Rayos cósmicos, neutrones y la tasa de mutación en la evolución

Cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera superior, envían partículas de alta energía, como neutrones, que caen hacia la superficie. Entonces, una pregunta interesante es cómo estos neutrones influyen en las cosas en el suelo.

Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que los neutrones de alta energía pueden estrellarse contra los núcleos atómicos y causar todo tipo de daños a la estructura de los materiales. Ésta es una de las causas de los errores en las memorias de las computadoras.

De hecho, en 2004, un grupo de investigadores de IBM midió el flujo de neutrones de las colisiones de rayos cósmicos y utilizó sus resultados para predecir la tasa de error en las memorias de las computadoras y otros dispositivos lógicos electrónicos. Sus predicciones coincidieron estrechamente con la tasa de error observada, lo que sugiere que los neutrones son de hecho una fuente importante de problemas en la informática.

Ese hallazgo ha capturado la imaginación de Augusto González en el Instituto de Cibernética, Matemática y Física en La Habana, Cuba. Si la radiación de neutrones de fondo puede causar errores en los circuitos de la computadora, entonces debería tener un efecto destructivo similar en otro sistema de procesamiento de información mucho más común: la vida.

Los biólogos evolucionistas saben desde hace mucho tiempo que las mutaciones espontáneas ocurren a un ritmo que tiene una influencia crucial en la naturaleza de la evolución. Pero nunca se ha entendido correctamente qué causa exactamente la mutación espontánea.

Ahora González dice que el mismo enfoque que utilizaron los investigadores de IBM para predecir errores en la memoria de la computadora también explica la tasa de mutaciones espontáneas en los seres vivos.

González basa su trabajo en un fascinante experimento llevado a cabo por Richard Lenski y su equipo en la Universidad Estatal de Michigan que ha estado en marcha desde 1988. Estos chicos han estado cultivando la bacteria E. coli desde entonces y monitoreando las mutaciones que ocurren entre generaciones.

Todos los días, se toma una pequeña cantidad de bacterias de un cultivo y se deja crecer en un nuevo plato de glucosa durante el transcurso del día siguiente. Las bacterias se reproducen hasta que se agota la glucosa, generalmente en unas ocho horas. Se extrae una pequeña cantidad de bacterias de este plato y se deja crecer en uno nuevo y así sucesivamente.

Desde 1988, el equipo ha observado cómo las bacterias han evolucionado durante 60.000 generaciones. Y han descubierto que el número de mutaciones puntuales en las bacterias después de 20.000 generaciones es de unos 300 millones. Esa es una frecuencia de aproximadamente 1 por segundo.

La pregunta que aborda González es si esta tasa de mutación puede explicarse por la radiación de neutrones de fondo. Para ello, crea un modelo matemático del entorno en el que crecen las bacterias, que es esencialmente agua.

Calcula que un neutrón de alta energía entraría al agua en una muestra bacteriana aproximadamente una vez cada 125 segundos. Este neutrón de alta energía luego transferiría su energía a las moléculas de agua creando una pista relativamente corta de iones. Dice que un solo neutrón generaría unos 300 iones en una pista de unos 100 nanómetros y unos 30 iones a una distancia de 0,1 mm.

Las bacterias tocadas por esta lluvia de iones podrían destruirse o experimentar un daño permanente, especialmente en su ADN, que luego puede ser heredado por los descendientes, dice.

La pregunta entonces es con qué frecuencia sucede esto. Y calcula que esta tasa es consistente con la frecuencia de mutaciones deletéreas medidas en los experimentos de Lenski. De esta manera, estamos indicando el origen probable de una clase de mutaciones espontáneas, dice.

Por supuesto, González está señalando una correlación entre la radiación de neutrones de fondo y la tasa observada de mutaciones deletéreas en E. coli. Eso es solo una parte de lo que se requiere para la confirmación científica.

Lo que se necesita a continuación es un buen trabajo experimental a la antigua que confirme la correlación. Y González explica cómo esto se puede hacer en un experimento que es simple, al menos en principio. Simplemente repita los experimentos de evolución a largo plazo de Lenski pero con dos poblaciones de bacterias, una de las cuales está protegida de la radiación de neutrones de fondo. Los cultivos protegidos deberían exhibir tasas mucho más bajas de mutaciones deletéreas, dice.

Es más fácil decirlo que hacerlo. El trabajo de Lenski ha llevado décadas, pero no hay razón para que alguien con un poco de tiempo en sus manos quiera probar la idea de González.

Otra implicación de este trabajo es que la radiación de neutrones de fondo podría ser un desencadenante importante del cáncer en animales superiores, como los humanos. Eso tiene sentido, pero habrá que investigarlo un poco, ya que existen otras fuentes de mutaciones espontáneas que también podrían ser responsables, como la inhalación de elementos radiactivos como el radón y quién sabe qué otros procesos químicos que pueden alterar el ADN y sus mecanismos de reparación.

Un trabajo interesante y otro pequeño paso en el camino para comprender mejor el origen de las mutaciones en la evolución.

Ref: arxiv.org/abs/1406.6641 : Mutagénesis y radiación de neutrones de fondo

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