Raggi cosmici, neutroni e tasso di mutazione nell'evoluzione

Quando i raggi cosmici colpiscono l'atmosfera superiore, inviano particelle ad alta energia, come i neutroni, che piovono verso la superficie. Quindi una domanda interessante è come questi neutroni influenzano le cose a terra.

I ricercatori sanno da tempo che i neutroni ad alta energia possono rompersi nei nuclei atomici causando ogni tipo di danno alla struttura dei materiali. Questa è una causa di errori nelle memorie del computer.

In effetti, nel 2004, un gruppo di ricercatori dell'IBM ha misurato il flusso di neutroni dalle collisioni di raggi cosmici e ha utilizzato i loro risultati per prevedere il tasso di errore nelle memorie dei computer di altri dispositivi logici elettronici. Le loro previsioni corrispondevano strettamente al tasso di errore osservato, suggerendo che i neutroni sono effettivamente un'importante fonte di problemi nell'informatica.

Questa scoperta ha catturato l'immaginazione di Augusto González presso l'Istituto di Cibernetica, Matematica e Fisica dell'Avana, Cuba. Se la radiazione di neutroni di fondo può causare errori nei circuiti del computer, allora dovrebbe avere un effetto altrettanto distruttivo su un altro sistema di elaborazione delle informazioni molto più comune: la vita.

I biologi evoluzionisti sanno da tempo che le mutazioni spontanee si verificano a un ritmo che ha un'influenza cruciale sulla natura dell'evoluzione. Ma esattamente ciò che provoca la mutazione spontanea non è mai stato adeguatamente compreso.

Ora González afferma che lo stesso approccio utilizzato dai ricercatori IBM per prevedere gli errori nella memoria del computer spiega anche il tasso di mutazioni spontanee negli esseri viventi.

González basa il suo lavoro su un affascinante esperimento condotto da Richard Lenski e dal suo team presso la Michigan State University, in corso dal 1988. Da allora questi ragazzi coltivano il batterio E. coli e monitorano le mutazioni che si verificano tra le generazioni.

Ogni giorno, una piccola quantità di batteri viene prelevata da una coltura e lasciata crescere in un nuovo piatto di glucosio nel corso del giorno successivo. I batteri si riproducono fino all'esaurimento del glucosio, di solito entro otto ore circa. Una piccola quantità di batteri viene prelevata da questo piatto e lasciata crescere in uno nuovo e così via.

Dal 1988, il team ha osservato come i batteri si sono evoluti nel corso di 60.000 generazioni. E hanno scoperto che il numero di mutazioni puntiformi nei batteri dopo 20.000 generazioni è di circa 300 milioni. Questa è una velocità di circa 1 al secondo.

La domanda che González affronta è se questo tasso di mutazione può essere spiegato dalla radiazione di neutroni di fondo. Lo fa creando un modello matematico dell'ambiente in cui crescono i batteri, che è essenzialmente acqua.

Calcola che il neutrone ad alta energia entrerebbe nell'acqua su un campione batterico circa una volta ogni 125 secondi. Questo neutrone ad alta energia trasferirebbe quindi la sua energia alle molecole d'acqua creando una traccia relativamente breve di ioni. Dice che un singolo neutrone genererebbe circa 300 ioni su una lunghezza del binario di circa 100 nanometri e circa 30 ioni a una distanza di 0,1 mm

I batteri toccati da questa pioggia di ioni potrebbero essere distrutti o subire un danno permanente, specialmente nel loro DNA, che può essere successivamente ereditato dai discendenti, dice.

La domanda allora è quante volte questo accade. E calcola che questo tasso è coerente con la frequenza delle mutazioni deleterie misurate negli esperimenti di Lenski. In questo modo stiamo indicando la probabile origine di una classe di mutazioni spontanee, dice.

Naturalmente, González sta sottolineando una correlazione tra la radiazione di neutroni di fondo e il tasso osservato di mutazioni deleterie in E. coli. Questa è solo una parte di ciò che è richiesto per la conferma scientifica.

Quello che serve dopo è un buon lavoro sperimentale vecchio stile che confermi la correlazione. E González spiega come ciò possa essere fatto in un esperimento semplice, almeno in linea di principio. Ripeti semplicemente gli esperimenti di evoluzione a lungo termine di Lenski ma con due popolazioni di batteri, una delle quali è schermata dalla radiazione di neutroni di fondo. Le colture schermate dovrebbero mostrare tassi molto più bassi di mutazioni deleterie, dice.

È più facile dirlo che farlo. Il lavoro di Lenski ha richiesto decenni, ma non c'è motivo per cui qualcuno con un po' di tempo a disposizione possa voler provare l'idea di González.

Un'altra implicazione di questo lavoro è che la radiazione di neutroni di fondo potrebbe essere un importante fattore scatenante del cancro negli animali superiori, come gli esseri umani. Ciò ha senso, ma richiederà un esame poiché ci sono anche altre fonti di mutazioni spontanee che potrebbero essere responsabili, come l'inalazione di elementi radioattivi come il radon e chissà quali altri processi chimici che possono interrompere il DNA e i suoi meccanismi di riparazione.

Lavoro interessante e un altro piccolo passo sulla strada per comprendere meglio l'origine delle mutazioni nell'evoluzione.

Rif: arxiv.org/abs/1406.6641 : Mutagenesi e radiazione di neutroni di fondo

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