Радиоактивные изотопы и их применение

Изучение процессов, происходящих в животном и растительном организмах, процессов их роста и питания, обмена веществ и т. п. является предметом биологических наук. Особенно важными являются исследования, проводимые на неповрежденном организме. К этому стремился в своих исследованиях великий русский физиолог И. П. Павлов. Метод меченых атомов позволил осуществить стремления Павлова. Этот метод широко проник во все уголки биологической науки, он позволяет изучить распределение различных веществ в живых объектах, превращение и обмен веществ в организме, роль отдельных элементов в питании животных и растений и многие другие вопросы. Познакомимся на ряде примеров с возможностями и достижениями метода меченых атомов в биологии.

От корней к тканям растения. Одной из самых больших тайн природы, в которую удалось проникнуть с помощью метода меченых атомов, является поведение химических элементов в живом организме.

Фосфор является одним из важнейших элементов, необходимых для жизни растений и животных. Он входит в состав многих тканей, в больших количествах содержится в костях животных, в плодах и семенах растений.

В организм животных фосфор попадает с пищей, а растения всасывают его корнями из почвы в виде солей фосфорной кислоты. Если почву у корней растения полить раствором соли фосфорной кислоты, в состав которой введены атомы радиоактивного фосфора, то легко проследить, как фосфор проникает в корни растения, затем поднимается по его стеблю и распространяется в листьях по их жилкам. Наблюдение за движением фосфора осуществляют следующим образом. Для опыта используют несколько растений, подкормленных радиоактивным фосфором. Одно из них срезают через час, другое через два часа, третье через пять часов после начала опыта и т. д. Затем от различных частей срезанных растений отделяют по грамму ткани; ткань высушивают и сжигают. В оставшейся золе содержится фосфор, который был в отделенной части растения. Теперь с помощью счетчика можно легко подсчитать, в каких тканях растения находится больше радиоактивного фосфора, как влияет время на изменение количества радиоактивного фосфора в листьях, плодах или других частях растения. Вместо описанного способа можно растения, впитавшие в себя радиоактивный фосфор, срезать и приложить в темноте к фотографической пластинке. Контуры тех частей растения, в которых находится радиоактивный фосфор, будут зафиксированы почернением на фотографической пластинке. Почернение оказывается неравномерным, оно тем больше, чем больше радиоактивного фосфора содержится в той или иной части растения. Таким способом легко можно изучить направление движения атомов фосфора и других элементов в растении.

Можно показать, что фосфор в плодах томата скапливается в семенах (рис. 24), а в табаке, зараженном вирусной мозаикой, фосфор особенно интенсивно поглощается больными листьями (рис. 25).

Рис. 24. Радиоавтограф (позитив) плодов томата, подкормленного радиоактивным фосфором (разрез)

Рис. 25. Радиоавтограф (позитив) табака, подкормленного радиоактивным фосфором. Верхние листья поражены вирусной мозаикой

Фотосинтез. Углерод, идущий на построение клеток тканей, растения получают главным образом из воздуха в виде углекислого газа, который в листьях на свету претерпевает ряд сложнейших превращений. Процесс этот носит название фотосинтеза.

Фотосинтез сложен и многообразен. Исследования А. К. Тимирязева и его учеников заложили основу учения о фотосинтезе, но только с помощью метода меченых атомов удалось показать, как углекислый газ и вода превращаются в углеводы. Оказалось, что кислород, выделяющийся при синтезе углеводов, образуется из воды, что листья растений способны запасать солнечную энергию, то есть процесс фотосинтеза продолжается некоторое время и в темноте. В этих исследованиях растения выдерживались в различных условиях в атмосфере углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод, затем с помощью счетчика определялось количество радиоактивного углерода в тканях листьев. Более сложные опыты заключались в том, что исследовалось не просто содержание радиоактивного углерода, а определялось, в какие химические соединения и при каких условиях он входит. После выдерживания в атмосфере радиоактивного углекислого газа растения убивались спиртом. При этом образовавшиеся в процессе фотосинтеза органические соединения переходили в раствор.