke mutaties gemeten in Lenski's experimenten. Op deze manier geven we de vermoedelijke oorsprong van een klasse van spontane mutaties aan, zegt hij.
Natuurlijk wijst González op een correlatie tussen neutronenstraling op de achtergrond en de waargenomen snelheid van schadelijke mutaties in E. coli. Dat is slechts een deel van wat nodig is voor wetenschappelijke bevestiging.
Wat vervolgens nodig is, is goed ouderwets experimenteel werk dat de correlatie bevestigt. En González legt uit hoe dit kan in een experiment dat in principe eenvoudig is. Herhaal eenvoudig Lenski's langetermijnevolutie-experimenten, maar met twee populaties bacteriën, waarvan er één is afgeschermd van neutronenstraling op de achtergrond. De afgeschermde culturen zouden veel lagere percentages voor schadelijke mutaties moeten vertonen, zegt hij.
Dat is makkelijker gezegd dan gedaan. Het werk van Lenski heeft tientallen jaren geduurd, maar er is geen reden waarom iemand met een beetje tijd over zou willen om het idee van González uit te proberen.
Een andere implicatie van dit werk is dat achtergrondstraling van neutronen een belangrijke trigger kan zijn voor kanker bij hogere dieren, zoals mensen. Dat is logisch, maar er zal wat onderzoek naar moeten worden gedaan, aangezien er andere bronnen van spontane mutaties zijn die ook verantwoordelijk kunnen zijn, zoals het inademen van radioactieve elementen zoals radon en wie weet wat andere chemische processen die DNA en zijn reparatiemechanismen kunnen verstoren.
Interessant werk en weer een kleine stap op weg naar een beter begrip van de oorsprong van mutaties in de evolutie.
Referentie: arxiv.org/abs/1406.6641 : Mutagenese en achtergrondneutronenstraling