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

6. Особливості використання стабільних ізотопів

З зв'язку зі значно нижчою чутливістю методу можливості зас­тосування в ролі мітки стабільних ізотопів в агробіологічних дослі­дженнях, як, до речі, і в багатьох інших, більш обмежені у порівнянні з радіоактивними ізотопами. Проте, стабільні ізотопи як індикатори можна застосовувати для вирішення практично всіх завдань, в яких використовуються радіоактивні ізотопи, хоча, як правило, з меншим успіхом і точністю.

Початкові стадії методик із застосуванням стабільних ізотопів не відрізняються від тих, де використовуються радіоактивні ізотопи. Специфіка методу проявляється лише на заключних етапах кількісного аналізу проб. Цей аналіз прово­дять на мас-спектрометрах - приладах, які призначені для розділення речовини за масами атомів і молекул. Принцип робо­ти мас-спектрометра оснований на дії магнітних і електричних по­лів на іонізовані пучки частинок у вакуумі з наступ­ним їх сортуванням за атомними масами.

Із згаданих на початку підрозділу стабільних ізотопів найбільш широко використовуваним в агрофізіологічних та агрохімічних дослідженнях є ізотоп азоту ¹⁵N. Роботи з ним ведуться за такими основними напря­мками: вивчення швидкості поглинання рослинами вільного азоту та азоту, що входять до складу різних азотистих сполук, в тому числі і добрив; визначення здатності до фіксації атмосферного азоту у різних видів рослин та вивчення швидкості процесів обміну азотистих сполук в рослинах.

В галузі агрохімії і ґрунтознавства використання ¹⁵N спри­яло значному поширенню і поглибленню уявлень про трансформацію в ґрунті азоту самого ґрунту та азоту добрив, які в нього вносяться, зокрема, про суть процесів мобілізації та іммобілізації ґрунтового азоту, роль окремих видів мікроорганізмів при цьому. Застосування ¹⁵N в дослідах по живленню і обміну речовин в рослинах сприяло відкриттям, які дозволили проникнути в суть ме­ханізму початкових процесів засвоєння азоту і з'ясувати важливі сторони взаємодії між азотним живленням, фотосинтезом, забезпеченістю рослин іншими мінеральними елементами.

При цьому переваги прийомів і методів дослідження азоту на основі  ізотопу ¹⁵N у порівнянні зі звичайними хімічними та агрохімічними настільки очевидні і загальновідомі, що важко зрозуміти, чому до тепер так обмежено використовуються. Відомий спеці­аліст в галузі використання цього ізотопу при роботі з рослинами американський агрохімік Р.Мак-Вікар відмічає, що  головна причина цього полягає в утрудненості визначення вмісту ¹⁵N в будь-якому об'єкті, так як з цією метою доводися вимірювати співвідношення молекулярних мас ¹⁵N і ¹⁴N  на  дорогих і складних в експлуатації  приладах – згаданих  мас-спектрометрах.

В чому ж полягають особливості застосування стабільних ізо­топів, зокрема ізотопу ¹⁵N, у порівнянні з радіоактивними?

Відомо, що природний азот складається з двох стабільних ізо­топів – ¹⁴N (99,63 %) та ¹⁵N (0,37 %). Живі організми не проявляють вибірковості у відношенні їх асиміляції, завдяки чому ¹⁵N може бути застосований в сполуках, що містять його до 60 %. Ступінь збагачення міченої сполуки ізотопом ¹⁵N характери­зується величиною, яка являє собою різницю (в атомних процентах) між вмістом ¹⁵N в цій міченій сполуці та його вмістом в природній суміші ізотопів азоту. Цю величину називають надлишком атомного проценту ¹⁵N. Так, наприклад, якщо вміст ¹⁵N у якій-небудь міченій сполуці дорівнюватиме 0,48 %, то надлишок атомного проценту складе 0,48 - 0,37 = 0,11.

Мас-спектрометричному аналізу піддають аналізу суміш ізотопів у газоподібному стані. Для цього досліджуваний матеріал спалюють за загально відомим методом Кьєльдаля, а одержаний із сірчанокислого амонію аміак окислюють у вакуумі гіпобромітом до вільного азоту. Найменший надлишок атомного проценту, який можна виявити в пробі, складає 0,01-0,02, що відповідає приблизно 0,1-0,2 мкг ¹⁵N в 1 мл азоту за нормальних умов. Це досить висока точність.

І все ж таки, чутливість методу ізотопних індикаторів з використанням стабільних ізотопів не йде ні в які порівняння з чутливістю методу з використанням радіоактивних ізотопів. Якщо для першого межа точності оцінки вмісту ізотопу в зразках складає 10^-4-10^-6 %, то за допомогою дру­гого можна фіксувати випромінювання ізотопу при кількості його в пробі в залежності від типу ізотопу 10^-11-10^-19%. Тому не дивно, що при можливості вибору дослідники завжди віддають перевагу методу радіоактивних ізотопів. На превеликий жаль, у випадку з азотом такого вибору немає.

В цілому ж з усією впевненістю можна констатувати, що завдяки широкому застосуванню методу ізотопних індикаторів як з використанням радіоактивних, так і стабільних ізотопів за останні десятиліття докорінно змінився експериментальний рівень багатьох біологічних дисциплін. Метод надзвичайно прискорив і поглибив процес пізнання основних закономірностей життя. Саме завдяки йо­му отримали потужній поштовх до розвитку такі області біологіч­ної науки, як молекулярна і клітинна біологія, молекулярна гене­тика, клітинна інженерія, біохімія, фізіологія та багато інших.

В радіобіології мічені атоми давно стали ефективним інструментом для вирішення багатьох важливих проблем. За допомогою ізотопів вивчаються порушення процесів метаболізму при радіаційному ураженні та променевій хвороби, закономірності кінетики клітин в уражених критичних органах, механізмі дії різних радіомодифікуючих агентів, хід процесів післярадіаційного відновлення та багато інших.

Але цілком впевнено можна сказати, що і зараз далеко не досягнуті, а часом ще і не визначені межі застосування методу ізотопних індикаторів.  Йому, особливо у поєднанні з іншими прийомами і методами, підкоряються все нові й нові області досліджень. Унікальним і чудовим   методом озброїла ядерна фізика біологів.