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

объекте, естественно, не различают химической формы изотоп­ ных атомов.

Ранее было дано определение меченого элемента как хими­ ческого элемента с искусственно измененным изотопным соста­ вом.

Визотопном составе меченого элемента есть изотоп-носитель

иизотоп-индикатор. Обычно изотопом-носителем является ста­ бильный распространенный изотоп или смесь стабильных изо­ топов, входящих в состав природного химического элемента. Изотопами-индикаторами являются или искусственные радиоак­ тивные, или малораспространенные стабильные изотопы. В не­ которых случаях в биологических экспериментах используют ме­ ченые элементы, состоящие только из изотопов-индикаторов без носителей.

Но меченый элемент должен находиться в определенной хи­ мической форме и в определенном физико-химическом состоянии (агрегатном, дисперсном и т. п.). При постановке биохимических исследований необходимо, чтобы в меченом элементе изотопиндикатор и носитель находились в одной и той же исходной химической форме, иначе говоря, в одинаковом исходном со­ стоянии. Таким образом, судьба, дальнейший путь меченого эле­ мента прослеживаются в биологическом объекте начиная с оп­ ределенного исходного состояния меченого элемента. В процес­ се метаболизма исходная химическая форма (соединение) мече­ ного элемента превращается во множество других химических форм, распределяющихся по разным частям неоднородной био­ логической системы. Для определения новых химических со­ стояний меченого элемента метод изотопных индикаторов не­ обходимо сочетать с другими методами анализа состава про­ дуктов метаболизма, например с методами хроматографии (радиохроматографический метод).

Таким образом, с помощью только одного метода изотопных индикаторов нельзя проследить химические превращения ме­ ченого соединения, введенного в организм.

Лишь сочетание метода изотопных индикаторов с препара­ тивными методами разделения и анализа смесей веществ позво­ ляет изучать химические превращения или путь меченого эле­ мента в живом организме.

Введенный в живой организм меченый элемент в заданной исходной химической форме вовлекается в сложную сеть физи­ ко-химических и химических процессов переноса. При этом не­ обходимо различать: 1) процессы, протекающие без затраты ме­ таболической энергии и участия ферментных систем и 2) про­ цессы, протекающие с затратой метаболической энергии и с уча­ стием ферментных систем.

Первые процессы условно называют процессами пассивного переноса. Механизмы пассивного переноса разные. Это — диф­

232

§ 2. Т И П О В Ы Е З А Д А Ч И П Р И М Е Н Е Н И Я И З О Т О П Н Ы Х И Н Д И К А Т О Р О В В Б И О Л О Г И Ч Е С К И Х И С С Л Е Д О В А Н И Х

С помощью метода изотопных индикаторов можно решать ряд типовых задач.

Первая типовая задача — исследование перемещения (мигра­ ции) и распределения меченых макро- и микроорганизмов.

Вторая типовая задача — исследование перемещения и распре­ деления по морфологическим органам и частям живого орга­ низма ассимилируемых им из внешней среды меченых элемен­ тов, или исследование пространственного пути и распределе­ ния меченого элемента в живом организме.

Третья типовая задача — исследование химического переноса меченого элемента, или химического пути перехода меченого элемента из одних соединений в другие.

Четвертая типовая задача—исследование обновления атомар­ ного состава различных организмов и их компонентов, или, ина­ че говоря, исследование изотопного обмена в биологических си­ стемах.

Как видно, первая и вторая типовые задачи направлены на изучение пространственного переноса меченых организмов и их компонентов, а третья и четвертая — на изучение биологических явлений на атомно-молекулярном уровне.

Существуют теоретические и практические специфические по постановке задачи, решение которых невозможно без при­ менения изотопных индикаторов и которые в той или иной степени сводятся к перечисленным выше четырем типовым задачам.

В дополнение отметим еще две специфические типовые за­ дачи.

Пятая типовая задача — исследование ассимиляции живыми организмами питательных элементов из различных источников питания.

При разнообразии источников питания живых организмов только с помощью изотопной метки можно определить степень и характер использования питательных элементов из различных источников питания. Это весьма важная не только теоретиче­ ская, но и практическая задача сельскохозяйственных исследо­ ваний.

Шестая типовая задача — исследование с помощью изотопных индикаторов передачи информации в живых организмах. Эта задача имеет пока теоретическое значение и связана с разви­ тием исследований в области биологической кибернетики как науки о системах управления и регулирования в живых орга­ низмах.

В принципе указанные выше типовые задачи можно решать как с помощью радиоактивных индикаторов, так и стабильных изотопов-индикаторов.

