Файл: Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие.pdf

доз для животных примерно на один-два порядка меньше по сравнению с интервалом индикаторных доз для растений.

Рассматривая вопрос о биологическом действии радиоактив­ ных изотопов, необходимо также учитывать свойство консерва­ тивности организма. Известно, что каждый вид живого орга­ низма характеризуется определенным типом обмена веществ и для нарушения его необходимо либо применять сильные внеш­ ние физические и химические воздействия, либо использовать особые методы из числа тех, которыми оперируют генетика и се­ лекция. Если иметь в виду эту консервативность живых орга­ низмов, то можно утверждать, что действие индикаторных доз радиоактивных изотопов при сравнительно коротком периоде воздействия не может вызвать значительных сдвигов в общей направленности метаболизма. Поэтому первый постулат в пре­ делах использования индикаторных доз радиоактивных изото­ пов можно считать вполне обоснованным.

Конечно, точно установить индикаторные дозы — задача очень сложная. Дело в том, что биологическое действие радио­ активных изотопов при строгом подходе, следует изучать с уче­ том конкретных условий: вида и энергии излучения радиоактив­ ного изотопа, контролируемых биологических признаков, вида живого организма, возраста, физиологического состояния и т. д. (см. гл. 4).

При использовании элементов, меченных малораспространен­ ными стабильными изотопами, последние составляют уже зна­ чительную массу по отношению к массе распространенного изо­ топа. Поэтому, когда концентрация малораспространенного изотопа повышена, теоретически предполагается возможность биологического действия искусственного изотопного состава элемента.

Эксперименты показали, что только в случае воды, меченной дейтерием или 180, наблюдается биологическое действие повы­ шенной концентрации тяжелого водорода или тяжелого кисло­ рода в составе воды, проявляющееся в форме анабиоза — пол­ ного или частичного прекращения деления клеток и прекраще­ ния роста. Это явление еще до конца не изучено, но по имею­ щимся данным изотопный анабиоз обусловлен различиями фи­ зико-химических свойств обычной и тяжелой воды. Состояние воды в клетках играет важную роль в их жизнедеятельности, т. е. влияет на все биоструктуры клетки, на течение метаболиче­ ских процессов, осуществляющихся в этих структурах.

Однако при сравнительно небольших концентрациях дейте­ рия или 180 в составе воды, изотопный анабиоз не проявляется, т. е. и в этом случае можно выбрать интервал индикаторных доз стабильных изотопов-индикаторов. Так, в опытах с растениями следует^ использовать меченную дейтерием воду, концентрация тяжелой воды в которой не превышает 10—20%.

228

Вопрос о биологическом действии измененного изотопного состава химических элементов тесно связан с вопросом о роли изотопных эффектов в биологических системах, ибо первопри­ чиной возможного биологического действия искусственного изо­ топного состава элемента должно быть различие физико-химиче­ ских свойств изотопов данного элемента. Насколько велики масштабы изотопных эффектов в биологических системах и в каких случаях можно ими пренебречь? Иначе говоря, насколько справедлив второй постулат, лежащий в основе применения изо­ топных индикаторов в биологии?

В биосфере происходит круговорот веществ как в гомоген­ ных, так и гетерогенных условиях. Можно ожидать, что в есте­ ственных условиях в различных частях биогеосферы наблюда­ ются разделительные изотопные эффекты. За все геологические эпохи эти эффекты вследствие многократного повторения, каза­ лось бы, должны были привести к существенному разделению изотопов.

Тщательный анализ изотопного состава химических элемен­ тов, взятых из различных объектов биогеосферы, показал, что изотопный состав химических элементов действительно не по­ стоянен, он зависит от того, откуда эти элементы взяты. Это значит, что. в природных условиях происходит разделение изото­ пов, т. е. изотопные эффекты проявляются в природных усло­ виях. Однако реальные масштабы их невелики. Например, 180 в кислороде известняков имеет относительную распространен­ ность в 1,035 раза большую по сравнению с кислородом воды.

Установлено, что 13С имеет большую распространенность в углероде растений, чем в углероде углекислоты воздуха и из­ вестковых пород. Колебания в относительной распространенно­ сти изотопов в биогеосфере вызывают соответствующие колеба­ ния в атомных массах химических элементов. В табл. 8.1 при­ ведены значения максимальных колебаний атомных масс хими-

229

ческих элементов, связанных с природными изотопными эффек­ тами. Как видно, эти колебания весьма незначительны.

Таким образом, приходим к выводу, что хотя в биогеосфере и возникают различия в распределении изотопов, т. е. проявля­ ются изотопные эффекты, однако в природных условиях какоголибо существенного накопления разделительных изотопных эф­ фектов не происходит.

