Научные открытия России
Государственный реестр открытий СССР
 


ЧЕЛОВЕК, БИОЛОГИЯ
Научные открытия в области биофизики, биохимии, радиобиологии, цитологии.



Научное открытие "Усвоение атмосферного азота живыми организмами".

Формула открытия: "Установлено неизвестное ранее свойство животных и высших растений усваивать азот атмосферы, необходимый для их нормальной жизнедеятельности".
Автор: М. И. Волский.
Номер и дата приоритета: № 62 от 19 декабря 1951 г.


Описание открытия.
Профессор, доктор технических наук М. И. Волский, руководитель специальной научно-исследовательской лаборатории по усвоению атмосферного азота живыми организмами при Горьковском государственном университете имени Н. И. Лобачевского, открыл неизвестное ранее свойство животных и высших растений усваивать из атмосферы азот, необходимый для их нормальной жизнедеятельности.

В науке долго господствовало мнение, что азот воздуха- биологически инертный газ. Название ему дал в 1787 г. Лавуазье. Азот означает "нежизненный". Считалось, что растения усваивают азот только из почвы, где он находится в виде растворимых азотсодержащих соединений, а животные - вместе с пищей. Исключение делалось лишь для клубеньковых бактерий, гнездящихся на корнях бобовых растений, некоторых свободноживущих почвенных микроорганизмов и кое-каких водорослей. В последние годы открыт еще ряд микроорганизмов, которые усваивают азот непосредственно из воздуха.

До настоящего времени возможность усвоения азота высшими растениями и животными рядом ученых отрицается. До работ М. И. Волского отрицалась также и возможность его усвоения даже с помощью бактерий, населяющих органы дыхания и желудочно-кишечный тракт животных и человека.

В 1950-1951 гг. профессор М. И. Волский поставил опыты по определению содержания азота в куриных эмбрионах на стадии проклева по сравнению с содержанием его в неинкубированных яйцах. Куриное яйцо как объект исследования в данном случае было удобно тем, что эмбрион не требует пищи извне и, следовательно, исключаются ошибки, связанные с неточностью учета баланса азота.

Анализ результатов опытов показал, что количество азота в только что проклюнувшихся цыплятах на 3-6% выше содержания азота в неинкубированных яйцах. Поскольку азот мог поступать в яйцо только из окружающей среды, ученый пришел к выводу, что куриный эмбрион в процессе своего развития усваивает молекулярный азот воздуха. Аналогичный результат был получен М. И. Волским и сотрудниками его лаборатории в опытах с куколками пчел и с высшими растениями - кукурузой и кормовыми бобами.

В 1956 г. исследователь поставил опыты с инкубацией куриных эмбрионов в атмосфере, обогащенной меченым азотом. Изотопный анализ азота в эмбрионах был проведен на кафедре химической кинетики Московского государственного университета старшим научным сотрудником Р. Е. Мардалейшвили, который обнаружил, что чем дольше развивался эмбрион, тем больше в его тканях накапливалось меченого азота. Результаты этих исследовании были опубликованы М. И. Волским в "Докладах Академии наук СССР" в 1959 г., т. 128, № 4.

По мнению автора открытия, свободный азот усваивается живыми организмами путем фиксации из воздуха кетокислотами, содержащимися в эритроцитах крови и в хлоропластах растений, благодаря воздействию атмосферных аэроионов, с помощью микроэлементов, содержащихся в растительном, животном и человеческом организмах, - железа, молибдена, ванадия и др. Соединения переходных металлов, входящие в состав ферментов и тканей, активируют молекулярный азот и связывают его в аммиак, а затем в аминосоединения, образующие белок (последний путь получил экспериментальное подтверждение в работах многих авторов).

Азот может усваиваться также с помощью биотоков, способствующих интенсивному клеточному дыханию, с помощью бактерий, населяющих органы дыхания и желудочно-кишечный тракт человека и животных (правильность этого положения подтверждена рядом советских и зарубежных ученых). Усвоение атмосферного азота растениями происходит одновременно с фотосинтезом и активируется им.

В руководимой профессором М. И. Волским лаборатории проведена серия экспериментов с животными, находившимися в среде, где азот был заменен инертными газами. Исследования показали, что исключение азота из атмосферы приводит к увеличению гибели эмбрионов. Резко возрастает число уродств, изменяется морфологическая структура органов и гистохимический состав тканей. Все это привело к выводу, что азот атмосферы - биологически активный газ, необходимый для нормальной жизнедеятельности животных и высших растений.

