книги из ГПНТБ / Бобов С.С. Физика в сельском хозяйстве

чительное количество радиоактивных изото­ пов химического эле­ мента, роль которого исследуется. С по­ мощью радиоавтобио­ графии или электриче­ ских счетчиков частиц излучения можно про­ следить за их движе­ нием в организме и участием в обмене ве­ ществ.

Метод радиоавтобио­ графии основан на спо­ собности излучения вы­ зывать почернение фо­ топленки. После под­ кормки мечеными ато­ мами растение или отдельные его органы подготовляют, как для гербария, и затем поме­ щают в кассету с фото­ пленкой. Постепенно на пленке появляется фо­

тография растения. На полученном снимке части растения, где концентрировались меченые атомы, дают более светлые изображения. Подобные фотогра­ фии позволяют судить об участии отдельных химиче­ ских элементов в жизнедеятельности организма, о том, как и для построения чего организм использует пита-

70

тельные вещества. Возьмем, например, радиоавтограф томата, получившего радиоактивный фосфор. Наибо­ лее светлые места фотографии стебля и жилки пока^

простой способ обнаружения распада меченых атомов основан на ионизации газов под действием радиоак­ тивного излучения. Распад отдельных атомов вещест­ ва регистрируется электрическими счетчиками.

Счетчик представляет собой небольшую трубку, изготовленную из тонкого слоя металла или стекла с металлизированной внутренней поверхностью. Счет­ чик заполняется газом, по его оси натянута тонкая металлическая нить. Между нитью и стенками труб­ ки создается высокое напряжение. Когда через стен­ ки в счетчик проникает частица излучения, она иони­ зирует газ, и цепь замыкается. В счетчике возникает кратковременный электрический ток-импульс. Он уси­ ливается и передается на специальное устройство для подсчета распадающихся радиоактивных атомов.

Счетчики помещают около отдельных органов ра­ стений или организма животных, и по их показаниям судят о ходе биологических процессов.

Известно, например, что без фосфора растения развиваться не могут. Соли его должны обязательно входить в состав накопленных в почве питательных веществ. Корни растений подают соли фосфора в ли­ стья и созревающие плоды.

О чем рассказал растениеводам меченый фосфор32, внесенный в почву вместе с фосфорными удобре­ ниями? За ним вели наблюдения счетчики. Они по­ казали, когда фосфор из почвы поступил в расте­

71

ния, обнаружили его появление в стеблях, а затем в листьях и плодах. Меченые атомы известили и о том, какой фосфор предпочитают растения. Оказалось, что картофель на протяжении вегетационного периода пользуется фосфором внесенных удобрений. Растения сои, наоборот, почти весь необходимый им фосфор бе­ рут только из запасов почвы. Пшеница и кукуруза в ранней стадии своего развития, даже при высоком со­ держании этого элемента в почве, пользуются им из удобрений и только позднее потребляют его из почвы.

Меченые атомы подтвердили целесообразность при­ менения фосфора при внекорневой подкормке расте­ ний. Этот агротехнический способ был известен прак­ тикам и ранее, однако для широкого применения он оставался научно необоснованным. Только с помощью меченых атомов удалось теоретически обосновать це­ лесообразность перенесения части работы корней при питании растений на их листья. Сочетание в различ­ ные периоды развития растений корневого и внекор­ невого питания повышает урожайность сельскохозяй­ ственных культур.

Применение меченых атомов привело биологов к коренному пересмотру установившихся представлений об углеродном питании растений. Долгое время счи­ талось, что весь углерод, образующий основную часть растений, поступает только через листья в виде угле­ кислоты воздуха; исключалась возможность использо­ вания растениями углекислоты почвы. Однако радио­ активный углерод-14 нарисовал совершенно иную картину. Оказалось, что кроме углекислоты воздуха растения используют частично из почвенной влаги.

72

Поступающий через корни углерод вовлекается в об­ менные процессы, в том числе и фотосинтез.

