دانلود مقاله نقش و کاربرد انرژی هسته ای در کشاورزی

تحقیقات کشاورزی

تزاید روزافزون جمعیت و کمبود مواد غذایی در دنیا موجب توجه دانشمندان به ازدیاد محصولات کشاورزی و همچنین بهبود کیفیت آنها گردیده است. در این راستا مواد رادیواکتیو به کمک بررسی‎های کشاورزی شتافت و انقلاب عظیمی در کشاورزی به وجود آورد به طوری که عناصر رادیواکتیو یا نشاندار در اکثر رشته‎های کشاورزی از جمله مدیریت آب و خاک و تغذیه گیاهی، اصلاح نباتات و ژنتیک، دامپروری، کنترل آفات، صنایع غذایی و محیط زیست مورد استفاده قرار گرفته‎اند.

نیل به سوی کشاورزی پایدار بستگی به تعامل بین مواد غذایی خاک و منابع آبی موجود جهت تولید عملکرد مناسب دارد. در این خصوص با استفاده از ایزوتوپ‎ها می‎توان میزان مطلوب کاربرد کودهای شیمیایی، بهترین زمان مصرف آنها،‌ مکان و مقدار آنها در خاک، بررسی فعالیت میکروارگانیسم‎های خاکزی و همچنین نحوه ‌ انتقال عناصر غذایی در خاک و گیاه را بررسی نمود.

استفاده از روش ایجاد موتاسیون به منظور تنوع بخشیدن به محتویات ژنتیکی با هدف ارتقاء صفات کمی و کیفی در گیاهان زراعی مورد توجه خاص قرار گرفته است. از طرف دیگر با توجه به اینکه مصرف مواد شیمیایی به  منظور حفظ و نگهداری مواد غذایی نه تنها برای مصرف‎کنندگان بلکه برای محیط زیست مضر می‎باشد، استفاده از پرتودهی محصولات کشاورزی به عنوان یک روش بی‎خطر استریلیزه کردن در اکثر کشورهای جهان متداول شده است. در رابطه با کنترل آفات از طریق پرتودهی و عقیم نمودن حشرات نیز گام‎های بسیار مثبتی در نقاط مختلف دنیا برداشته شده است.

مبانی فیزیک هسته‎ای

ایزوتوپ‎ها (ویژگی‎ها و کاربرد)

اتم‎های یک عنصر را که عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت دارند، ایزوتوپ‎های آن عنصر می‎نامند (بارهای مثبت که همان تعداد پروتون‎ها می‎باشند را عدد اتمی و مجموع تعداد پروتون‎ها و نوترون‎های هسته یک اتم را عدد جرمی آن می‎گویند).

ایزوتوپ‎های یک عنصر، اتم‎هایی هستند که تعداد بارهای مثبت موجود در هسته و نیز تعداد الکترون‎هایشان یکسان ولی تعداد نوترون‎های موجود در هسته آنها با هم متفاوت است. اغلب عناصر چند ایزوتوپ دارند و چون ساختار الکترونی ایزوتوپ‎ها یکسان است، واکنش‎های شیمیایی آنها نیز مشابه می‎شود (شکل 4-1). برای تشخیص هویت یک ایزوتوپ، عدد اتمی آن به صورت شاخص در پایین و سمت چپ نماد شیمیایی آن، و عدد جرمی یا تعداد کل نوکلئون‎های آن به صورت شاخص در بالای نماد شیمیایی آورده می‎شود. برای مثال سه ایزوتوپ اکسین را می‎توان به صورت ،  و   نشان داد. اما از آنجا که عدد اتمی مترادف با نماد شیمیایی است معمولاً شاخص پایین حذف می‎گردد. بنابراین به عنوان مثال ایزوتوپ اکسیژن به صورت O16 نمایش داده می‎شود. باید توجه داشت که فراوانی همه ایزوتوپ‎ها با هم برابر نیست به عنوان مثال در مورد اکسیژن، 975/99 درصد اتم‎های طبیعی از نوع ‎O16 می‎باشند. در حالی که انواع ‎O17 و ‎O18 به ترتیب 037/0 درصد و 204/0 درصد از اکسیژن طبیعی را تشکیل می‎دهند. در بین عناصر شیمیایی، تعداد محدودی از آنها در مطالعات بیولوژیک مورد استفاده قرار می‎گیرند و هر کدام از آنها حداقل دارای دو ایزوتوپ پایدار هستند.

