Освен трите основни агрегатни състояния: течно, твърдо и газообразно, има и четвърто агрегатно състояние. Това състояние се нарича плазма. плазма- частично или напълно йонизиран газ. Плазмата може да се получи чрез допълнително нагряване на газа. При достатъчно високи температури започва йонизацията на газа. И преминава в състояние на плазма.

Степента на йонизация на плазмата може да бъде различна в зависимост от това колко атоми и молекули са йонизирани. Освен чрез нагряване на газа, плазмата може да се получи и по други начини. Например с помощта на радиация или газова бомбардировка от бързи заредени частици. В такива случаи се говори за нискотемпературна плазма.

Свойства на плазмата

Плазмата е изолирана в отделно четвърто агрегатно състояние, тъй като има специфични свойства. Плазмата като цяло е електрически неутрална система. Всяко нарушение на неутралността се елиминира чрез натрупване на частици от същия знак.

Това е така, защото заредените частици на плазмата имат много висока подвижност и лесно се повлияват от електрически и магнитни полета. Под действието на електрическите полета заредените частици се придвижват до зоната, където неутралността е нарушена, докато електрическото поле стане нула, т.е. неутралността се възстановява.

Силите на привличане на Кулон действат между плазмените молекули. В този случай всяка частица незабавно взаимодейства с много други околни частици. В резултат на това плазмените частици, в допълнение към хаотичното топлинно движение, могат да участват в различни подредени движения. Следователно е лесно да се възбудят различни трептения и вълни в плазмата.
С увеличаване на степента на йонизация на плазмата се увеличава нейната проводимост. При достатъчно високи температури плазмата може да се счита за свръхпроводник.

Плазма в природата

Голяма част от материята на Вселената е в състояние на плазма. Например Слънцето и другите звезди, поради високата си температура, се състоят главно от напълно йонизирана плазма. Междузвездната среда също се състои от плазма. Тук йонизацията на атомите се причинява от излъчването на самите звезди.

Междузвездната плазма е пример за нискотемпературна плазма. Нашата планета също е заобиколена от плазма. Например йоносферата. В йоносферата йонизацията на газа се причинява от слънчевата радиация. Над йоносферата са разположени радиационните пояси на Земята, които също се състоят от плазма.

В този случай плазмата също е нискотемпературна. Свободните електрони в металите също притежават повечето от свойствата на плазмата. Но тяхното ограничение е фактът, че те не могат да се движат свободно в целия обем на тялото.

Снимката показва пълно слънчево затъмнение, наблюдавано във Франция през 1999 г. Заостреният ореол от светлина е плазма от слънчевата корона

Материята съществува в четири възможни състояния: твърдо, течно, газообразно и под формата на плазма, която е наелектризиран газ. Рядко се сблъскваме с естествена плазма - тя може да се види по време на гръмотевични бури и северно сияние или когато гледаме Слънцето през специален филтър. И все пак плазмата, въпреки целия й недостиг в нашето ежедневие, съставлява повече от 99% от видимата материя във Вселената (тоест, ако тъмната материя се изключи).

Как се образува плазмата

Представете си, че нагрявате контейнер, пълен с лед, и го наблюдавате как преминава от твърдо в течно състояние към газ. С повишаването на температурата водните молекули стават по-енергични и възбудими и се движат все по-свободно. Ако продължите да нагрявате, тогава при температура от около 12 хиляди градуса по Целзий самите атоми ще започнат да се разпадат. Електроните ще избягат от ядрата, оставяйки след себе си заредени частици, известни като йони, които в крайна сметка се озовават в супа от електрони. Това е състоянието на плазмата.

Плазмата във физиката и в кръвта

Връзката между кръвта и "физическата" плазма е повече от просто съвпадение. През 1927 г. американският химик Ървинг Лангмюр забеляза, че точно както плазмата носи електрони, йони, молекули и други примеси, кръвната плазма също носи червени и бели кръвни клетки и микроби. Langmuir става пионер в изследването на плазмата. Заедно с колегата си Леви Тонкс той откри също, че плазмата се характеризира с бързи трептения на електрони, дължащи се на колективното поведение на частиците.

Друго интересно свойство на плазмата е нейната способност да поддържа така наречените хидромагнитни издути вълни, които се движат през плазмата по линията на магнитното поле, подобно на вибрациите, разпространяващи се по струна на китара. Когато през 1942 г. шведският учен Ханес Алвен, който по-късно става Нобелов лауреат, за първи път предполага съществуването на тези вълни, общността на физиците е скептична. Но след като Алфвен изнесе лекция в Чикагския университет, известният физик и лектор Енрико Ферми се обърна към него, за да обсъди теорията, като призна, че такива вълни могат да съществуват.

Термоядрен синтез

Един от най-големите двигатели на съвременната наука за плазмата е перспективата за контролиран синтез, при който атомите се сливат заедно и освобождават интензивни, но контролирани изблици на енергия. Това би осигурило почти неограничен източник на безопасна, чиста енергия, но не е толкова лесна задача. Преди такова сливане да се случи на Земята, плазмата трябва да се нагрее до над 100 милиона градуса по Целзий, около 10 пъти по-горещо от центъра на Слънцето. Но това не е най-трудното, тъй като учените успяха да достигнат такава температура през 90-те години. Горещата плазма обаче е силно нестабилна и следователно трудна за съхранение и контрол.

Опитите за контролиран термоядрен синтез датират от началото на 50-те години на миналия век. По това време изследванията се извършват тайно от САЩ, както и от Съветския съюз и Великобритания. В САЩ Принстънският университет беше опорната точка за това изследване. Там физикът Лиман Спицър стартира проекта Матерхорн, в който тайна група учени се опитват да постигнат контролиран синтез с помощта на устройство, наречено стеларатор. Те нямаха компютри и трябваше да разчитат само на собствените си изчисления. Въпреки че не разрешиха пъзела, те в крайна сметка разработиха "енергийния принцип", който остава мощен метод за тестване на идеалната стабилност на плазмата днес.

