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

организмов характерны многообразные механизмы управления жизнедеятельностью и регулирования ее. Изучением механиз­ мов и закономерностей управления жизнедеятельностью орга­ низмов занимается физиология микроорганизмов, растений и животных. Физиологические закономерности имеют много обще­ го с закономерностями, формулируемыми теорией информации, или кибернетикой. Вот почему физиологические закономерности управления и регулирования в биологических системах можно назвать кибернетическими.

Основным, общим для всех видов живых организмов меха­ низмом передачи информации является так называемый гено­ тип— механизм наследственного, генетического воспроизводства биологического цикла (от рождения до смерти), характерного для данного вида живого организма. Биохимической основой генотипа является содержащийся в хромосомах аппарат моле­ кулярных структур ДНК, в которых запрограммирована генети­ ческая информация, система переносчиков информации (напри­ мер, информационная РНК) и система ферментов, регулирую­ щих обмен веществ в клетках.

Кроме генотипа, в живых организмах имеются и другие ме­ ханизмы управления, регулирования, передачи информации, обеспечивающие их устойчивое существование в факторостатных и изменяющихся условиях внешней и внутренней среды. Для микроорганизмов, например, важное значение имеет синтез адаптивных ферментов, обеспечивающих их приспособительную функцию к изменяющимся условиям среды, в частности к усло­ виям и источникам питания. У высших растений и животных важную роль в системе регулирования играют гормональные ме­

зиологических процессов, хотя у растений нет нервной системы. Кибернетический аппарат живых организмов — предмет уси­

ленных исследований последнего времени.

Метод изотопных индикаторов и в этой области позволяет более просто и непосредственно решать ряд вопросов, в частно­ сти может быть решен вопрос, осуществляется ли передача дан­ ного конкретного вида физиологической информации посредст­ вом массопереноса между источником информации и адресатомисполнителем. Например, сопоставление момента поступления предполагаемых меченых переносчиков информации в данный орган живого организма с моментом проявления исследуемой физиологической реакции этого органа позволяет выяснить ме­

252

ханизм передачи информации. При исследовании механизма передачи генетической информации было установлено, что ДНК служит только матрицей (образом, формой), но не материалом для синтеза себе подобной ДНК — химическая передача массы в этом случае не осуществляется. Информация передается без массопередачи при удвоении молекулы ДНК.

Кпятой типовой задаче можно отнести также многочислен­ ные биохимические исследования интенсивности и направленно­ сти процессов обмена веществ посредством тех или иных физио­ логических регуляторных механизмов. В этом случае фактиче­ ски сочетается решение третьей, четвертой и шестой типовых задач. Например, вводя определенные гормоны в исследуемый орган, можно выяснить, какие именно специфические биохими­ ческие процессы осуществляются под действием данного гор­ мона, участвует ли вещество гормона в этих биохимических процессах.

Кэтим же типовым задачам относится изучение влияния на жизнедеятельность живых организмов физиологически активных веществ, фармакологических препаратов, а также других фак­ торов внешней среды, действующих на живые организмы в каче­ стве факторов раздражимости.

При решении всех перечисленных задач метод изотопных

индикаторов применяется на физиологическом, кибернетическом уровне исследования.

Рассмотренные типовые задачи биологических исследований, конечно, не исчерпывают всех тех сложных биологических проб­ лем, для решения которых метод изотопных индикаторов или незаменим, или наиболее эффективен.

Решение типовых биологических зад ач методом стабильны х изотопов-индикаторов. Методические и технические возможности метода стабильных изотопов-индикаторов в биологических ис­ следованиях более ограничены по сравнению с возможностями метода радиоактивных индикаторов. В принципе стабильные изотопы-индикаторы можно применять при решении всех ука­ занных типовых биологических задач, но не всегда это целесо­

образно.

Методика использования стабильных изотопов-индикаторов довольно однообразна. При решении любой биологической за­ дачи в организм (или организмы) вводят меченый элемент, а затем через выбранные интервалы времени производят анализ изотопного состава взятого элемента в живом организме (или организмах) в различных его морфологических органах и ча­ стях, фракциях и соединениях.