تابش گاما ‎)

پرتوهای گاما عبارتند از تابش‎های الکترومغناطیسی تک انرژی که از هسته‎های برانگیخته حاصل از تبدیل پرتوزا گسیل می‎شوند. به عبارت دیگر هرگاه هسته‎ای به هر علت در حالت تهییج قرار گیرد، انرژی تهییج خود را به صورت فوتون گاما ساطع می‎کند. در اغلب واپاشی‎های  و ، هسته دختر به حالت تحریک شده قرار می‎گیرد که این انرژی تحریکی هسته به صورت فوتون‎های گاما از هسته تابش می‎شود تا هسته به تراز انرژی پایین‎تر یا پایدار برگردد. نمایش عمومی تولید گاما را می‎توان به صورت ‎ نشان داد. مانند:

اکتیویته ویژه

یکی از مشخصه‎های مهم رادیو ایزوتوپها، اکتیویته ویژه آنها یعنی میزان اکتیویته در هر گرم از عنصر یا ماده است که برحسب واحدهای مختلفی از جمله بکرل بر گرم ‎(Bq/g)، میکروکوری بر گرم ‎، واپاشی بر میلی‎گرم در ثانیه ‎(dps/mg) و یا واپاشی بر میلی‎گرم در دقیقه ‎(dpm/mg) بیان می‎شود.

نیمه عمر

مدت زمان لازم برای کاهش هر ایزوتوپ پرتوزا به نصف مقدار اولیه‎اش، معیاری از سرعت تبدیل آن ایزوتوپ پرتوزا به ایزوتوپی دیگر است. این دوره زمانی را نیمه عمر می‎نامند و برای هر ایزوتوپ خاصیتی تغییرناپذیر می‎باشد. نیمه عمر ایزوتوپ‎های پرتوزای مختلف از چند ثانیه تا چند میلیارد سال متغیر است.

بنابراین با توجه به مفهوم نیمه عمر مشخص می‎شود که پس از گذشت ‎n نیمه عمر از یک ایزوتوپ پرتوزا، کسر باقی مانده آن عبارت است از:  که در این فرمول ‎0A اکتیویته اولیه و ‎A اکتیویته برجای مانده پس از ‎n نیمه عمر است.

کاربرد رادیو ایزوتوپ‎ها

برای سهولت بیشتر می‎توان کاربرد رادیو ایزوتوپ‎ها را به چند بخش اصلی تقسیم کرد که عبارتند از:

الف) تحت تابش قرار دادن یک ماده هدف به منظور ایجاد تغییراتی در خواص فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی آن که این تغییرات ممکن است خاصیت یا سودمندی ماده هدف را تقویت کنند و یا آن را از بین ببرند.

ب) تزریق مقدار اندک رادیوایزوتوپ به مواد به منظور ردیابی آنها در یک فرایند خاص که به عنوان مثال می‎توان به مطالعات مربوط به فرسایش و ردیابی جریان آب به منظور پیدا کردن منابع آب اشاره نمود.

ج) چشمه‎های ثابت پرتو را به عنوان سنجش‎گر یا وسیله ‌ اندازه‎گیری برای بعضی کمیت‎ها مورد استفاده قرار می‎دهند. مثلاً در اندازه‎گیری ضخامت، چگالی و بازرسی پرتونگاری می‎توان از رادیوایزوتوپ‎ها استفاده کرد.

د) چشمه‎های ثابت پرتو را برای تولید قدرت، گرما یا روشنایی نیز مورد استفاده قرار می‎دهند.

عمرسنجی با ‎C14

بمباران زمین به وسیله پرتوهای کیهانی یک منبع ثابت نوترونی در جو تولید می‎کند. این نوترون‎ها با نیتروژن موجود در جو واکنش انجام داده و تولید ‎C14، ‎H3 و احتمالاً مقدار کمی ‎He4 با ‎Be11 می‎نمایند. ‎C14 و ‎H3 پرتوزا هستند و نیمه عمر ‎C14 برابر با 5720 سال است. فرض می‎شود که کربن پرتوزا برای تشکیل 2CO با اکسیژن ایجاد واکنش می‎کند و این 2CO14 با دی‎اکسید کربن جو مخلوط می‎شود. بنابراین می‎توان گفت که جذب نوترون‎های حاصل از پرتوهای کیهانی معادل با تولید دی‎اکسید کربن پرتوزای مخلوط با دی‎اکسید کربن جوی است. چون گیاهان از 2CO تغذیه می‎کنند و حیوانات نیز آنها را مصرف می‎کنند، ‌پس گیاهان و حیوانات هم پرتوزا خواهند بود.

