Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Этот метод особенно важен, когда меченое соединение реагирует внутри живой ткани, так как в этом случае можно проследить все имеющиеся чрезвычайно сложные трансформации. Начиная с 1935 года немецкий биохимик Рудольф Шоенгеймер (1898–1941) провел серию таких экспериментов, используя в своих исследованиях жирные молекулы, в огромном количестве присутствующие в водороде–2. Этот метод стал революцией в биохимии, так как давал возможность детально изучить химические реакции в тканях, что ранее было невозможно.

Шоенгеймер, как и другие ученые, использовал в своих исследованиях и более тяжелые изотопы — азот–15 и кислород–18, — относительное содержание которых соответственно 0,37 и 0,20. Оба этих элемента достаточно редко встречаются в природе, и большое их количество является эффективными индикаторами.

Применение радиоизотопов привело к увеличению чувствительности при использовании индикаторов, так как по сравнению со стабильными изотопами даже небольшое количество радиоактивных изотопов можно обнаружить гораздо легче и быстрее.

Радиоактивные индикаторы впервые были использованы в 1913 году венгерским физиком Георгом Хевеши (1885–1966). В то время единственными доступными радиоактивными изотопами были изотопы, составляющие различные радиоактивные ряды. Хевеши использовал свинец–210 для определения растворимости слаборастворимых соединений свинца. (Измерив уровень радиоактивности соединения до и после реакции, он определил долю присоединившегося свинца–210 и предположил, что эта доля была одинакова для всех изотопов свинца.)

В 1923 году Хевеши пометил соединение свинца изотопами свинца–212 и изучил поглощение свинца растениями. Это стало первым применением индикаторов в биологии. Однако в естественных условиях живая ткань не содержит свинца, более того, свинец является сильнейшим ядом. Поведение ткани в присутствии свинца не является нормальным. По-настоящему широко применять радиоизотопы в биологии стали лишь после Второй мировой войны, когда появилась возможность получать в достаточном количестве радиоизотопы более «полезных» элементов.

Еще одним препятствием для применения радиоизотопного анализа было то, что у наиболее характерных для ткани элементов очень мало радиоизотопов. 90% мягких тканей тела состоят из углерода, водорода, кислорода и азота. Например, самым долгоживущим радиоизотопом азота является азот–13, период полураспада которого равен всего лишь 10 минутам. Это значит, что, получив азот–13, нужно ввести его в состав подходящего химического соединения, затем каким-либо образом внедрить в ткань, где тот встретится со своей судьбой, после чего изолировать и проанализировать образовавшиеся продукты, и на все про все — не более получаса, хотя даже к этому времени уровень радиоактивности азота–13 понизится на 7/8.

С кислородом дела обстоят еще сложнее. Самый долгоживущий из известных радиоизотопов кислорода — кислород–15, период полураспада которого всего лишь 2 минуты.

До 1940 года самым долгоживущим из радиоизотопов углерода считался углерод–11, период полураспада которого 20 минут. Это пограничный случай. С одной стороны, времени для маневра мало, но с другой — углерод является самым важным из всех элементов живой ткани. Поэтому биохимики начали разрабатывать методы выжимания максимума информации из химических реакций с соединениями, меченными углеродом–11, несмотря на ограничение по времени, вызванное коротким периодом полураспада.

Ученые не ожидали открыть более долгоживущий изотоп углерода. Однако в 1940 году в результате бомбардировки атомов углерода дейтронами (ядрами дейтерия, Н2) был открыт новый радиоизотоп углерода.

Дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона, и во время бомбардировки дейтронами атомы углерода отдают протоны, удерживая нейтроны. В результате такой (α, p)-реакции атомное число не изменяется, но массовое число увеличивается на единицу. Углерод состоит из двух стабильных изотопов — углерода–12 и углерода–13. Углерод–12 в результате реакции превращается в углерод–13, а вот с углеродом–14 происходит следующее:

6С13 + 1Н2 → 6С14 + 1H1 (Уравнение 10.3)

или

C13 (α, p) C14.

Углерод–14 является радиоактивным изотопом с неожиданно длинным периодом полураспада — более 5770 лет. А учитывая сравнительно небольшую продолжительность любого лабораторного эксперимента, его радиоактивность можно считать постоянной. Меченные углеродом–14 химические соединения можно использовать в огромном количестве биологических и биохимических экспериментов, и углерод–14, несомненно, является самым пригодным для этих целей радиоизотопом.

В 1946 году американский химик Уиллард Либби (1908–1980) предположил, что углерод–14 должен существовать в природе как результат реакции в присутствующем в атмосфере азоте–14, косвенно вызванной космическими излучениями высокой энергии[136]. Реакция, по сути, является присоединением нейтрона и потерей протона. В результате такой (α, p)-реакции уменьшается лишь атомное число, массовое число остается неизменным. Таким образом:

7N14 + 0n1 → 6C14 + 1H1 (Уравнение 10.4)

или

N14 (α, p)С14.

Углерод–14 образуется постоянно и после образования разрушается. Между этими двумя процессами существует определенный баланс, и концентрация углерода–14 в атмосфере (углерод–14 входит в состав углекислого газа) постоянна, хотя и очень мала.

Позже Либби предположил, что, так как растения постоянно поглощают и используют углекислый газ, в их тканях должен содержаться углерод–14 постоянно, хотя и в очень малой концентрации. Углерод–14 должен содержаться и в тканях животных, так как животные питаются растениями (или травоядными животными).

Однако постоянство концентрации поддерживается, только пока ткань жива, так как только в этом случае ткани непрерывно впитывают радиоактивный углерод (путем поглощения атмосферного углекислого газа или переваривания пищи). Как только организм погибает, поглощение углерода–14 прекращается, а уже имеющееся его количество начинает равномерно уменьшаться.

Все, что когда-то было частью живого организма, можно проанализировать на предмет количества углерода–14 и таким образом определить, сколько времени прошло с момента гибели организма. Такой метоп, радиоактивного датирования широко применяется в археологии. С его помощью удалось определить возраст дерева, найденного в древней египетской гробнице (около 4800 лет), и дерева, найденного в древней этрусской гробнице (около 2730 лет). Таким же образом был определен возраст Библии.

Можно определить возраст древних деревьев, сваленных наступающими ледниками, а также возраст деревьев, прибитых к берегам, образованным тающими ледниками. Ученые были удивлены, когда обнаружили, что ледовые щиты, покрывавшие Северную Америку, последний раз наступали всего лишь 25 000 лет назад и достигли максимальной площади 18 000 лет назад. 10 000 лет назад отступающие ледники вновь начали наступать и окончательно исчезли из района Великих озер лишь в 6000 году до н.э. (когда начали зарождаться первые цивилизации).