Меченые атомы в биологических исследованиях

Процессы обмена веществ, непрерывно происходящего в живых организмах,- один из основных вопросов биологии. Долгое время, однако, не было найдено такого метода, который позволял бы изучать динамику обменных процессов в клетках, органах и тканях животных и растений. Наиболее подходящим для этой цели представлялся метод метки, при котором вводимые в организм соединения метятся, чтобы в дальнейшем можно было проследить за их судьбой. В некоторых случаях те или иные вещества метили красителями. Однако этот метод имел существенные недостатки: а) метка по своей химической природе отличалась от того вещества, которое она должна метить, в связи с чем нельзя было утверждать, что поведение и самого вещества и метки во всех случаях одинаково; б) концентрацию метящего вещества иногда приходилось брать настолько большой, что это могло повлиять на течение процесса.

Широкие возможности в этом отношении открыл перед исследователями метод, основанный на применении радиоактивных индикаторов, получивший название метода меченых атомов. Его сущность заключается в том, что радиоактивные изотопы, добавленные к неактивным атомам, как бы метят их, позволяя следить за ходом течения различных процессов, в которых участвуют эти атомы. При исследовании к основной порции нерадиоактивного вещества добавляют небольшое количество активного, содержащего радиоактивный изотоп. Полученную смесь вводят внутрь организма, добавляют к продуктам питания и т. д. Так как при обычных химических процессах различные изотопы одного и того же элемента ведут себя одинаково, поведение атомов радиоактивного изотопа не будет отличаться от поведения нерадиоактивных атомов. Через определенные промежутки времени с помощью специальных приборов наблюдают за распределением радиоактивного изотопа в тканях организма. Полученная картина характеризует распределение и нерадиоактивного изотопа.

Естественно радиоактивные вещества использовались в качестве индикаторов в химических и биологических исследованиях в 1917 г. В. Н. Спицыным для определения растворимости солей тория в разных растворителях. Но широко этот метод стал применяться только после того, как научились изготовлять искусственно радиоактивные изотопы.

Метод меченых атомов имеет чрезвычайно высокую чувствительность, обусловленную применяемыми методами обнаружения и измерения ядерных излучений. Так, отдельные радиоактивные вещества могут быть обнаружены в количестве 10^-15-10^-20г, в то время как чувствительность спектроскопических измерений не превышает 10^-10-10^-12г. Другое достоинство этого метода - возможность измерения активности радиоактивных изотопов в присутствии значительного количества неактивного вещества без выделения вещества в чистом виде и очистки проб.

Для обнаружения радиоактивных индикаторов применяют такие чувствительные приборы, как описанные выше газовый и сцинтилляционный счетчики, позволяющие обнаружить ничтожное количество радиоактивных веществ и измерить даваемые ими излучения.

Рис. 14. Авторадиограмма листа

В некоторых случаях необходимо не только обнаружить радиоактивный изотоп и измерить активность, но и изучить распределение его в том или ином объекте. Если объект имеет большие размеры, для этой цели пользуются специальными приборами, если же размеры объекта невелики (отдельные органы и части органов животных, листья, корни и другие части растений и т. п.), прибегают к методике авторадиографии (рис. 14). Чтобы получить авторадиограмму, исследуемый образец в темном помещении прижимают к эмульсионному слою фотопластинки или фотопленки, которую проявляют через несколько дней. Места объекта, содержащие радиоактивные вещества, вызывают почернение расположенных рядом с ними участков пленки. Полученная таким образом авторадиограмма наглядно отображает распределение радиоактивного изотопа в исследуемом объекте.

Для проведения исследований этим методом необходимо затратить довольно много времени, но зато он дает наглядную картину распределения изотопа в том или ином участке организма. Точное место накопления радиоактивного изотопа можно установить методом микроавторадиографии. Чтобы удобнее было сравнивать авторадиограмму с самим объектом, поступают следующим образом. Тонкий срез исследуемого образца в темноте поливают жидкой фотоэмульсией. Эмульсия застывает, твердеет и в таком виде ее оставляют в контакте со срезом на несколько дней. После экспонирования

фотослой вместе со срезом помещают в проявитель, после чего их кладут под микроскоп. Рассматривая одновременно и срез, и его микроавторадиограмму, можно точно определить места локализации радиоактивного изотопа.

