ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Метод меченых атомов при изучении питания растений и действия минеральных удобрении из "Химия в сельском хозяйстве" Классик естествознания и выдающийся деятель научной агрономии Климент Аркадьевич Тимирязев справедливо считал важной задачей сельского хозяйства выращивание двух колосьев там, где до сих пор получали один. Он неоднократно подчеркивал, что разрешение этой задачи теснейшим образом связано с познанием условий питания культурного растения и возможно строгим соблюдением правильного режима питания на практике. [c.196] Питание растений представляет собой сложнейшее явление, при котором одновременно протекают процессы поступления и выделения веществ, их синтеза, распада, взаимодействия. Исследователь часто становится в тупик перед этим необъяснимым с первого взгляда переплетением реакций, происходящих в растении. [c.196] Как известно, питание растения осуществляется за счет почвы и атмосферы, а почва представляет собой едва ли не самое сложное из всех природных тел. Многие ученые давно уже мечтали о том, чтобы каким-то образом пометить отдельные атомы и при помощи такой метки следить за передвижением и участием в биологических процессах химических соединений, имеющих жизненно важное значение для растительного организма. Долгое время такая мечта казалась несбыточной фантазией. Ее осуществлению способствовали успехи в развитии ядерной физики. В настоящее время не представляет особых затруднений получение меченых минеральных и органических веществ, которые могут быть введены через корни и листья в растения. [c.196] Схема строения атомов. [c.197] Каково же по современным данным науки строение атома Кратко его можно изложить так. Каждый атом состоит из ядра, находящегося в центре, и вращающихся вокруг него по определенным орбитам более мелких частиц — электронов. В ядре сосредоточен положительный электрический заряд атома электроны несут отрицательный заряд. Наиболее просто устроен атом водорода в его ядре имеется один положительный заряд и вокруг ядра вращается один электрон. Все другие элементы имеют более сложные атомы в их ядре сосредоточено несколько положительных зарядов или даже несколько десятков их, а у отдельных элементов даже более ста таких зарядов. Возрастает соответственно и число вращающихся по орбитам вокруг ядра электронов. [c.197] Из чего же состоит ядро атома В ядре имеются частицы, несущие положительный заряд, названные протонами. Величина заряда каждого протона равна величине отрицательного заряда электрона. Из этого вытекает, что в ядре должно быть столько протонов, сколько есть электронов во внешней оболочке атома. Но в ядре присутствуют не только протоны. У всех элементов, за исключением водорода, ядра имеют наряду с протонами еще и нейтроны. Нейтроны по массе почти равны протонам, но они не несут электрического заряда, являясь, следовательно, нейтральными частицами. [c.198] Чтобы изменить свойства атома, превратить его в атом другого элемента, необходимо прибавить или убавить содержание в его ядре протонов или нейтронов. Современная техника располагает такими средствами. При этих ядерных реакциях выделяется много энергии, которая получила название атомной. Одновременно с выделением энергии при ядерных реакциях излучаются характерные частицы или лучи, а само явление носит название радиоактивного распада. [c.198] В природе имеются некоторые химические элементы, получившие наименование радиоактивных к ним относятся уран, торий и др. Они постепенно распадаются, то есть превращаются в другие элементы, выделяя много энергии и характерные излучения. Однако подавляющее большинство химических элементов относится к числу стабильных, то есть не распадающихся самопроизвольно. [c.198] Как было уже указано, наряду со стабильными изотопами некоторые химические элементы в природе представлены и радиоактивными, то есть постепенно распадающимися изотопами. Калий, например, имеет два стабильных изотопа и один радиоактивный. Обнаружение радиоактивных изотопов несравненно проще, че м стабильных, благодаря выделению некоторых частиц или лучей. Эти частицы и лучи точно улавливаются и отсчитываются приборами — радиометрами. По характеру излучения можно определить не только самый факт наличия радиоактивного изотопа в исследуемом веществе, но и узнать, сколько данного изотопа в единице веса этого вещества. Это дало возможность применять исключительно чувствительный и точный метод анализа и не только в институтах, но и на заводах и фабриках. [c.200] Агрономическая наука обрела в методе радиоактивных изотопов важное средство для из чения сложнейших явлений питания растений, взаимодействия почвы и растения, удобрения и почвы и пр. Сделаны успешные попытки воздействовать радиоактивными изотопами на растения при выведении новых сортов, усилении роста. [c.200] Какие же излучения выделяются при распаде радиоактивных изотопов Известны три таких излучения 1) альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов каждая и являющиеся ядрами атомов элемента гелия, 2) бета-частицы, представляющие собой поток электронов и 3) гамма-лучи, характеризующиеся той же