نظریه‎ها و آزمایشهای گوناگون نشان می‎دهند که بین آهنگ واپاشی کربن پرتوزا و آهنگ تولید آن در تمام موجودات زنده تعادل برقرار است. هنگامی که موجود زنده می‎میرد، جذب رادیوایزوتوپ متوقف می‎شود و ‎C14 پرتوزا در بافت‎ها وا می‎پاشد. در نتیجه این عمل شدت اکتیویته ماده رادیواکتیو به تدریج کاهش می‎یابد که این کاهش متناسب با نیمه عمر رادیواکتیو خواهد بود. با استفاده از فرمول زیر می‎توان زمان سپری شده از مرگ مواد آلی را تخمین زد.

در این فرمول،

‎0A = اکتیویته اولیه

A = اکتیویته فعلی

‎ = ضریب تجزیه که بستگی به نیمه عمر ماده رادیواکتیو دارد و عبارت است از:

که در این فرمول، نیمه عمر کربن 5720 سال در نظر گرفته می‎شود (5720 = ‎).

‎e = پایه لگاریتم طبیعی (71828/2)

‎t = تعداد سال‎های سپری شده از هنگام مرگ (عمر نمونه)

مثال: اگر از یک تکه چوب که از یک محل قدیمی به دست آمده باشد، حدود 10 شمارش در دقیقه به ازاء هر گرم چوب داشته باشیم، سن این تکه چوب به صورت زیر قابل محاسبه است.

از آنجایی که تعداد 15 واپاشی در دقیقه بر گرم برای ‎C14 به طور ثابت موجود می‎باشد، طبق فرمول فوق‎الذکر خواهیم داشت:

t =  سال 3356

اصولاً جداسازی ‎C14 از نمونه‎ها مشکل است چون نمونه‎های مورد نظر هزاران سال پس از مرگشان ممکن است دستخوش تغییرات زیادی شده باشند. به همین دلیل عمرسنجی با ‎C14 به خودی خود چندان قابل اعتماد نیست. 

اثرات بیولوژیکی پرتوها

پرتوها را از نظر اثراتی که در برخورد با ماده به جای می‎گذارند به دو دسته می‎توان تقسیم‎بندی نمود که عبارتند از پرتوهای غیر یون‎ساز و پرتوهای یون‎ساز.

پرتوهای غیر یون‎‎ساز عبارتند از نورمرئی، ماوراء بنفش ‎(UV)، مادون قرمز ‎(IR)، ماکروویو، مادون صوت، لیزر و غیره. به دلیل دارا بودن اثرات بیولوژیکی متفاوتی که این پرتوها دارند، در این جا از بحث در مورد آنها خودداری می‎شود.

پرتوهای یون‎ساز در اثر برخورد با سلول‎ها، بافت‎ها و مولکول‎های تشکیل دهنده مواد حیاتی ارگان‎های بدن باعث ایجاد پدیده یونیزاسیون و تحریک می‎شوند که متعاقب آن ضایعات و آسیب‎های ناشی از آن بروز می‎نمایند.

انسان همیشه در معرض پرتوهای ناشی از چشمه‎های طبیعی بوده است و اصولاً پرتوهای تأثیرگذار را می‎توان به دو دسته تقسیم کرد:

الف)‌ پرتوهای کیهانی که از فضا به زمین می‎رسد.

ب) پرتوهایی که به وسیله مواد رادیواکتیو در اطراف ما تابش می‎شوند.

بنابراین ملاحظه می‎شود محصولات تمدن و پیشرفت فن‎آوری به همراه خود خطراتی را نیز دربردارند. به عبارت دیگر اکثر محصولات یا وسایلی که فایده‎ای می‎رسانند، دارای مضراتی نیز می‎باشند و استفاده از آنها هنگامی توجیه منطقی دارد که سود آن بیش از زیان آن باشد. به عنوان مثال انرژی  الکتریسیته با وجود مخاطراتی که دارد به مقدار زیاد و در سطح وسیع مورد استفاده قرار می‎گیرد.

با توجه به مطالب فوق، هدف ارائه این مبحث آشنایی دقیق و علمی با اثرات زیان‎بار پرتوهای یون‎ساز بر انسان، با در نظر گرفتن کلیه ‌ محدودیت‎های مطالعات در این زمینه می‎باشد.

