Rayons cosmiques, neutrons et taux de mutation en évolution

Lorsque les rayons cosmiques frappent la haute atmosphère, ils envoient des particules de haute énergie, telles que des neutrons, vers la surface. Une question intéressante est donc de savoir comment ces neutrons influencent les choses au sol.

Les chercheurs savent depuis longtemps que les neutrons de haute énergie peuvent s'écraser sur les noyaux atomiques causant toutes sortes de dommages à la structure des matériaux. C'est une cause d'erreurs dans les mémoires des ordinateurs.

En effet, en 2004, un groupe de chercheurs d'IBM a mesuré le flux de neutrons provenant de collisions de rayons cosmiques et a utilisé leurs résultats pour prédire le taux d'erreur dans les mémoires d'ordinateurs d'autres dispositifs logiques électroniques. Leurs prédictions correspondaient étroitement au taux d'erreur observé, suggérant que les neutrons sont en effet une source importante de problèmes en informatique.

Cette découverte a captivé l'imagination d'Augusto González de l'Institut de cybernétique, de mathématiques et de physique de La Havane, à Cuba. Si le rayonnement neutronique de fond peut provoquer des erreurs dans les circuits informatiques, il devrait alors avoir un effet destructeur similaire sur un autre système de traitement de l'information beaucoup plus courant : la vie.

Les biologistes évolutionnistes savent depuis longtemps que les mutations spontanées se produisent à un rythme qui a une influence cruciale sur la nature de l'évolution. Mais ce qui cause exactement la mutation spontanée n'a jamais été correctement compris.

González dit maintenant que la même approche que les chercheurs d'IBM ont utilisée pour prédire les erreurs dans la mémoire informatique explique également le taux de mutations spontanées chez les êtres vivants.

González fonde son travail sur une expérience fascinante menée par Richard Lenski et son équipe à la Michigan State University et en cours depuis 1988. Depuis, ces gars cultivent la bactérie E. coli et surveillent les mutations qui se produisent entre les générations.

Chaque jour, une petite quantité de bactéries est prélevée sur une culture et laissée à croître dans une nouvelle boîte de glucose au cours de la journée suivante. Les bactéries se reproduisent jusqu'à épuisement du glucose, généralement dans les huit heures environ. Une petite quantité de bactéries est prélevée dans ce plat et laissée se développer dans un nouveau et ainsi de suite.

Depuis 1988, l'équipe a observé l'évolution de la bactérie sur 60 000 générations. Et ils ont découvert que le nombre de mutations ponctuelles dans la bactérie après 20 000 générations est d'environ 300 millions. C'est un taux d'environ 1 par seconde.

La question que se pose González est de savoir si ce taux de mutation peut s'expliquer par le rayonnement neutronique de fond. Il le fait en créant un modèle mathématique de l'environnement dans lequel les bactéries se développent, qui est essentiellement de l'eau.

Il calcule que des neutrons de haute énergie entreraient dans l'eau sur un échantillon bactérien environ une fois toutes les 125 secondes. Ce neutron de haute énergie transférerait ensuite son énergie aux molécules d'eau créant une piste d'ions relativement courte. Il dit qu'un seul neutron générerait quelque 300 ions sur une longueur de piste d'environ 100 nanomètres et environ 30 ions à une distance de 0,1 mm

Les bactéries touchées par cette gerbe d'ions pourraient être détruites ou subir des dommages permanents, notamment au niveau de leur ADN, qui pourra ensuite être hérité par la descendance, précise-t-il.

La question est alors de savoir à quelle fréquence cela se produit. Et il calcule que ce taux est cohérent avec la fréquence des mutations délétères mesurées dans les expériences de Lenski. De cette façon, nous indiquons l'origine probable d'une classe de mutations spontanées, dit-il.

Bien sûr, González souligne une corrélation entre le rayonnement neutronique de fond et le taux observé de mutations délétères chez E. coli. Ce n'est qu'une partie de ce qui est requis pour la confirmation scientifique.

Ce qu'il faut ensuite, c'est de bons travaux expérimentaux à l'ancienne qui confirment la corrélation. Et González explique comment cela peut être fait dans une expérience simple, du moins en principe. Répétez simplement les expériences d'évolution à long terme de Lenski, mais avec deux populations de bactéries, dont l'une est protégée du rayonnement neutronique de fond. Les cultures protégées devraient présenter des taux beaucoup plus faibles de mutations délétères, dit-il.

C'est plus facile à dire qu'à faire. Le travail de Lenski a pris des décennies, mais il n'y a aucune raison pour que quelqu'un avec un peu de temps libre veuille essayer l'idée de González.

Une autre implication de ce travail est que le rayonnement neutronique de fond pourrait être un déclencheur important du cancer chez les animaux supérieurs, tels que les humains. Cela a du sens mais nécessitera un examen car il existe d'autres sources de mutations spontanées qui pourraient également être responsables, telles que l'inhalation d'éléments radioactifs comme le radon et je ne sais pas quels autres processus chimiques peuvent perturber l'ADN et ses mécanismes de réparation.

Travail intéressant et un autre petit pas sur la voie pour mieux comprendre l'origine des mutations dans l'évolution.

Réf : arxiv.org/abs/1406.6641 : Mutagenèse et rayonnement neutronique de fond

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