В связи с этим доктор технических наук, профессор Г. И. Воронин и кандидат биологических наук А. И. Поливода в книге "Жизнеобеспечение экипажей космических кораблей", вышедшей в издательстве "Машиностроение" в 1967 г., пишут: "Результатами опытов опровергнуто постулированное Лавуазье мнение, что азот является биологически инертным газом. В настоящее время твердо установлено, что газообразный азот связывается клубеньковыми бактериями, кишечными бактериями, растениями и т. д. Поэтому мнение, что в метаболизме человека газообразный азот не принимает никакого участия и что азот можно исключить из атмосферы или заменить гелием или другим газом, не подтверждается опытами. Поэтому при проектировании космических систем для длительного полета человека считается необходимым в герметичной кабине с ограниченным объемом предусматривать обычную азотно-кислородную смесь".

Атмосфера советских космических кораблей состоит из смеси кислорода с азотом, тогда как кабины американских космических кораблей заполнялись чистым кислородом с давлением 220-240 мм. рт. ст. Максимальная продолжительность полета на корабле "Джемини" с такой атмосферой составила 14 суток, после чего экипаж потерял трудоспособность. Поэтому программа "Аполлон" с высадкой астронавтов на Луну была ограничена по продолжительности 12 сутками.
В своем выступлении на XXIV Международном астрономическом конгрессе в 1973 году Е. М. Волский отмечал:
"Мы с удовлетворением констатируем, что американские ученые при проектировании орбитальной станции "Skylab" ввели в состав ее атмосферы азот и получили возможность существенно увеличить длительность пребывания человека в космосе. Первый экипаж "Скайлэба" пробыл в космическом пространстве 28 суток, второй - 56, третий - 84. Признание необходимости молекулярного азота для нормальной жизнедеятельности человека в космосе заставит многих ученых мира задуматься над биологической ролью азота воздуха.

В нашей лаборатории не только получены достоверные данные, что азот воздуха усваивается высшими организмами, но и установлена зависимость интенсивности этого процесса от условий окружающей среды, и в частности от концентрации в атмосфере отрицательно заряженных аэроионов. Например, при инкубации перепелиных яиц в обычном термостате прирост связанного азота за время эмбриогенеза (от яйца к цыпленку) составил 5%, при инкубации же в условиях периодической искусственной аэроионизации - 7,5%.

Зависимость интенсивности усвоения атмосферного азота высшими организмами от уровня аэроионизации была подтверждена нами при инкубации перепелиных яиц в условиях разного уровня естественной аэроионизации. Был проведен обширный эксперимент на одном биологическом материале одновременно в двух географических точках страны с разным естественным уровнем аэроионизации - в Горьком и в Домбае. Если раньше мы определяли количество азота в начале и в конце эксперимента, т. е. сравнивали, сколько химически связанного азота было в яйце и сколько его стало в только что вылупившемся цыпленке, то в этом эксперименте процесс усвоения азота изучался в динамике - на седьмые, девятые, одиннадцатые, тринадцатые и шестнадцатые сутки развития эмбрионов. Было установлено, что прирост азота в процессе развития эмбрионов идет интенсивнее в Домбае, чем в Горьком. Параллельно проводившиеся морфологические исследования показали, что процесс органогенеза происходил интенсивнее в условиях повышенной концентрации в атмосфере легких отрицательно заряженных аэроионов.

В последнее время в нашей лаборатории были поставлены эксперименты по изучению влияния искусственной аэроионизации на усвоение азота воздуха типичным азотфиксатором (азотобактером штамма К). Уже первые результаты показали различие в интенсивности азотфиксации в опыте и в контроле на 16%. Полученные нами данные объясняют эффект повышения продуктивности сельскохозяйственных животных под влиянием искусственной аэроионизации".

Е. М. Волский провел ряд убедительных экспериментов, подтверждающих биологическую активность азота воздуха.
"С целью доказательства факта усвоения азота воздуха человеком, - рассказывает Е. М. Волский, - я решил поставить эксперимент на себе. В течение 3 ч я дышал в гермошлеме по замкнутому циклу. Каково же было удивление, когда при масс-спектрометрическом анализе проб газа оказалось, что количество азота в системе увеличивалось со скоростью 1,25 л/ч. Это позволило предположить наличие в организме диаметрально противоположного процесса - разложения части белков до молекулярного азота."