При масс-спектральном анализе исследуемый элемент пере­ водят обязательно в газообразное состояние. Не менее сложна также методика приготовления проб и анализа проб воды, обо­ гащенной дейтерием при использовании его в качестве индика­ тора. Именно в проведении количественного анализа меченого

253

элемента состоит все неудобство и вся трудность работы со ста­ бильными изотопами.

Поэтому при изучении миграции макроорганизмов вряд ли целесообразно применять стабильные изотопы-индикаторы, а при изучении миграции микроорганизмов в определенных слу­ чаях можно и даже целесообразно их использовать.

Метод стабильных изотопов-индикаторов можно использовать

..крови в опытах с животными и человеком или проб пасоки либо корневых выделений в опытах с растениями.

Как правило, метод стабильных изотопов-индикаторов при­ меняют при изучении распределения меченого элемента по орга­ нам живого организма. Определение же скорости перемещения меченых элементов с помощью этого метода весьма затрудни­ тельно, хотя в принципе и возможно. Так, можно определить скорость перемещения меченого элемента методом меченой вол­ ны. Для этого порцию меченого элемента инъецируют в опреде­ ленное место растения (например, в стебель), а затем через некоторое время изучают распределение меченого элемента, определяют точки максимума и минимума распределения волны меченого элемента. Зная время от момента введения меченого элемента в растение до момента фиксации его, а также зная

мента, определяют среднюю и максимальную скорости переме­ щения его. Хотя и с большими техническими трудностями, с помощью стабильных изотопов-индикаторов можно решать третью и четвертую типовые задачи. В этих случаях аналитиче­ ская часть работы сводится к анализу изотопного состава кон­ тролируемого элемента в отдельных химических фракциях или соединениях. На основе результатов анализа определяют содер­ жание меченого и немеченого элементов в исследуемом объекте или в компоненте.

§ 3. ОРГАНИЗАЦИЯ И ОБЩАЯ МЕТОДИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИЗОТОПНЫХ ИНДИКАТОРОВ

Выше рассматривались возможности метода изотопных ин­ дикаторов в биологических исследованиях. Каждый метод имеет определенную логическую цепь общих организационно-методи­ ческих операций, которые необходимо осуществлять при поста­ новке и проведении исследований. Метод изотопных индикато­ ров также имеет свою логику организации и проведения экспериментов — общий ход выполнения работы.

1254

Обеспечение радиационной безопасности работы . Работы по*

применению метода радиоактивных индикаторов в биологиче­ ских исследованиях относятся с точки зрения радиационной бе­ зопасности к работам с радиоактивными веществами в откры­ том виде. Следовательно, их следует проводить в условиях стро­ гого соблюдения правил техники радиационной безопасности (см. § 3 гл. 5). Это касается не только лабораторных, но и по­ левых исследований.

Работы со стабильными изотопами можно проводить в обыч­ ных условиях, так как они радиационной опасности не пред­ ставляют.

Основные стадии работы с применением изотопных индика­ торов. Биологические эксперименты с изотопными индикатора­ ми складываются из следующих основных стадий:

1)составления схемы-плана эксперимента, исходя из по­ ставленной исследовательской задачи;

2)расчета индикаторных доз, удельной активности меченого элемента и других данных, характеризующих питательный рас­ твор или питательную массу, которую предполагается ввести в

живой организм; 3) подготовки питательных сред с меченым элементом к

опыту;

4)подготовки живых организмов к опыту;

5)введения меченого элемента в биологический объект (или объекты);

' 6) фиксирования биологического объекта, расчленения его на органы и части, подготовки биологического материала к ана­ лизу;

7) подготовки биологического объекта к авторадиографиче­ скому анализу и получения авторадиографов, если это преду­ смотрено планом опытов;

8)фракционирования и разделения продуктов метаболизма при решении третьей и четвертой типовых задач;

9)количественного химического анализа и радиометриче­ ского анализа проб из биологического материала;

10)обработки результатов измерений и их анализ. Рассмотрим некоторые специфические стадии работы под­

робнее.

