Л.И. Баюров
Курс лекций по сельскохозяйственной радиологии
Учебное пособие. – Краснодар: КубГАУ, 2009. – 112 с.
Лекции 11-12. Использование ионизирующего излучения в растениеводстве и животноводстве
3. Радиоактивные индикаторы в физиологии и биохимии растений и животных
Каждый радиоактивный атом, подвергаясь радиоактивному
распаду, как бы помечен склонностью к неизбежному распаду. Такая «метка»,
отличающая подобный атом от стабильных атомов данного или другого элемента, и
послужила причиной введения в науку термина «меченый атом».
Метод меченых атомов был впервые предложен в 1913 г. венгерским радиохимиком Дьёрдем Хевеши (Нобелевская премия по химии, 1943) и
немецким ученым Фридрихом Панетом.
В 1923 г. Д.Хевеши сообщил, что с помощью радия и
тория ему удалось проследить распределение свинца в растениях. Далее он
продолжил свои исследования и на животных – это было первое применение
радиоактивных индикаторов в биологии.
Хевеши впервые применил Р32 для изучения
фосфорного метаболизма у крыс, а потом использовал и многие другие изотопы для
исследования биологических объектов.
Изучение искусственной радиоактивности редкоземельных
элементов привело Д. Хевеши к идее создания одного из самых чувствительных
методов анализа - радиоактивационного.
Широкое использование радиоактивных индикаторов стало
возможным благодаря развитию ядерной техники, позволившей получать изотопы в
больших количествах. Метод меченых атомов является в настоящее время самым
чувствительным. Он позволяет определить в элементах биосферы до 1017 г
элемента, тогда как спектральный анализ имеет предел измерения до 10-8 г, а
люминесцентный – до 10-11 г.
Таким образом, меченые атомы, а точнее радиоактивные
индикаторы, играют роль указателей или сигналов, свидетельствующих о
присутствии в исследуемом субстрате ультрамалых количеств данного радионуклида,
недоступных определению иными методами.
Установлено, что меченые атомы при введении в организм
распространяются и депонируются в тех же органах, что и стабильные изотопы
данного элемента. Они же имеют те же и пути выведения из организма. Это
обстоятельство позволяет проследить судьбу не только радиоизотопов, но и
различных частей меченых молекул органических и неорганических соединений и
контролировать их превращение в ходе обмена веществ.
Пригодность радиоизотопов для использования в качестве
индикаторов зависит от ряда факторов: скорости их радиоактивного распада, его
типа и энергии излучаемых частиц. Наиболее удобными для применения оказались
радионуклиды, излучающие ß-частицы максимальной энергии (водород-3,
углерод-14, фосфор-32, сера-35, кальций-45, железо-59, цинк-65 и калий-42).
Метод радиоактивных индикаторов дал возможность определить
не только содержание макро- и микроэлементов в отдельных частях живого
организма, но и проследить за поступлением, перемещением и депонированием
меченых радиоизотопами веществ в растущем организме.
В растениеводстве, например, этот метод был применен для
изучения хода метаболизма у привитых растений. В частности было установлено,
что в процессе взаимодействия привоя и подвоя фосфор передвигается в обоих
направлениях в зависимости от возраста привитых растений и их отдельных
органов.
Радиоактивные индикаторы широко используются для изучения
взаимодействия удобрений с почвой, поступлением питательных веществ и их
участием в метаболизме в ходе различных физиологических и биохимических
процессов. Так, например, благодаря этому методу было доказано, что глубина
заделки суперфосфата влияет на снабжение растений фосфором: при неглубокой
заделке утилизация растениями фосфора происходит только в начальный период
вегетации, а при глубокой - в течение почти всего ее периода.
Применение изотопа С14 дало возможность глубоко
изучить химизм процесса фотосинтеза, последовательность биохимических реакций,
в ходе которых происходит усвоение углерода и образование органических
соединений, дающих материал для синтеза всех веществ, из которых строятся ткани
растений, и формируется урожай.
С помощью меченых атомов стало возможным изучить динамику
физиолого-биохимических процессов в растении, обновление состава различных
органических и неорганических соединений в таких условиях, когда, вследствие
синхронно идущих процессов анаболизма и катаболизма, обычные химические методы
не в состоянии выявить эту динамику.
