10.3. МЕТОД ІЗОТОПНИХ ІНДИКАТОРІВ У ДОСЛІДЖЕННЯХ В ГАЛУЗІ БІОЛОГІЇ ТА ЕКОЛОГІЇ

1. Суть методу

Одним з шляхів практичного використання досягнень ядерної фізи­ки в різних галузях господарства і науки є використання методу ізотопних індикаторів, або, як ще його називають, методу мічених атомів.

Міченими атомами називають ізотопи, котрі, відрізняючись по масі від атому елемента, можуть використовуватись як мітка (індикатор) при вивченні найрізноманітніших процесів розподілу, переміщення і перетворення речовин у скільки завгодно складних системах, в тому числі і в живих організмах.

Як мітку - ізотопний індикатор використовують не тільки ра­діоактивні, а і стабільні ізотопи. Але при використанні радіоактивних ізотопів певне значення може мати біологічна дія їх іонізуючих випромінювань. Тому метод ізотопних індикаторів базується на двох положеннях:

- хі­мічні властивості різних ізотопів одного елемента практично однако­ві, завдяки чому їх поведінка в процесах, які вивчаються, не відрізняється від поведінки інших атомів того ж елементу;

- радіоактивні ізотопи у кількостях, що застосовуються у якості мітки, не чинять біологічної дії на живі організми.

Багато радіологів вважають, що метод ізотопних індикаторів не належить безпосередньо до кола інтересів радіобіології. І взага­лі з цім можна погодитись. Але не можна не враховувати, що своїм народженням цей метод, як і радіобіологія, завдячує відкриттю яви­ща радіоактивності, відкриттю саме радіоактивних ізотопів, котрі набагато частіше, ніж стабільні, використовуються як мітка.

Більш того, угорський хімік Д.Хевеші та німецький хімік Ф.Панет, які винайшли і запропонували цей метод в 1913 році, вперше застосували його саме в біологічних експериментах. І з того часу наука про дію іонізуючих випромінювань на живі організми і вчення про використання радіоактивних ізотопів в біології ідуть паралельно. Не випадково багато авторів, розглядаючи проблему використання до­сягнень ядерної фізики і радіобіології в сільському господарстві, поряд з радіаційно-біологічними технологіями як самостійний напря­мок або окремий підхід виділяють використання методу ізотопних індикаторів в дослідницьких та прикладних роботах в галузі як рослин­ництва, так і тваринництва.

Саме тому знайдено доцільним включен­ня глави про цей метод в підручник по радіобіології для агрономічних спеціальностей. Тим більше, що агроному-науковцю, особливо спеціалісту в галузі агрохімії, ґрунтознавства, захисту рослин, фізіології рослин нерідко приходиться використовувати його в своїй роботі для вирішення найрізноманітніших завдань. Не випадково саме з курсом "Застосування ізотопів в сільському господарстві” в свій час прийшла радіобіологія як дисципліна у вищий аграрний заклад освіти.

Але, звичайно, використання методу ізотопних індикаторів не обмежується інтересами радіобіології і навіть біології в цілому. Важко назвати напрямок в природничих науках і сферу в галузі господарства, де б він в наш час не застосовувався. Він використову­ється у медицині і медичній промисловості, хімії і хімічній проми­словості, геології, фізиці, металургії, матеріалознавстві, археоло­гії. Широкого застосування метод набув у сільському господарстві для оцінки фізичних властивостей ґрунту і запасів в ньому елементів жив­лення, для вивчення взаємодії ґрунту та добрив, процесів засвоєн­ня рослинами елементів живлення з ґрунту і добрив, позакореневого надходження в рослини елементів, для виявлення дії на рослинний організм пестицидів, вивчення особливостей обміну речовин сільсь­когосподарських рослин. Застосовуючи метод ізотопних індикаторів, досліджують найважливіші  властивості польових і плодових рослин – ріст і розвиток, особливості окремих процесів обміну, стійкість до різних несприятливих факторів навколишнього середовища, продуктивність.