Наблюдаемые различия в распространенности изотопов имеют порядок величины однократных кинетических и термоди­ намических изотопных эффектов в гомогенных и гетерогенных химических реакциях и межфазных распределениях.

Причиной отсутствия существенного разделения изотопов в биогеосфере, по-видимому, является действие противоположной тенденции смешения изотопов. Такие смешения изотопов, про­ текающие на микро- и макроскопическом уровнях, нивелируют эффекты разделения. Существенное разделение изотопов может быть достигнуто лишь в условиях направленного относительно­ го движения несмешивающихся фаз (в экстракционных колон­ нах, диффузионных ячейках, хроматографических колоннах и др.). В условиях перемешивающихся фаз эффект разделения можно наблюдать только на уровне однократного изотопного эффекта (см. § 1 гл. 3).

В биологических системах происходят многочисленные хи­ мические превращения, микро- и макроперенос веществ в на­ правленных потоках, перенос через мембраны; короче говоря, имеются, казалось бы, все условия для накопления разделитель­ ных изотопных эффектов. Таким образом, теоретически можно было бы ожидать значительных изотопных эффектов.

Однако имеющиеся данные о изотопных эффектах в живых организмах показывают, что масштабы их, так же как и во всей биогеосфере, весьма незначительны и находятся на уров­ не известных показателей однократных изотопных эффектов. Это показывает, что и в живых организмах действуют механизмы изотопного смешения, нивелирующие разделительные изотопные эффекты.

Необходимо отметить, что экспериментальных данных о изо­ топных эффектах в биологических системах, в том числе расте­ ний, очень мало. Имеющиеся данные об изотопных эффектах в растениях показывают, что они обнаруживаются в масштабах однократных эффектов для изотопов легких элементов (водоро­ да, углерода, кислорода, азота). Для этих элементов изотопные

эффекты могут выходить иногда за пределы погрешности изме­ рений.

Как правило, более тяжелые изотопы данного элемента ас­ симилируются в меньшей степени, чем легкие. Например, при ассимиляции водорослями меченной дейтерием или тритием во­ ды атомная концентрация изотопных индикаторов дейтерия и трития уменьшается в 1,5—3 раза.

230

По избирательности ассимиляции растениями изотопы угле­ рода располагаются в следующий ряд: 12С > 13С > 14С. Атомная концентрация 13С при ассимиляции из меченой С 02 уменьшается на 3—5 %, а 14С — на 15—20 %.

По другим данным, изотопный эффект при ассимиляции 14С из С 02 достигает порядка 3—6%. Как видно, результаты до­ вольно противоречивы. Это связано с большими методическими трудностями обнаружения изотопных эффектов и большими экспериментальными погрешностями измерения.

При ассимиляции кислорода в процессе дыхания атомная концентрация изотопа 180 уменьшается примерно на 2—3% по сравнению с концентрацией 180 в кислороде воздуха. Для изо­ топов более тяжелых элементов, например калия, кальция, фос­ фора, серы и др., как показывают опыты на растениях, изо­ топные эффекты лежат в пределах аналитических погреш­ ностей.

Из-за близкого химического подобия свойств изотопов од­ ного и того же элемента их химическое поведение в живых орга­ низмах должно быть сходным. Поэтому изотопные индикаторы, если не строго количественно, то по крайней мере качественно, должны воспроизводить метаболический путь исследуемого эле­ мента. Это утверждение справедливо в пределах индикаторных доз даже для изотопов водорода (2Н и 3Н), которые можно сме­ ло использовать для выяснения метаболического пути водорода

можного существования изотопных эффектов), то в качествен­ ном отношении.

Итак, в пределах биологических флуктуаций и аналитических погрешностей изотопными эффектами в биологических экспери­ ментах при изучении пространственного распределения и хими­ ческого превращения меченого элемента можно пренебречь, а в случае необходимости получения более точных данных, ввести соответствующие поправки на изотопные эффекты. Изотопные эффекты не могут приводить к различному метаболическому пути изотопных атомов в живом организме. Метаболизм изо­ топных атомов одинаков. Так обстоит дело с обоснованием второго постулата метода изотопных индикаторов.

При использовании метода изотопных индикаторов в биоло­ гических исследованиях необходимо принимать во внимание еще ряд важных особенностей метода.

Необходимо иметь в виду, что метод изотопных индикаторов позволяет непосредственно с помощью детекторов регистриро­ вать содержание или радиоактивного изотопа-индикатора (метод радиоактивных индикаторов), или изотопный состав химическо­ го элемента (метод стабильных изотопов-индикаторов). Детек­ торы, определяющие количественное содержание изотопов в

231