Для создания наиболее благоприятных условии корневого питания растений надо знать характер пе­ редвижения и распределения питательных веществ, а также их превращения в почве. Все эти вопросы уда­ ется выяснить с участием меченых атомов. Выявле­ на исключительная динамичность таких процессов. В некоторых случаях скорость движения питательных ве­ ществ в растениях достигает нескольких метров в час. Высокими темпами идет обмен веществ между расте­ ниями и внешней средой.

Изучение использования растениями питательных веществ удобрений позволяет глубже и всестороннее обосновывать нормы, сроки и способы их внесения. Меченые атомы вносят экономически важные поправ­ ки в ранее принятые значения коэффициентов дейст­ вия удобрений. Установлено, что в обменных процес­ сах используется значительно больше питательных веществ удобрения и почвы, чем принималось в зем­ леделии до последнего времени. Так, для фосфора коэффициент действия считали равным около 10%, те­ перь процент использования его растениями пришлось довысить до 60%.

Наряду с основными элементами питания расте­ ний: азотом, калием, фосфором — растительный орга­ низм нуждается в микроэлементах. Долгое время их роль в жизни растений оставалась мало изученной. Хи­ мический анализ был не в состоянии оказать сущест­ венной помощи растениеводам. Тайну микроэлементов раскрыли меченые атомы. Они показали сложную кар­ тину их влияния на жизнь растений. Удалось устано­

73

вить, от недостатка каких микроэлементов могут вы­ зываться многие заболевания растений, и найти эф­ фективные приемы борьбы с ними.

Радиоактивные кислород и углерод помогли пра­ вильно понять роль солнечного света при фотосинтезе. Стало ясно, что при превращении растениями неорга­ нических веществ в органические энергия солнечных лучей расходуется зеленым листом не на разрыв моле­ кул углекислоты, как считали физиологи, а на рас­ щепление воды на кислород и водород. Установлена возможность непосредственного вхождения молекул поглощенной при фотосинтезе углекислоты в состав белковых соединений.

Меченые атомы показали, что образование сахаро­ зы в сахарной свекле связано с деятельностью ли­ стьев, а не корней растений. В последних происходит переработка первичных продуктов фотосинтеза и их накопление. Удалось также определить, с какой ско­ ростью сахаристые вещества перемещаются из ли­ стьев в корни. Поэтому при уходе за растениями глав­ ное внимание пришлось перенести на листья растений, возросла роль внекорневой подкормки, опрыскива­ ния листьев раствором суперфосфата перед уборкой.

До применения в сельскохозяйственной науке ме­ ченых атомов основным способом определения влия­ ния удобрений на урожай было сравнение содержа­ ния отдельных элементов в растениях, выращенных на удобренных и неудобренных участках. Однако ча­ сто такой метод приводил к неправильным выводам. За короткое время меченые атомы получили в земле­ делии самое широкое применение, и роль их с каж­ дым годом будет непрерывно возрастать.

74

Гамма-лучи и урожайность

Ионизирующее излучение является одним из по­ стоянно действующих физических факторов внешней среды на живой организм. В естественных условиях оно представляет слабо изменяющийся со временем радиоактивный фон, поэтому у живых организмов не выработалось защитных функций против резких из­ менений ионизирующего излучения. Теперь, когда человечество покорило своей воле энергию атомных ядер, стало возможным в широких пределах искусст­ венно изменять его дозы. Различают две качественно различные формы активного биологического воздей­ ствия излучения на организмы: физиологическое и генетическое.

Первое в известной мере изменяет физиологиче­ ское состояние живого организма или деятельность, отдельных его функций. Второе действие излучения проявляется в скачкообразных изменениях деятельно­ сти наследственного аппарата живого организма.

Эти две формы ионизирующего излучения, хотя и вызываются одной причиной, однако проявляются от действия различных доз и времени облучения. Они могут проявляться и вне связи между собой. Так, при физиологическом действии излучения никаких наслед­ ственных изменений в живом организме не происхо­ дит. Обе формы излучения получили признание в сельскохозяйственной науке.