Радиоактивные индикаторы используются в опытах на животных. Если необходимо исследовать поведение какого-либо вещества в организме животного, вместе с пищей или же путем подкожного впрыскивания вводят определенное количество радиоактивного изотопа в смеси с нерадиоактивным изотопом этого же элемента. Через некоторое время, поднося счетчик излучения к той или иной части тела животного, определяют интенсивность излучения. Для определения содержания радиоактивного изотопа в крови у животного берут пробу крови. Чтобы получить более точное представление о распределении изотопа в отдельных органах и тканях, животное через определенный промежуток времени забивают и приготовляют препараты различных органов. Для уменьшения объема и веса препараты высушивают и озоляют в муфельной печи, а затем измеряют их активность.

Метод меченых атомов позволяет биологам и медикам изучить физиологические процессы в условиях эксперимента, наиболее приближающихся к тем, которые имеют место в неповрежденном организме.

Уже вскоре после применения этого метода были получены очень интересные и важные результаты. Новым явилось для биологов прямое доказательство постоянного и непрерывного обновления всех составных частей организма и та неожиданная быстрота, с которой совершаются процессы перемещения вещества, сложные процессы белкового обмена и обмен минеральных веществ.

Ничтожно малое количество радиоактивного вещества, не нарушающее равновесия между протекающими в теле процессами, легкость выявления и определения местоположения изотопа, возможность в некоторых случаях проведения исследований на живом организме обусловили успешное применение метода радиоактивных индикаторов почти во всех областях биологии. Полученные этим методом данные в настоящее время широко используются в медицине и сельском хозяйстве. Например, через четыре часа после подкожного введения крысам фосфора 18,6% его было найдено в костях, 15,4% - в мышцах и 0,16% - в мозгу. Установлено, что 30% фосфора, находящегося в скелете белых крыс, обновляется в течение одного дня.

Обмен азота в белке многих тканей (печени, почках, крови) на меченый азот происходит с большой быстротой и заканчивается на протяжении трех-четырех суток. В таких тканях, как мышцы, сердце, селезенка, обмен идет медленнее, но не дольше одной-двух недель.

Исследования, проведенные с радиоактивным кальцием, показали, что в костной ткани молодого животного концентрируется 90% введенного кальция, в то время как в кости старого поступает только 40%.

При введении беременным крольчихам радиоактивного железа, связанного с β-1 глобулином, через 17 час. третья часть железа была обнаружена в организме плода. При этом 1 г печени плода, где главным образом концентрируется железо, оказался в 120 раз активнее такого же количества печени матери.

В области физиологии метод меченых атомов дал возможность получить интересные данные относительно перемещения вещества через клеточные оболочки и мембраны и естественные границы между органами и тканями. Так, при помощи воды, меченной тритием, было установлено, что в течение одной минуты 70% воды, содержащейся в русле кровотока, выходит за его пределы и до 70% воды возвращается в этот же срок обратно. С большой скоростью происходит проникновение ионов натрия и калия из русла кровотока во внесосудистую жидкость организма, а ионов калия - и внутрь клеток. Ценные результаты были получены при изучении скорости проникновения вводимых в кровь веществ в спинномозговую жидкость.

Вводя в кровяное русло радиоактивный изотоп, можно определить скорость кровотока. Для этого нужно измерить время, необходимое для того, чтобы радиоактивный изотоп, введенный в вену одной конечности,- был обнаружен счетчиком у другой конечности.

Интересно, что при введении в организм здорового животного солей железа только незначительная часть их поглощается организмом. В том случае, когда животному предварительно было произведено кровопускание, почти все введенное в организм железо усваивается.

При изучении функции щитовидной железы с помощью радиоактивного йода установлено, что уже через несколько минут после введения в организм небольшого количества йодистого калия концентрация радиоактивного йода в щитовидной железе во много раз выше, чем в других органах, тканях и крови. В то же время способность избирательного поглощения йода щитовидной железой значительно изменяется в зависимости от ее функционального состояния. Это позволило разработать применяемые в клинике методы исследования функциональной деятельности щитовидной железы.

В области энтомологии практически важные результаты были получены при изучении дальности и путей миграции различных вредных насекомых, вопросов физиологии насекомых, их питания, механизма действия инсектицидов, переноса насекомыми болезнетворных грибков, бактерий, вирусов. Исследуемых насекомых (или их личинки) метили либо при кормлении, вводя вместе с пищей радиоактивный изотоп, либо путем обработки тела насекомых радиоактивными препаратами. Оказалось, что основная масса домашних мух, являющихся переносчиками таких заболеваний, как дизентерия, в населенных местах перемещается на расстояние до 1 - 2 км от места вылета, а иногда и на более далекие расстояния - до 10 км. С помощью меченных фосфором пчел изучался вопрос о переносе заболеваний пчел из одного улья в другой.

