O zastosowaniu izotopów do badań w biologii

Mówiono, że charakter człowieka zmienia się co siedem lat. Czy i materia, która stanowi nasz organizm zmienia się również, a jej atomy i cząsteczki są zastępowane przez inne egzemplarze atomów i cząsteczek? I mimo to pozostaje pamięć faktów, których świadkami przed laty były inne atomy i cząsteczki? Czy pokarmy spożywane przez dojrzałe, a więc nie wzrastające osobniki służą jedynie do tego, aby przy procesach spalania służyć jako źródło energii? Czy atomy węgla, wodoru, tlenu, azotu, które są składnikami ważnych związków chemicznych w żywej komórce, tkwią w niej przez całe jej życie? A ponad tym życiem, niejako ustalonym, nie zmieniającym się, odbywają się przemiany służące tylko do celów doraźnych?

Podobnych pytań można postawić wiele. Nie na wszystkie z nich umiemy dziś dać odpowiedź. Jest jednak metoda, przy pomocy której wiele z nich można rozwiązać. Jest to metoda, której znaczenie można porównać tylko ze znaczeniem wynalazku mikroskopu, a możliwości jej z możliwościami techniki mikroskopowej. Szereg zagadnień tu przytoczonych można by rozwiązać dopiero wtedy, gdyby się posiadało metodę, przy pomocy której można by rozróżnić jedne egzemplarze atomów pewnego pierwiastka od innych egzemplarzy atomów tego samego pierwiastka. Gdybyśmy mogli do nich przylepić etykietki, pomalować je jakąś barwą, lub pokryć je warstwą fluoryzującą, jak to pewien entomolog uczynił z badanymi przez siebie komarami, lub „zaobrączkować” je, jak to czynią ornitolodzy z ptakami przy studiowaniu ich przelotów, tylko wtedy moglibyśmy śledzić wędrówkę atomów przez organizm, wykryć miejsca ich postoju, czas w ciągu jakiego tam przebywają, związki w jakie wchodzą, miejsce, jakie w cząsteczce wśród kilku możliwych dla danego pierwiastka miejsc zajmą, i wreszcie drogi wydzielania ich z organizmu. Takie sposoby na naznaczenie atomów istnieją. Przypominają one sposób, w jaki strzelec może uwidocznić drogę pocisków, opuszczających lufą jego karabinu maszynowego przez domieszkę do swego zapasu nabojów pewnej ilości pocisków, które tylko tym różnią się od innych, że w locie świecą. Tymi świecącymi pociskami są dla biochemika izotopy. Odróżniają się one od innych egzemplarzy atomów tego samego pierwiastka tylko tym, że są nieco cięższe, nieco lżejsze, lub wykazują promieniotwórczość. Podobnie jak świecące pociski przebywają tę samą co i inne drogę, tak i izotopy wędrują z innymi atomami po tych samych ścieżkach. Organizm nie robi żadnej różnicy między izotopami. Z wchłanianym przez organizm żywy tlenem dostają się do niego trzy naturalne izotopy tlenu, o masie 16, 17 i 18. Tlen ten, to znaczy mieszanina izotopów przechodzi w organizmie wiele przemian, łączy się z wieloma związkami, przenosi się na inne i wreszcie częściowo zostaje wydalony czy to w postaci dwutlenku węgla, czy innych tlenowych związków. Jest przy tym niezmiernie ważne i interesujące, że skład procentowy izotopów, tego opuszczającego organizmu tlenu po przejściu tak skomplikowanych przemian, nie ulega żadnej zmianie! To samo stwierdzić można na innych pierwiastkach: wodorze, węglu, azocie. Skład izotopowy tych pierwiastków jest wszędzie jednakowy, niezależnie od tego, gdzie pierwiastki te obserwujemy, czy na powierzchni ziemi, czy w głębi morza, czy w organizmach roślinnych, czy zwierzęcych. Tłumaczy się to tym, że o własnościach chemicznych decyduje tylko zewnętrzna część atomu, a u izotopów danego pierwiastka jest ona identyczna. Różnice polegają tylko na składzie jądra atomowego.

Jak wygląda technika tych badań? Zależy ona od tego z jakim rodzajem izotopu mamy do czynienia. Jeżeli jest to izotop niepromieniotwórczy, to jedyną jego cechą, pozwalającą na rozróżnienie go w laboratorium od bratniego, analogicznego atomu, jest jego waga. Do oznaczenia składu izotopowego pierwiastka służą skomplikowane przyrządy, zwane spektografami masowymi, gdzie izotopowa mieszanina z jonizowanych atomów zostaje pod wpływem działania pola magnetycznego rozszczepiona na wiązki złożone z jednorodnych izotopów, których ilość można wyliczyć z ładunku przez nie oddanego. Innym sposobem stosowanym do określenia stosunkowej ilości ciężkiego izotopu wodoru (deuterium) w mieszaninie z wodorem o masie jeden, jest precyzyjne oznaczenie ciężaru gatunkowego wody powstałej ze spalenia tej mieszaniny izotopów wodoru. Wykonuje się to przez oznaczenie głębokości, na jakiej kropelka takiej wody zatrzyma się w słupie cieczy, w której się woda nie rozpuszcza, a którą tak jest naczynie wypełnione, że jej ciężar gatunkowy wzrasta ku dołowi naczynia. Jeżeli izotop użyty do badań jest promieniotwórczy, to oznaczenie procentowego składu tego izotopu wśród jego naturalnych, niepromieniotwórczych analogów polega na zmierzeniu radioaktywności. Można to uczynić albo na wypreparowanym związku chemicznym, w którym poszukujemy naszego naznaczonego pierwiastka, albo też wprost, oznaczając promieniotwórczość całego organu. Po doustnym podaniu człowiekowi chlorku sodowego, zawierającego drobną ilość promieniotwórczego sodu, można wykazać przy pomocy licznika Geigera-Miillera, że już po kilku minutach atomy sodu przedostają się przez żołądek, wątrobę, serce, płuca aż do najbardziej obwodowych części organizmu, do dłoni i palców. Wreszcie obecność ciał promieniotwórczych można stwierdzić wprost przy pomocy fotografii: po podaniu roślinie ciał, zawierających znakowane promieniotwórczymi atomami związki chemiczne, można, przykładając tę roślinę do kliszy fotograficznej, wytworzyć zdjęcie samoistne (autoradiografia). Gdy się to uczyni w pewnych odstępach czasu, powstaną obrazy dające wyobrażenie o drogach i szybkości wędrowania tych atomów.