природой, что и обычные световые лучи, но невидимые вследствие несравненно более короткой волны. [c.200] Гамма-лучи легко проникают через бумагу, дерево и способны даже пройти сквозь свинцовую пластинку в несколько сантиметров толщиной. Поэтому эти лучи опасны для живых существ. [c.201] Альфа-частицы вылетают со скоростью до 17 тыс. км в секунду, но, будучи довольно тяжелыми, быстро теряют скорость и успевают пройти в воздухе только 7— 10 см. Пластинка из алюминия толщиной 0,05 мм их задерживает. Следовательно, от этих частиц легче изолироваться, чем от бета-частиц и особенно гамма-лучей. [c.201] Ранее уже отмечалось, что естественных радиоактивных изотопов немного, поэтому, располагая только ими, невозможно было широко применять метод меченых атомов. Коренным образом дело изменилось лишь после открытия в 1934 г. супругами Ирен и Фредериком Жо-лио-Кюри способов искусственного получения радиоактивных изотопов. Достигается это при помощи бомбардировки ядер атомов альфа-частицами, нейтронами или тяжелыми изотопами водорода (с атомным весом 2). Попадая в ядра бомбардируемых атомов, эти снаряды выбивают из них нейтроны или альфа-частицы, что приводит к изменению атомного веса и более или менее быстрому распаду вновь образованного радиоактивного изотопа с выделением соответствующего излучения. Так, бомбардируя альфа-частицами ядра атомов алюминия, получают радиоактивный изотоп фосфора, который, в свою очередь, после излучения бета-частиц переходит в изотоп кремния. В настоящее время получены радиоактивные изотопы всех известных в природе химических элементов, причем на каждый элемент приходится по нескольку искусственных изотопов. Природных элементов насчитывается около 100, а искусственных изотопов получено более 800. [c.201] При этом важно, однако, иметь в виду, что живой организм не различает стабильного и радиоактивного изотопов того же химического элемента в том случае, если количество радиоактивного изотопа ничтожно мало. Радиоактивные излучения отнюдь не безразличны для живых существ. Эти излучения после некоторых и притом небольших пределов могут вызывать весьма нежелательные последствия, которые принято называть лучевой болезнью последствия лучевой болезни могут проявиться не только на данной особи, но и на ее потомстве. Все это заставляет работу с радиоактивными изотопами проводить в условиях строгого контроля, чтобы исключить возможность причинения вреда для здоровья работающих. Наоборот, работа со стабильными изотопами совершенно безопасна для того, кто ею занят, и для тех живых объектов (например, растений), с которыми она проводится. [c.202] Подобным образом используют и тяжелый стабильный изотоп кислорода 18 (обычный легкий изотоп кислорода имеет атомный вес, равный 16). Применение его по-иному осветило основной процесс, идущий в зеленом растении (усвоение углекислого газа) за счет энергии солнечных лучей. [c.203] Применяя радиоактивные изотопы, приходится считаться с продолжительностью их существования, так как рано или поздно все радиоактивные изотопы полностью распадаются, переходя в другие элементы. Характерной особенностью радиоактивных изотопов является период полураспада, то есть время, в продолжение которого перестанет существовать половина имеющегося в данный момент числа атомов радиоактивного изотопа во взятой пробе вещества. Период полураспада у радиоактивных изотопов различных химических элементов колеблется от долей секунды до многих миллионов лет. Приведем несколько примеров искусственных радиоактивных изотопов тех элементов, которые безусловно необходимы для нормального питания и жизни растений (табл. 23). [c.203] Как и стабильные, радиоактивные изотопы вводят в соли, которыми растения питаются, а затем следят при помоши приборов за дальнейшей судьбой их в организме. [c.204] Что нового внесло применение меченых атомов в науку о питании растений и использовании удобрений Прежде всего надо отметить, что при помощи тяжелого изотопа кислорода 18 доказана неверность существовавших долгое время представлений о ходе фотосинтеза в зеленых растениях. Более 100 лет в науке считали, что под влиянием энергии солнечных лучей в зеленом пигменте — хлорофилле происходит распад поступившего через устьица углекислого газа на углерод и кислород (СОг—+ Ог), причем кислород выделяется обратно в атмосферу, а углерод присоединяется к воде, давая начало простейшему органическому веществу — формальдегиду (С НгО = СНгО). Уплотнение шести молекул формальдегида приводило, согласно предположению, к возникновению простого сахара (бСНгО— СбН120б). [c.204] Не подтвердилось и предположение, согласно которому первичным продуктом фотосинтеза в растениях является формальдегид. Применяя тяжелый азот, радиоактивный углерод и радиоактивный фосфор, ученые показали, что надо отказаться от мысли об одном единственном продукте начального фотосинтеза. Уже в первые секунды после начала освещения растения в зеленых частях его появляются сахара, органические кислоты, аминокислоты, белки и даже жиры, то есть все основные составные части того органического комплекса, ради которого возделывают растения. [c.205] Вернуться к основной статье