В тваринництві за допомогою цього методу вивчають фізіологі­чні процеси, що протікають в організмі тварин, проводять аналіз корму на вміст токсичних речовин, малі кількості яких важко, а іноді і неможливо визначити за допомогою інших методів, використову­ють його для вивчення міграції комах-шкідників сільськогосподар­ських рослин і переносників хвороб сільськогосподарських тварин, поведінки бджіл, оцінки рибних запасів місцевих водоймищ, а також в багатьох інших сферах сільськогосподарського виробництва.

Слід підкреслити, що чутливість методу ізотопних індикаторів, особливо це стосується використання радіоактивних ізотопів, надзвичайно висока. Вона на багато порядків перевищує чутливість хімічних та інших фізичних методів. Саме тому завдяки методу мічених атомів вдалося вирішити багато завдань, котрі принципово неможливо було вирішити за допомогою інших підходів.

В агрохімічних та фізіологічних дослідженнях найчастіше використовують такі ізотопи: стабільні – ²Н, ¹³С, ¹⁵N, ¹⁸О та радіоактивні (в дужках вказаний тип випромінювання та період піврозпаду) – ³Н (бета-, 12,26 року), ¹⁴С (бета-, 5730 років), ²²Na (гамма-, 2,64 року), ³²Р (бета-, 14,3 доби), ³⁵S (бета-, 87 діб), ⁴²К (бета-, гамма-, 12,5 год.), ⁴⁵Са (бета-, 152 доби), ⁵⁹Fe (бета-, гамма-, 45,1 доби), ⁶⁰Со (бета-, гамма-, 5,27 року), ⁶⁵Zn (гамма-, 250 діб), ⁸⁶Rb (бета-, гамма-, 19,5 доби).

Так звану ізотопну сировину - речовину, що складається з чис­того ізотопу, одержують шляхом послідовних складних операцій, які мають назву „ізотопного розділу” на спеціальних розподільних прис­троях. З їх допомогою в наш час звичайно отримують стабільні ізо­топи. Що стосується радіоактивних ізотопів, то їх одержують або шляхом опромінення нерадіоактивних речовин в атомних реакторах і прискорювачах заряджених частинок (по аналогії з ⁶⁰Co для опромінюючих пристроїв, про що коротко розповідалось в попередньому розділі цієї гла­ви), або шляхом хімічного виділення з суміші відходів ядерного палива (по аналогії з ¹³⁷Cs ).

Мічені сполуки - це хімічні речовини, в яких атоми одного елемента, іноді декількох елементів, мають ізотопний склад, що відрізняється від природного. Мічені сполуки одержують за допомогою трьох основних методів: хімічного синтезу, ізотопного обміну (іноді їх об’єднують під загальною назвою – хімічний шлях) та біологічного синтезу (біологічний шлях).

 Хімічний синтез, як правило. здійснюється за допомогою звича­йних методів препаративної хімії. Але на певному етапі синтезу до складу реакційних компонентів замість звичайного елементу включа­ється потрібний ізотоп.

Ізотопний обмін - це хімічний процес, який полягає в перероз­поділі ізотопів якого-небудь елемента між реагуючими речовинами. При ізотопному обміні відбувається заміщення одного ізотопу елемен­та на інший в молекулі речовини без зміни їх елементарного складу. Наприклад:  ⁴²КСl + NaOH = ⁴²KOH + NaCl

Мічені високомолекулярні сполуки біологічного походження, такі як нуклеїнові кислоти, білки, ферменти, деякі амінокислоти, гормони, вітаміни та інші, хімічний синтез яких ускладнений або не можливий і котрі не завжди вступають в реакції ізотопного обміну, отримують шляхом культивації різних організмів іn vivo або in vitro на середовищах, що містять ізотоп, або введення ізотопу в організм за допомогою яких-небудь інших методів, з наступним препаративним виділенням цих сполук. Таким способом далеко не завжди вдається отримати мічену сполуку з досить високим вмістом ізотопу (високою питомою активністю ізотопу), але нерідко цей шлях є єдиним можливим для отримання міченої речовини біологічного походження.