Kosmiskie stari, neitroni un mutāciju ātrums evolūcijā

Kad kosmiskie stari skar augšējos atmosfēras slāņus, tie sūta lielas enerģijas daļiņas, piemēram, neitronus, kas plūst uz virsmas. Tāpēc interesants jautājums ir par to, kā šie neitroni ietekmē lietas uz zemes.

Pētnieki jau sen ir zinājuši, ka augstas enerģijas neitroni var sadalīties atomu kodolos, izraisot visa veida bojājumus materiālu struktūrā. Tas ir viens no kļūdu iemesliem datora atmiņās.

Patiešām, 2004. gadā IBM pētnieku grupa mērīja neitronu plūsmu no kosmisko staru sadursmēm un izmantoja rezultātus, lai prognozētu kļūdu biežumu datoru atmiņās citās elektroniskās loģiskās ierīcēs. Viņu prognozes cieši saskanēja ar novēroto kļūdu līmeni, kas liecina, ka neitroni patiešām ir nozīmīgs skaitļošanas problēmu avots.

Šis atklājums ir aizrāvis Augusto Gonsalesa iztēli Kibernētikas, matemātikas un fizikas institūtā Havanā, Kubā. Ja fona neitronu starojums var izraisīt kļūdas datora shēmās, tad tam vajadzētu būt līdzīgi destruktīvai ietekmei uz citu daudz izplatītāku informācijas apstrādes sistēmu – dzīvību.

Evolūcijas biologi jau sen ir zinājuši, ka spontānas mutācijas notiek tādā ātrumā, kas būtiski ietekmē evolūcijas raksturu. Bet tieši tas, kas izraisa spontānu mutāciju, nekad nav bijis pareizi izprasts.

Tagad Gonzáles saka, ka tā pati pieeja, ko IBM pētnieki izmantoja, lai prognozētu kļūdas datora atmiņā, arī izskaidro spontānu mutāciju ātrumu dzīvās būtnēs.

Gonsaless savu darbu pamato ar aizraujošu eksperimentu, ko veica Ričards Lenskis un viņa komanda Mičiganas štata universitātē un kas notiek kopš 1988. gada. Kopš tā laika šie puiši ir audzējuši baktērijas E. coli un uzrauga mutācijas, kas notiek starp paaudzēm.

Katru dienu no vienas kultūras tiek ņemts neliels daudzums baktēriju un nākamās dienas laikā tām ļauj augt jaunā glikozes trauciņā. Baktērijas vairojas, līdz beidzas glikoze, parasti apmēram astoņu stundu laikā. No šī trauka paņem nelielu daudzumu baktēriju un ļauj tām augt jaunā un tā tālāk.

Kopš 1988. gada komanda ir novērojusi, kā baktērijas ir attīstījušās vairāk nekā 60 000 paaudžu. Un viņi ir atklājuši, ka punktveida mutāciju skaits baktērijās pēc 20 000 paaudzēm ir aptuveni 300 miljoni. Tas ir aptuveni 1 sekunde.

Jautājums, ko risina González, ir tas, vai šo mutāciju ātrumu var izskaidrot ar fona neitronu starojumu. Viņš to dara, izveidojot matemātisko modeli videi, kurā aug baktērijas, kas būtībā ir ūdens.

Viņš aprēķina, ka augstas enerģijas neitroni nonāktu ūdenī uz baktēriju parauga apmēram reizi 125 sekundēs. Šis augstas enerģijas neitrons pēc tam pārnestu savu enerģiju uz ūdens molekulām, radot salīdzinoši īsu jonu ceļu. Viņš saka, ka viens neitrons radītu aptuveni 300 jonus aptuveni 100 nanometru trases garumā un aptuveni 30 jonus 0,1 mm attālumā.

Baktērijas, kuras skar šī jonu duša, var tikt iznīcinātas vai piedzīvot neatgriezeniskus bojājumus, īpaši to DNS, ko vēlāk var mantot pēcnācēji, viņš saka.

Tad jautājums ir par to, cik bieži tas notiek. Un viņš aprēķina, ka šis rādītājs atbilst kaitīgo mutāciju biežumam, kas izmērīts Lenska eksperimentos. Tādā veidā mēs norādām spontānu mutāciju klases iespējamo izcelsmi, viņš saka.

Protams, González norāda uz korelāciju starp fona neitronu starojumu un novēroto kaitīgo mutāciju ātrumu E. coli. Tā ir tikai daļa no tā, kas nepieciešams zinātniskam apstiprinājumam.

Tālāk ir nepieciešams kāds labs vecmodīgs eksperimentāls darbs, kas apstiprina korelāciju. Un Gonzáles paskaidro, kā to var izdarīt eksperimentā, kas ir vienkāršs, vismaz principā. Vienkārši atkārtojiet Lenska ilgtermiņa evolūcijas eksperimentus, bet ar divām baktēriju populācijām, no kurām viena ir pasargāta no fona neitronu starojuma. Viņš saka, ka aizsargātajām kultūrām vajadzētu uzrādīt daudz zemāku kaitīgo mutāciju līmeni.

Tas ir vieglāk pateikt nekā izdarīt. Lenska darbs ir prasījis gadu desmitus, taču nav iemesla, kāpēc kāds, kam ir mazliet laika, varētu vēlēties izmēģināt Gonsalesa ideju.

Vēl viena šī darba ietekme ir tāda, ka fona neitronu starojums varētu būt nozīmīgs vēža izraisītājs augstākiem dzīvniekiem, piemēram, cilvēkiem. Tas ir loģiski, taču tas ir nedaudz jāizpēta, jo ir arī citi spontānu mutāciju avoti, kas varētu būt atbildīgi, piemēram, radioaktīvo elementu, piemēram, radona, ieelpošana un, kas zina, kādi citi ķīmiskie procesi var traucēt DNS un tās labošanas mehānismus.

Interesants darbs un vēl viens mazs solis ceļā, lai labāk izprastu evolūcijas mutāciju izcelsmi.

Atsauce: arxiv.org/abs/1406.6641 : mutaģenēze un fona neitronu starojums

paslēpties