На возможность существования такого процесса впервые указал М. И. Волский еще в 1954 г. в своей монографии "Новая концепция дыхания" (Горьковское книжное издательство). Эксперимент на мыши с использованием меченого азота подтвердил наличие двух одновременно идущих процессов - усвоения азота из атмосферы и разложения белков в организме до молекулярного азота. Эти исследования были проведены совместно со старшим научным сотрудником кафедры химической кинетики МГУ Р. Е. Мардалейшвили.

После опубликования наших статей в журнале "Известия Академии наук СССР. Серия биологическая" № 4 за 1972 г. наши данные были подтверждены рядом работ иностранных ученых. Так, американские ученые Д. Н. Цысик, Д. К. Рокош и Р. Е. Джонсон изучали количество азота во вдыхаемом и выдыхаемом человеком воздухе при разном рационе питания. На девяти испытуемых они получили следующие результаты. У человека на безбелковой диете количество азота в выдыхаемом воздухе уменьшалось в среднем на 2,25 л/ч. Если же испытуемые получали в пище 23% белка, то все они начинали выдыхать азота больше, чем вдыхали, на 2,6 л/ч. При увеличении протеина в пище до 32% скорость выделения азота увеличилась, достигая 5 л/ч.

В связи с полученными данными возникает необходимость составления сбалансированных по азоту рационов питания для лиц, находящихся длительное время в герметически закрытых помещениях, с тем чтобы поддерживать необходимое давление кислорода в атмосфере. В настоящее время опубликовано более 100 работ на английском, немецком, французском и итальянском языках по вопросу включения молекулярного азота в обмен веществ человека.

За последнее десятилетие работами ученых двух институтов АН СССР - Института элементоорганических соединений и Института химической физики - также опровергнуто прежнее представление об исключительной инертности молекулярного азота. Как писали в статье "Разгадки давнего парадокса" ("Правда", 22 марта 1975 г.) сотрудники этих институтов М. Е. Вольпин и А. Е. Шилов, в последние годы им удалось понять, каким образом происходит биологическая фиксация азота. Оказывается, в тканях живых организмов находятся соединения переходных металлов - молибдена, ванадия, железа и др., а в присутствии этих соединений молекулярный азот уже при обычных температурах и давлении проявляет высокую способность к реакциям и образует продукты, разлагаемые водой до аммиака. Таким образом, работами сотрудников этих институтов опровергнуто основное возражение наших оппонентов о термодинамической невозможности усвоения высшими организмами столь инертной молекулы, какой является азот воздуха. Именно на путь усвоения азота воздуха высшими организмами с помощью микроэлементов - молибдена, ванадия, железа и др., входящих в состав ферментов и тканей животных и растений, еще в 1957 г. указывал М. И. Волский". В 1977 г. Е. М. Волский успешно провел эксперимент с репродуктивной тканью быка в плазме крови человека и еще раз доказал факт усвоения атмосферного азота живыми организмами. Эксперимент получил высокую оценку Института общей генетики АН СССР и Института химии АН СССР.

О научной и практической значимости открытия М. И. Волского ВАСХНИЛ сообщила в Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР следующее:
"Всесоюзная Академия сельскохозяйственных наук считает, что исследования профессора Волского по данной проблеме являются научной заслугой ученого и дают новое понимание о биологической и физиологической роли атмосферного азота в развитии и питании животных, и растительных организмов.
Экспериментальными работами профессора М. И. Волского опровергается считающееся до сего времени незыблемым положение, выдвинутое французским ученым Лавуазье 150 лет назад, о том, что животные организмы не могут якобы усваивать азот воздуха.
Помимо приведенных профессором М. И. Волским фактов об ассимиляции азота воздуха куриными эмбрионами и куколками пчел, в зоотехнии известны также факты, когда при изучении азотистого обмена на животных получается положительный баланс азота, который раньше не находил убедительного объяснения. Исследования профессора Волского по данной проблеме являются открытием и заслуживают не только положительной оценки, но и обеспечения условий для дальнейшего специального их изучения в интересах теории и практики".




Главная
КОСМОС
ЗЕМЛЯ
ЧЕЛОВЕК, БИОЛОГИЯ
ФИЗИКА, РАДИОАКТИВНОСТЬ
ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА
МАТЕМАТИКА
Сайт создан в системе uCoz