Результатами физиологического действия излуче­ ния стали хорошо, известные радиобиологические сти­ мулирующие и угнетающие жизненные процессы—эф­ фекты. Стимулирующий эффект, наблюдаемый при

75,

облучении семян и клубней картофеля перед посевом на полях и в теплицах, проявляется в сокращении сроков созревания и повышении урожайности, а так­ же увеличении содержания питательных веществ. Практически ценным может стать и угнетающий, тор­ мозящий эффект при длительном хранении и перера­ ботке сельхозпродуктов.

Природа заложила в живой клетке громадное ин­ формационное содержание — код строго заданной программы работы. Долгое время биологи не могли активно вмешиваться в жизнедеятельность клеток, на­ правленно изменять программу их работы, влиять на ход деления клеток. Только после открытия и приме­ нения ионизирующего излучения стало возможным управлять ростом живых организмов.

Частицы ионизирующего излучения, гамма-кванты, нейтроны и электроны, обладая высокой энергией, способны глубоко проникать в организм. Вступая во взаимодействие с молекулами клеток, они могут на­ рушать их нормальные структуры. В клетках, клеточ­ ных ядрах и других частях клеток под влиянием облу­ чения возникают необычные химические реакции, в них образуются новые вещества, к которым живые клетки очень чувствительны. Некоторые из таких ве-, ществ, образованные в ничтожно малых количествах, способны вызывать усиление жизнедеятельности кле­ ток, ускорять их деление.

Встречая громадные молекулы ДНК (дезоксирибо­ нуклеиновая кислота) клеточных ядер, ионизирующие частицы способны нарушать закодированные в моле­ кулах программы развития дочерних клеток. Когда такие взаимодействия происходят в половых клетках,

76

то становится возможным изменять их наследствен­ ные свойства.

Использовать стимулирующее влияние ионизирую­ щего излучения на растения начинали с предпосевно­ го облучения семян. Почти каждый исследователь убеждался в том, что при облучении небольшими до­ зами заметно возрастает всхожесть и энергия прора­ стания намоченных семян. При этом стимулирующее влияние облучения проявляется на протяжении всего вегетационного периода.

У растений, выращиваемых из облученных семян, наблюдается пробуждение дополнительных точек ро­ ста. У кукурузы это проявляется в многопочатковости,

угречихи — в большом ветвлении растений, у льна —

вудлинении волокна и т. д.

77

нию радиоактивного фона приспособились все живые организмы. По данным ядерной физики, в началь­ ный период развития нашей планеты природный ра­ диоактивный фон был значительно выше. В поисках объяснений происхождения жизни на земле выдви­ гаются гипотезы, отводящие активную роль в этом процессе ионизирующему излучению. Поскольку жизнь зародилась на определенном радиоактивном фоне, то возможно, что он составляет необходимое условие существования и развития всего живого.

Искусственное радиоактивное излучение, в отличие от естественного, не носит постоянный характер. Обычно оно действует временно и проявляется в ог­ раниченном пространстве. Доза искусственного облу­ чения может изменяться в очень больших пределах: от громадных (в условиях ядерного взрыва) до не­ значительных, намного меньших природного фона. В зависимости от дозы воздействия на организм искус­ ственное облучение может давать заметный биологи­ ческий эффект.

Кроме ионизирующего облучения семян перед по­ севом, возможно также длительное воздействие излу­ чения на растения на протяжении всего вегетационно­ го периода. Последние десятилетия ведутся опыты по длительному облучению растений на гамма-полях и в закрытом грунте.

Гамма-полем называют опытное поле площадью до нескольких гектаров, в центре которого помещает­ ся источник — радиоактивный кобальт-60. На делян­ ках выращивают растения разных культур. Они полу­ чают различные дозы облучения в зависимости от расстояния до источника. Хорошие результаты полу-

79