سلول زنده و اثرات پرتوها

سلول، واحد ساختمانی و واحد کار حیاتی موجود زنده است و هر سلول از سلول قبلی به وجود می‎آید.

ساختمان سلول بدن انسان از دو قسمت سیتوپلاسم و هسته تشکیل شده است که حدود 70 درصد آنها را آب تشکیل می‎دهد. رشد طبیعی عمل تقسیم و ترمیم جراحات سلولی به وسیله هسته کنترل می‎شود و سیتوپلاسم که اجزایی نظیر میتوکندری (مرکز تولید انرژی)، سانتریول‎ها (اداره تقسیم سلولی)، لیزوزوم‎ها (حاوی مواد آنزیمی درون سلول) و غیره می‎باشند، اعمال جذب و دفع سلول و سایر اعمال حیاتی را انجام می‎دهند.

مهمترین عوامل در حساسیت سلول نسبت به پرتو عبارتند از:

الف) قدرت تکثیر سلول

ب) مدت زمان مراحل تقسیم سلول

ج) مرحله تقسیم سلول هنگام برخورد پرتو.

از طرف دیگر، در رابطه با اثرات غیرمستقیم پرتوها قابل ذکر است که این‎گونه اثرات عمدتاً از نوع رادیوشیمی می‎باشند. این اثر بر روی آب که مهمترین جزء ماده ‌زنده است ظاهر می‎شود به این ترتیب که پرتوهایی نظیر گاما باعث تغییراتی در مولکول‎های آب به شرح زیر می‎شود که در واقع موجب می‎شوند رادیکال‎های آزاد و فعال که از نظر شیمیایی برای سلول‎ها سمی هستند،‌ تولید گردند.

سپس الکترون تولید شده با یک مولکول آب به صورت زیر ترکیب می‎شود:

مولکول منفی آب نیز بلافاصله تجزیه می‎شود:

تشکیل یون‎های ‎H+ و ‎OH- از نظر بیولوژیکی چندان حائز اهمیت نیستند زیرا تمامی مایعات بدن به طور طبیعی حاوی مقادیر زیادی از هر دو یون مذکور هستند. رادیکال‎های آزاد ‎OH با یکدیگر ترکیب شده و ایجاد پراکسید هیدروژن با آب اکسیژنه می‎کنند که یک اکسید کننده قوی به حساب می‎آید.

اصلاح نباتات از طریق ایجاد موتاسیون

اصلاح نباتات هنر بهبود ژنتیکی گیاهان است و هدف کلی آن بهبود خصوصیاتی از گیاهان است که در ارزش اقتصادی آنها نقش دارد. تنوع ژنتیکی به منزله خون زندگی برای فعالیت‎های اصلاح نباتات است و موتاسیون یا جهش این تنوع ژنتیکی را افزایش می‎دهد. موتاسیون، حاصل تغییر ناگهانی در مواد وراثتی سلول می‎باشد و از       پدیده‎های مهم طبیعت زنده محسوب می‎شود زیرا منشأ اصلی تنوع در موجودات زنده موتاسیون می‎باشد و در واقع ماده اولیه مورد استفاه در انتخاب طبیعی را فراهم می‎کند و به این طریق در تحول موجودات زنده نقش به سزایی دارد به طوری که بدون آن موجودات زنده قادر به سازش با شرایط اکولوژیکی متفاوت نمی‎شدند و نتیجتاً این همه تنوع زیستی که در حال حاضر در طبیعت وجود دارد، امکان‎پذیر نمی‎گردید.

قدمت موتاسیون را می‎‎توان معادل قدمت علم ژنتیک دانست زیرا نخستین بار Hugode Vries هلندی در سال 1901 ضمن مطالعات مورفولوژیکی بر روی گیاه پامچال ‎(Oenothera lamarkiana) به این پدیده مهم پی برد و ظهور خصوصیات جدید ارثی در این گیاه را موتاسیون نامید. هرچند که پیش از نامبرده داروین دریافته بود که گونه‎ها قابلیت جهش یا دگرگونی ناگهانی دارند و به همین نحو لینه نیز متوجه شده بود که تعدادی از موتاسیون‎ها، سیستم طبقه‎بندی و نامگذاری را دچار پیچیدگی می‎کنند اما در آن زمان ماهیت این پیده به درستی درک نشده بود. اما به راستی تعریف اصلی جهش یا موتاسیون چیست؟