Широко используется метод меченых атомов и в исследованиях по сельскому хозяйству. А. Л. Курсанов, А. М. Кузин, Н. Г. Крюков с помощью радиоактивного углерода - 14 обнаружили новую функцию корневой системы - поглощение корнями углекислоты из почвы и передачу ее в зеленые части растений.

Использование изотопов углерода позволило также лучше изучить один из наиболее сложных биологических процессов - фотосинтез.и наметить пути управления им. Как известно, растения в течение дня "вдыхают" из воздуха углекислый газ и под действием света вырабатывают из него углеводы. Процесс этот, протекающий с участием зеленого красителя растений - хлорофилла, имеет огромное значение в развитии жизни на Земле. Практическое управление этим процессом и возможность осуществления его в искусственных условиях могли бы привести к тому, что человечество не зависело бы, как сейчас, от урожаев сельскохозяйственных культур.

Декабрьский Пленум ЦК КПСС 1963 г. рассмотрел вопрос об ускоренном развитии химической промышленности - важнейшего условия подъема сельскохозяйственного производства и роста благосостояния народа.

Увеличение производства минеральных удобрений дает возможность добиться устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур, повысить эффективность сельского хозяйства. Но для того чтобы минеральные удобрения давали наибольшую пользу, нужно уметь правильно их использовать, знать, когда, как и в каком количестве их следует применять. Тут может оказать огромную помощь работникам сельского хозяйства метод меченых атомов.

Путем введения радиоактивного изотопа фосфора - 32 в почву было установлено, что фосфор поступает в растения кукурузы через 2 мин., фасоли - через 5 и ячменя через 10 мин. после набухания семян. Следовательно, обмен веществ у растений с внешней средой начинается сразу же после того, как их семена набухнут или прорастут. Этим была обоснована необходимость внесения фосфорных удобрений в грядки под семена или совместно с семенами при посеве.

Тот же изотоп фосфор - 32 служит для установления коэффициента использования фосфора из удобрений, выбора способов внесения удобрений, оценки работы сельскохозяйственных орудий и машин для внесения удобрений. Применяя этот изотоп, а также радиоактивный углерод, удалось подтвердить выдвинутое советскими учеными положение о том, что основным местом синтеза сахарозы являются листья сахарной свеклы, а в корнях она только отлагается в запас, и что в повышении сахаристости свеклы важная роль принадлежит фосфатному питанию.

Изотопы хлор - 36 и натрий - 22 при решении задач мелиорации используются для изучения передвижения в почве воды и солевого режима почвы.

Целый ряд вопросов, связанных с удобрением почвы, нашел свое разрешение только с применением радиоактивных изотопов, потому что химическими исследованиями такие вопросы решить невозможно. Так, вносимые с удобрениями элементы фосфор, сера, калий всегда находятся в почве, поэтому химическим путем невозможно решить, откуда данный элемент поступает в растение - из удобрения или непосредственно из почвы. При использовании же меченых удобрений можно легко и быстро определить, как усваивает данное растение внесенное тем или иным способом удобрение.

Методом радиоактивных индикаторов было установлено, что хлопчатник, кукуруза, клевер усваивают фосфор лучше при местном введении удобрения, чем при разбрасывании. Картофель интенсивно использует фосфор удобрений в течение всего роста, кукуруза усваивает его особенно активно в ранние сроки вегетации, а соя почти весь нужный ей фосфор берет из почвы, несмотря на внесение большого количества удобрений. Исключительна роль метода радиоактивных индикаторов в изучении роли и значения микроэлементов в развитии сельскохозяйственных культур.

Микроэлементами называют такие элементы, которые поступают в организм в ничтожно малых количествах, но без которых невозможно его нормальное развитие. Медь, цинк, марганец, кобальт, молибден, бор находятся в почве в ничтожно малом количестве, а между тем их отсутствие вызывает заболевания растений. Многие растения обладают сильно развитым избирательным свойством в отношении микроэлементов. Некоторые элементы, присутствие которых не может быть определено в почве даже таким чувствительным методом, как спектральный анализ, накапливаются в растениях в сравнительно большом количестве. В зеленых огурцах обнаружено довольно много серебра, в чесноке - ванадия, в капусте - молибдена, циркония и др.

