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.