تغییر در ساختار ژنتیکی (ژنوتیپ) موجودات زنده اعم از این که بروز خارجی (فنوتیپی) پیدا بکند یا نکند، تغییر جهشی یا موتاسیون و محصول چنین جهش و تغییری، جهش یافته یا مونانت خوانده می‎شود. واژه ‎موتاسیون از ‎Mutatio (کلمه لاتین) به معنای یک تغییر عمده و اساسی و ناگهانی مشتق شده است. اما تا قبل از آنکه شیوه‎های جدیدی برای استخراج و جداسازی ژن‎ها به عنوان قطعاتی از ‎DNA به دست آید، تنها راه درک و فهم وجود ژن‎ها و بررسی و تعیین نقش آنها، مطالعه تنوع ژنتیکی و وراثت بود. با بررسی یک تغییر و تفاوت موروثی کاملاً مشخص در فنوتیپ یک موجود زنده منشأ آن را به یک ژن خاص نسبت می‎دادند و آن تغییر را موتاسیون می‎خواندند. اگرچه هنوز مشاهده تغییرات فنوتیپی مهمترین و ابتدایی‎ترین شیوه عملی تشخیص موتاسیون محسوب می‎گردد، اما امروزه کاملاً روشن است که این تعریف ناقص و نارسا است زیرا بسیاری از موتاسیون‎ها به علل مختلف به تغییرات فنوتیپی منجر نمی‎شوند. گاهی نیز آسیب و تغییر در ماده ژنتیکی ممکن است در ژن‎هایی رخ بدهد که از حیث اطلاعات ژنتیکی غیرفعال باشند. نظیر قطعات صامت در زنجیره ‎DNA که اساساً از آنها رونویسی صورت نمی‎گیرد. یا در ژن‎هایی صورت بگیرد که از آن نوع ژن به تعداد زیاد و مکرر در ‎DNA وجود دارد. آسیب در این نوع ژن‎ها نیز اثر فنوتیپی ایجاد نمی‎نماید. اما به طور کلی آن تغیراتی در ماده ژنتیکی، موتاسیون محسوب می‎شوند که غیرعادی و دائمی باشند. بنابراین با توجه به موارد فوق‎الذکر و با در نظر گرفتن حداقل شرایط و ویژگی‎های تغییرات موتاسیونی می‎توان گفت که «موتاسیون فرایند یا پویشی است که موجب تغییر مجموعه توارثی سلول و نهایتاً ایجاد یک موجود زنده‎ای با ویژگی‎های جدید ژنتیکی می‎گردد یا به عبارت دیگر موتاسیون، یک تغییر قابل وراثت است که بر کروموزوم اثر دائم می‎گذارد و منجر به ایجاد یک موجود جهش یافته یا موتانت می‎شود».

برخی از تغییرات وتاسیونی دائمی و برخی نیز موقتی هستند که به آنها موتاسیون شرطی هم گفته می‎شود. یعنی تا زمانی که شرایط تغییر موتاسیونی وجود داشته باشد، فنوتیپ موتانت بروز می‎کند و باقی می‎ماند ولی با از بین رفتن شرایط یا علل، فنوتیپ موتانت نیز ناپدید می‎گردد که به عنوان مثال می‎توان به موتانت‎های حساس به درجه حرارت اشاره نمود.

برخی از تغییرات موتاسیونی بر سرنوشت موجود زنده اثر می‎گذارند و موجب مرگ موجود می‎گردند که به آنها موتاسیون مهلک گفته می‎شود. برخی دیگر از تغییرات موتاسیونی سبب مرگ ژنتیکی موجود یعنی توقف تولید مثل یا عقیمی در موجودات بالاتر می‎شوند.

اصولاً زمانی از اصلاح با روش موتاسیون استفاده می‎شود که:

1- صفت مورد نظر در ژرم پلاسم گیاه مربوطه در بانک ژن موجود نباشد و حتی در طبیعت بین خویشاوندان وحشی نیز مشاهده نگردد.

2- صفت مورد نظر در گونه‎های خویشاوند موجود باشد اما امکان انتقال آن صفت میسر نبوده و یا با مشکلات و صرف زمان و هزینه‎های سنگین همراه باشد.

3- ژن صفت مربوطه در گونه‎های خویشاوند موجود بوده و امکان انتقال آن نیز میسر باشد ولی آن صفت با سایر صفات نامطلوب تشکیل یک بلوک ژنی را داده باشند به طور یکه امکان شکستن آن بسیار مشکل باشد.