Таким образом, метод меченых атомов - весьма эффективное вспомогательное средство для изучения приемов улучшения питания сельскохозяйственных растений. Метод этот нашел применение и при изучении питания сельскохозяйственных животных. Так, использование радиоактивного углерода показало значение хлорофилла в питании животных. Оказалось, что углерод, входящий в состав хлорофилла, быстро включается в гемоглобин. Недостаток хлорофилла приводит к падению продуктивности, понижению способности к размножению, ослаблению сопротивляемости организма к заболеваниям. Радиоактивные индикаторы позволили изучить значение отдельных элементов кормов для животного организма. С помощью кобальта - 60 была установлена необходимость содержания в кормах кобальта, который в организме животных входит в состав витамина В₁₂.

Интересный пример использования методики меченых атомов - применение ее для определения эффективности искусственного разведения молоди промысловых рыб Волго-Каспийского бассейна.

В нашей стране большое внимание уделяется рыбному хозяйству. Один из способов увеличения количества рыбы в водных бассейнах - выращивание в специальных нерестово-вырастных хозяйствах мальков промысловых рыб с последующим выпуском их в реку. Проведенные с помощью меченых атомов исследования (выпускаемые мальки снабжались радиоактивной меткой и определялся процент меченых рыб ко всему количеству рыбы в реке) показали, что выпуск выращенной молоди леща в реку малоэффективен, так как подавляющее большинство мальков становится жертвой хищных рыб, и 96% всего поколения приходится на долю естественного размножения. Вместе с тем вывоз выращенной молоди в море на места нагула позволяет повысить ее выживаемость по сравнению с выживаемостью в реке в девять раз.

Большое значение для определения возраста различных биообъектов имеет методика определения возраста по радиоактивному углероду С¹⁴.

В земной атмосфере под действием космических лучей происходит непрерывное образование радиоактивного изотопа углерода - С¹⁴. Ежегодно таким путем образуется около 9,8 кг С¹⁴. Общее же количество С¹⁴, содержащегося в земной атмосфере, является постоянным, так как приток нового С¹⁴ компенсируется радиоактивным распадом уже имеющегося и составляет около 1 т. Соединяясь с кислородом, этот изотоп образует радиоактивный углекислый газ, который вместе с обычным углекислым газом поглощается растениями, а оттуда переходит и к животным.

Имеющиеся данные показывают, что за последние 20 тыс. лет отношение содержания радиоактивного углерода С¹⁴ к нерадиоактивному С¹² в атмосфере остается неизменным. Такое же соотношение устанавливается в результате непрерывно протекающих обменных процессов и в тканях растительных и животных организмов. В случае смерти организма обменные процессы прекращаются; новый радиоактивный углерод в организм не поступает, а старый постепенно распадается. Поэтому у мертвых растительных и животных организмов наблюдается непрерывное изменение соотношения С¹⁴ : С¹² за счет уменьшения количества радиоактивного углерода С¹⁴ (рис. 15). Так как период полураспада С¹⁴ составляет 5568 лет, то кусок кости мамонта, пролежавший в земле пять с половиной тысяч лет, будет содержать вдвое, а пролежавший одиннадцать тысяч лет - вчетверо меньшее количество С¹⁴ по сравнению с живущими организмами. Метод этот очень удобен для объектов, содержащих углерод и имеющих возраст от 2 до 50 тыс. лет.

Многие из читателей нашей книжки увлекались в свое время рассказом известного норвежского путешественника Тура Хейердала о его путешествии на Кон-Тики. Когда перед Хейердалом встал вопрос о возрасте каменных идолов на Маркизских островах, он воспользовался тем обстоятельством, что под некоторыми из них был обнаружен пепел костров. Пользуясь радиоуглеродным методом, он установил, что старейшие из проб пепла, взятых под идолами, относятся приблизительно к 1300 г., а, следовательно, к этому же периоду следует отнести установку идолов.

В настоящее время помимо углеродного разработаны методы определения возраста ископаемых останков, основанные на распаде иных радиоактивных элементов (калия, рубидия, урана и других). Такие "радиоактивные часы" позволяют уже определять возраст в миллионы лет. Таким образом был определен возраст останков, представленных на рис. 16.

Рис. 15. Зависимость удельной радиоактивности изотопа С¹⁴ от возраста образца (а - ж)

Нами перечислена только небольшая часть работ, которые выполнены с применением радиоактивных индикаторов в области биологии. Однако и сказанного достаточно, чтобы показать, какие широкие возможности открыл этот метод для исследователя-биолога. Несмотря на свою универсальность, метод меченых атомов не во всех случаях может помочь биологам в решении стоящих перед ними задач. Возьмем, например, такой случай. Ботаникам и специалистам по сельскому хозяйству очень важно изучить распространение пыльцы растений. Мечение пыльцы радиоактивными элементами требует значительного количества этих элементов, это представляет собой опасность в отношении загрязнения местности и повышения радиоактивного фона, что, конечно, недопустимо. Как быть? Тут на помощь меченым атомам пришел новый метод исследования, получивший особое распространение в последние 5 - 10 лет, - радиоактивационный анализ.