234

С теоретической точки зрения, принципиальной разницы ме­ жду ними нет. Различие носит методический и технический ха­ рактер. В методе радиоактивных индикаторов мерой изотопной индикации служит величина удельной активности меченого эле­ мента— активность единицы массы меченого элемента. В ме­ тоде стабильных изотопов-индикаторов за меру изотопной индикации принимается избыток атомного процента меченого элемента.

Применение метода стабильных изотопов-индикаторов имеет ряд технических неудобств: невозможность осуществления эпытов in vivo, громоздкость и высокую стоимость массспектрометров, он требует большой затраты времени на измере­ ния. Метод радиоактивных индикаторов более гибкий. Он позво­ ляет проводить не только лабораторные, но и полевые исследо­ вания, допускает прижизненное исследование процессов, происходящих в организмах (in vivo). Очень проста методика радиометрических измерений.

Все это обусловило широкое применение метода радиоактив­ ных индикаторов в биологических исследованиях. Лишь в тех случаях, когда нет удобных для работы радиоактивных изотоп­ ных индикаторов, используется метод стабильных индикаторов. Например, для получения меченого азота и меченого кислорода нет подходящих по периоду полураспада радиоактивных изото­ пов — все радиоактивные изотопы азота и кислорода имеют очень короткий период полураспада. Поэтому для получения меченого азота применяют малораспространенный стабильный изотоп I5N, а для получения меченого кислорода — малораспро­ страненный изотоп 180.

Правда, метод стабильных изотопов-индикаторов, несмотря на недостатки, имеет одно важное преимущество. Он исключает действие одного из отрицательных факторов — действие ионизи­ рующих излучений на изучаемый живой объект. Отпадает необходимость в обеспечении радиационной безопасности пер­ сонала. Кроме того, следует отметить, что методика массспектрометрических измерений постепенно совершенствуется, однако, как бы она не совершенствовалась, метод стабильных изотопов-индикаторов, по-видимому, не сможет вытеснить или заменить метод радиоактивных индикаторов, который по про­ стоте, чувствительности, точности, экспрессности и производи­ тельности значительно превосходит метод стабильных изотоповиндикаторов. Поэтому на возможностях этого метода мы оста­ новимся подробнее.

Радиоиндикаторные методы исследования перемещения м ак ­ ро- и микроорганизмов. Все методики применения изотопных

индикаторов при изучении перемещения, распространения и рас­ пределения живых макроорганизмов в пространстве обладают определенной общностью. Они сводятся к введению радиоактив­ ного индикатора непосредственно в живой организм и получе­

235

нию меченых организмов. Далее с помощью радиометрических приборов прослеживают их распространение. Способы введения метки принципиального значения не имеет. Существуют, напри­ мер, такие способы введения метки, как инъекция, смазывание раствором, введение метки с пищей и т. д.

Метод радиоактивных индикаторов используют для изучения направления и ареала распространения (миграции), количест­ венных закономерностей распределения в пространстве рыб, птиц, насекомых, грызунов, червей и т. п.

В качестве радиоактивных индикаторов применяют различ­ ные изотопы. Их выбор принципиального значения не имеет. Важно, чтобы метка удерживалась в живых огранизмах в течение времени, достаточного для проведения эксперимента. В соответствии с планируемой длительностью эксперимента под­ бирают изотоп с определенным периодом полураспада и вводят такую индикаторную дозу, чтобы к концу эксперимента можно было зарегистрировать наличие радиоактивности.

Вбольшинстве случаев радиоактивность меченых живых ор­ ганизмов регистрируют способом in vivo, поэтому для индика­ ции целесообразно применять радиоактивные изотопы, испу­ скающие у-излучение.

Схема экспериментов по изучению распространения и распре­ деления меченых организмов сводится к следующему.

Вподобранную серию организмов (рыб, птиц, насекомых) вводят радиоактивную метку. Число организмов должно быть достаточно большим, чтобы выявить статистическую закономер­ ность их последующего распространения. Отмечают место выпу­ ска меченых организмов и через заданный период времени с помощью радиометрической аппаратуры определяют распреде­ ление их в пространстве (рыб в реке, озере или в море, птиц на материках и насекомых на поверхности земли). Для фиксации присутствия в данной точке пространства меченых организмов их вылавливают и определяют радиоактивность.

Для выявления статистических закономерностей распростра­ нения организмов иногда целесообразно определять не только число меченых организмов, но и число немеченых. Такая инфор­ мация будет более глубокой с научной точки зрения. Она позво­ ляет изучать закономерности перемещения живых организмов из разных колоний, сообществ, а также определять важные биологические закономерности, характеризующие жизнь дан­ ного вида живых организмов.

Иногда для большей эффективности выявления местонахож­

Однако для таких опытов лучше использовать радиоактивные изотопы, испускающие у- или жесткое р-излучение.

При работе с мечеными макроорганизмами возможность по­ тери метки организмом практически исключена. Всегда можно

236