При планировании экспериментов с применением изотопных индикаторов необходимо исходить из применимости и возмож­

255

В качестве примера решения первой типовой задачи рассмот­ рим схему опытов по изучению миграции насекомых. Это одна из типовых задач защиты растений.

Как видно из схемы (рис. 8.4), работа начинается со сбора или выращивания насекомых. Чтобы получить достоверные дан­ ные, надо подготовить к опыту достаточный статистический «ан­ самбль» насекомых (порядка 1000 насекомых или больше). Па­

раллельно должны быть подготовлены пища с меченым элемен­ том для скармливания насекомым или раствор с меченым элементом, которым предполагается обрабатывать насекомых, например, опрыскиванием. Удельная активность меченого эле­ мента должна обеспечить получение меченых насекомых с до­ статочной для достоверной регистрации активностью.

Следующая процедура — получение меченых насекомых. Для этого им или скармливают пищу с меченым элементом, или при­ водят насекомых в контакт с радиоактивным раствором. Из определенного места выпускают на свободу меченых насекомых. Момент их выпуска фиксируют. Через заданный интервал вре­ мени на разных расстояниях от места выпуска собирают (ловят) насекомых. Время сбора, естественно, должно быть таким, чтобы за этот период не произошло существенного перераспределения

256

насекомых. Предварительно должна "быть построена координат­ ная сетка. В данном случае 1следует выбрать цилиндрическую систему координат (координаты р, <р). Все точки — пункты сбо­ ра насекомых должны быть помечены и занумерованы на коор­ динатной сетке. Для поиска насекомых (например, при очаго­ вом, неравномерном их распределении) целесообразно приме­ нять полевые радиометры. Далее производят радиометрический контроль собранных насекомых. Фиксируют активность каждого насекомого (есть или нет активность у насекомого). Таким об­ разом сортируют насекомых на меченых и немеченых. Опреде­ ляют число меченых насекомых, находящихся в данном пункте координатной сетки. Вообще говоря, желательно подсчитывать также и число немеченых насекомых. Соотношение числа мече­ ных и немеченых насекомых дает дополнительную информацию об интенсивности процессов обновления оЧагов насекомых, сте­ пени их перемешивания и т. п.

На основе координатной сетки строят графики (или диаграм­ мы) пространственного распределения меченых и немеченых насекомых (если производится подсчет последних). Эти графики (диаграммы) пространственного распределения и служат осно­ вой для заключения о характере миграции и распределении меченых насекомых. Определяют ареал их распространения, на­ правление преимущественной миграции и максимальную ско­ рость миграции.

В качестве примера второй типовой задачи рассмотрим изу­ чение распределения меченого элемента в растении (рис. 8.5).

Сначала также подготавливают растение к опыту, выращи­ вают его в определенных, заданных условиях. Параллельно го­ товят раствор с заданной удельной активностью меченого эле­ мента. Обычно вводят меченый элемент в растение через корне­ вую систему. Для этого растение помещают на питательный раствор с меченым элементом (вегетационный опыт, водная культура). Момент помещения растения на среду с меченым элементам фиксируют.

Один из вариантов методики предусматривает изучение миг­ рации и распределения меченого элемента in vivo. Для этого используют счетчики-щупы и методику определения скорости миграции, кратко описанную в § 2. С помощью счетчика-щупа можно получить ориентировочную картину распределения мече­ ного элемента в растении.

Для получения более наглядной картины распределения ме­ ченого элемента пользуются методом авторадиографии.

Наиболее точную количественную картину распределения меченого элемента можно получить путем радиометрического анализа различных органов и частей растения. После фиксации растение расчленяют на органы и части и определяют в стан­ дартных условиях активность каждого органа или части расте­ ния. По результатам радиометрических измерений рассчитывают