Рис. 16. Ископаемые останки доисторического млекопитающего арсин-териума (а) и крылатого ящера птеродактиля (б), возраст которых (40 и 160 млн. лет) определен с помощью 'радиоактивных часов'

Метод этот основан на изучении наведенной радиоактивности, возникающей в исследуемом объекте при облучении его нейтронами. Нейтроны, как уже об этом было сказано выше, представляют собой частицы, не обладающие электрическим зарядом. Благодаря этому на них не действуют электрические силы, существующие внутри атома, и они легко проникают в ядра атомов. При этом происходят ядерные реакции, в результате которых атомы становятся радиоактивными. Полученные радиоактивные изотопы различаются друг от друга по энергии квантов и частиц, а также по периодам полураспада. Определив с помощью специального прибора (спектрометра) энергию квантов излучения образовавшегося радиоактивного изотопа и измерив период полураспада, можно установить, какому элементу (или каким элементам) принадлежит это излучение и, таким образом, узнать химический состав облученного образца.

Наиболее удобный для данной цели источник нейтронов - ядерный реактор, внутри которого интенсивность потока нейтронов доходит до 10¹³ - 10¹⁴ нейтронов на 1 см² в секунду. При проведении радиоактивационного анализа исследуемый объект помещают в специальном канале, имеющемся для этой цели в защите реактора, поближе к его активной зоне.

Основное преимущество радиоактивационного анализа - очень высокая чувствительность. Для ряда элементов, например для мышьяка, марганца, ртути, меди, цинка, хрома, фосфора и других, она настолько высока, что эти элементы могут быть обнаружены в количестве 10^-10 г, а диспрозий и европий обнаруживаются даже - 10^-12 г. Это во много раз превосходит чувствительность спектрального анализа.

Активационный анализ явился ценным дополнением к методу меченых атомов. В приведенном выше примере с пыльцой растений поступили таким образом - пыльцу пометили ничтожными количествами стабильного изотопа. В таком виде она не представляла собой никакой опасности. Затем из ряда мест, где предполагалось наличие пыльцы, брали образцы. Их помещали в ядерный реактор, после чего исследовали излучение образовавшихся радиоактивных изотопов. Таким образом, можно было определить наличие или отсутствие в данном образце элемента, использованного для метки.

В настоящее время радиоактивационный анализ широко используется в биологии для решения самых разнообразных задач. Этим методом определено содержание микроэлементов (т. е. элементов, присутствующих в ничтожных количествах) в различных тканях и жидкостях организма человека и животных. Как показывают данные современной науки, микроэлементы, несмотря на небольшое количество, играют огромную роль в жизни человека, животных и растений. Радиоактивационным методом было определено содержание йода в крови нормальных людей и людей, страдающих расстройствами щитовидной железы.

Эффективным оказалось применение радиоактивационного анализа в токсикологии для обнаружения ничтожных следов ядов в организме. Так, при отравлениях мышьяком он легко, обнаруживается этим методом в волосах и ногтях, причем для исследования достаточно взять сотые доли грамма волос и ногтей. Если исследовать распределение наличия мышьяка по длине волоса, то, учитывая скорость роста волос, можно установить даже время отравления.

Так, проведенное расследование обстоятельств смерти Наполеона в 1821 г. показало, что содержание мышьяка в его волосах в 13 раз превосходило норму. Тщательные измерения, проведенные вдоль волоса (длина волос составляла 13 см), привели к выводу о том, что мышьяк вводился небольшими дозами в течение четырех месяцев.

Этим же методом была проверена историческая версия об отравлении ртутью шведского короля Эрика XIV в. 1568 г. При исследовании останков в них была обнаружена ртуть.

Ни для кого не секрет, что секс с шлюхами может лестно сказаться на всех аспектах существования. На веб-сайте http://tumen.prostitutkica.com вы можете найти себе самых престижных шлюх со всего города . | Бесчисленные молодые люди в сексе избирают красивых шлюх азиаток из-за того, что у них весомые черты лица и небольшое тело. На этом веб-сайте http://chelyabinsk.prostitutkica.com/nationality/aziatki/ вы можете осведомиться с перечнем шлюх. | Вы безбрачны или ваша вторая девушка не расправляется с неординарными исполнениями в сексе? Они симпатичные индивидуалки 2020 во всеоружии охватить любое ваш позыв и раздарить вам соблазнительный трах.