Для изучения использования растениями различных форм азота
из удобрений, закрепления этого элемента в почве, его потерь в виде газов или
растворах с грунтовыми водами, применяют удобрения, обогащенные стабильными
изотопами стабильных элементов.
Использование радиоактивных изотопов С14 и N15 позволило глубже понять процесс разложения
органических веществ в почве: внесенная в почву свежая органическая масса
ускоряет разложение органического вещества гумуса и его обновление, повышая тем
самым плодородие почвы. Или еще один пример: метод меченых атомов позволил
выяснить, что фосфорные удобрения усваиваются картофелем в течение всей вегетации,
кукурузой только в ее начале, а табаку они вообще не нужны.
В ветеринарии и животноводстве в настоящее время
радиоактивные изотопы используются:
1) в качестве индикаторов при изучении промежуточного
обмена, процессов усвоения составных частей кормов животными, путей синтеза в
организме белков, жиров, углеводов, процессов образования молока, яиц, шерсти и
т.д.;
2) при изучении обмена минеральных веществ и особенно
кальция, фосфора, йода, различных микроэлементов в организме животных при
различных физиологических состояниях, а также при болезнях (рахит, остеомаляция
и др.);
3) для изучения механизма действия лекарственных
веществ при разработке новых методов лечения животных;
4) для изучения функций эндокринных желёз у
сельскохозяйственных животных при различных физиологических состояниях.
По всем указанным направлениям интенсивно ведутся
научно-исследовательская работа, разрабатываются конкретные методы применения
радиоизотопов в физиологии, биохимии и клинике для изучения нормального и
патологического состояния организма.
Применение радиоактивных индикаторов разрешило многие
теоретические вопросы промежуточного обмена веществ в организме животных. Так,
обоснованы теории образования мочевины в организме, а также пуриновых
оснований, бета-окисления жирных кислот и др. Доказаны пути образования
кетоновых тел, синтеза гликогена в печени и мышцах, механизм анаэробного и
аэробного гликолиза, пути синтеза белков печени, синтеза жиров при участии
низкомолекулярных летучих жирных кислот и многое другое.
Исследования, проведённые с применением меченых атомов,
показали, что содержащийся в организме животного запасный жир является не
малоподвижным, как считалось ранее. Жиры подвижны и обновляются с высокой
интенсивностью. Точно также считалось, что белки тканей и клеток организма
относительно долговечны, что в процессе жизнедеятельности тратятся, главным
образом, пищевые белки, а белки тканей и органов тратятся в меньшей степени. В
связи с этим в науке установилось представление о существовании так называемого
экзогенного и эндогенного обмена белков. Радиоизотопные методики показали
полную несостоятельность такого представления.
Исследованиями с применением изотопных методов установлено,
что в организме животного обратимо совершается постоянный обмен белков между
кровью и тканями без предварительного их распада до аминокислот. Этими данными
обосновано совершенно новое представление о быстрой обновляемости и подвижности
белков организма.
Для ветеринарных врачей и зоотехников большое значение
приобрели исследования с применением радиоизотопного метода при изучении
минерального обмена в организме растущих и высокопродуктивных животных.
Радионуклиды используют при изучении процессов поглощения
пищи, ускорения тех или иных её компонентов. Недостаток тех или иных её
компонентов может привести к снижению продуктивности скота. Радионуклиды
позволяют своевременно диагностировать нарушения в метаболизме, установить, что
необходимо добавлять в кормовые рационы.
В последние годы успешно применяются радиоиммунологические
методы анализа. Создание радиоиммунологического метода в 1960 г. (Yalow, Berson) – одно из наиболее важных
достижений в развитии биологических методов исследования за последние
десятилетия. Радиоиммунный анализ как метод выявления антигенов и
антител основан на определении комплекса «антиген-антитело» за счет введения в
один из компонентов реакции радиоактивной метки с последующим ее
детектированием.
Для метки антител или антигенов чаще всего используется
изотоп I125, который имеет период полураспада 60 дней и высокую
удельную радиоактивность. Измерение радиоактивной метки, т. е. излучения,
проводится на специальных счетчиках-радиоспектрометрах.
Вместе с родственными методами радиоиммунологический метод
произвёл революцию в такой важной области, как эндокринология, и оказывает
преобразующее влияние на развитие гематологии, фармакологии, а также
приобретает большое значение для ранней диагностики многих заболеваний
животных.
|