токамак

Междувременно учените в Съветския съюз създадоха друго устройство, токамак. Тази машина, разработена от физиците Андрей Сахаров и Игор Там, използва силно магнитно поле, за да принуди горещата плазма във формата на поничка. Токамакът беше по-добър в поддържането на плазмата гореща и стабилна и до днес повечето програми за изследване на термоядрения синтез разчитат на дизайна на токамак. Днес Китай, Европейският съюз, Индия, Япония, Корея, Русия и Съединените щати се обединиха, за да построят най-големия токамак реактор в света, който се очаква да отвори врати през 2025 г. През последните години обаче има и възраждане на ентусиазма за стелараторите, с най-голямото откриване в света в Германия през 2015 г. Инвестирането и в двата метода вероятно ни дава най-добрия шанс в крайна сметка да успеем.

Плазма в околоземното пространство

Плазмата също е свързана с физиката на пространството около Земята, където материята се транспортира от ветрове, генерирани в горната атмосфера на Слънцето. Имаме късмет, че магнитното поле на Земята ни предпазва от заредени плазмени частици и разрушителната радиация на такъв слънчев вятър, но всички наши спътници, космически кораби и астронавти са изложени на това въздействие. Способността им да оцелеят в тази враждебна среда зависи от разбирането и адаптирането към капризите на плазмата.

В нова област, известна като "космическо време", физиката на плазмата играе роля, подобна на динамиката на флуидите в земните атмосферни условия. Има такова нещо като магнитно повторно свързване, при което линиите на магнитното поле в плазмата могат да се скъсат и да се свържат отново, което води до бързо освобождаване на енергия. Смята се, че този процес захранва слънчевите изригвания, въпреки че подробното разбиране остава неуловимо. Но в бъдеще ще можем да прогнозираме слънчеви бури по същия начин, по който прогнозираме лошото време на Земята.

С какво плазмата ни помага днес

Може би един ден физиката на плазмата ще ни даде представа как са се образували звездите, галактиките и галактическите купове. Според стандартния космологичен модел плазмата е била често срещана в ранната вселена, след това всичко е започнало да се охлажда и заредените електрони и протони са се свързали, за да направят водородните атоми електрически неутрални. Това състояние продължава до образуването на първите звезди и черни дупки, които започват да излъчват радиация, след което Вселената се „рейонизира“ и се връща към плазменото състояние.

Днес, благодарение на плазмата, учените могат да откриват черни дупки. Те са толкова плътни, че практически не отразяват светлината, поради което са практически невидими за пряко наблюдение. Черните дупки обаче обикновено са заобиколени от въртящ се диск от плазмена материя, който се движи в рамките на гравитационното привличане на черната дупка и излъчва високоенергийни фотони. Именно тях учените могат да наблюдават в рентгеновия спектър.

Плазмата все още ни изглежда като доста екзотично състояние на материята, но когато се научим да използваме нейния потенциал и да разширим представата си за космоса, един ден тя може да стане толкова обичайна за нас, колкото ледът и водата. И ако някога постигнем контролиран ядрен синтез, тогава без плазма просто няма да можем да живеем повече.

Кръвна плазма: съставни елементи (вещества, протеини), функции в организма, приложение

Кръвната плазма е първият (течен) компонент на най-ценната биологична среда, наречена кръв. Кръвната плазма заема до 60% от общия кръвен обем. Втората част (40-45%) от течността, циркулираща в кръвния поток, се поема от формирани елементи: еритроцити, левкоцити и тромбоцити.

Съставът на кръвната плазма е уникален. Какво го няма? Различни протеини, витамини, хормони, ензими - като цяло всичко, което осигурява живота на човешкото тяло всяка секунда.

Състав на кръвната плазма

Жълтеникава прозрачна течност, отделена при образуването на намотка в епруветка - плазма ли е? Не това кръвен серум, в който няма коагулиран протеин (фактор I), той отиде в съсирек. Въпреки това, ако вземете кръв в епруветка с антикоагулант, тогава тя няма да й позволи (кръвта) да се съсири и тежките оформени елементи ще потънат на дъното след известно време, докато отгоре ще има и жълтеникаво, но донякъде мътна, за разлика от серума, течност, ето я и яжте кръвна плазма, чиято мътност се дава от съдържащите се в него протеини, по-специално фибриноген (FI).

Съставът на кръвната плазма е поразителен в своето разнообразие. В него, в допълнение към водата, която е 90 - 93%, има компоненти от протеинова и непротеинова природа (до 10%):

плазма в кръвта

• , които заемат 7 - 8% от общия обем на течната част на кръвта (1 литър плазма съдържа от 65 до 85 грама протеини, нормата на общия протеин в кръвта при биохимичен анализ: 65 - 85 g / л). Разпознават се основните плазмени протеини (до 50% от всички протеини или 40 - 50 g / l), (≈ 2,7%) и фибриноген;
• Други вещества от протеинова природа (компоненти на комплемента, въглехидратно-протеинови комплекси и др.);
• Биологично активни вещества (ензими, хемопоетични фактори - хемоцитокини, хормони, витамини);
• Пептидите с ниско молекулно тегло са цитокини, които по принцип са протеини, но с ниско молекулно тегло се произвеждат главно от лимфоцити, въпреки че в това участват и други кръвни клетки. Въпреки техния "малък растеж", цитокините са надарени с най-важните функции, те осъществяват взаимодействието на имунната система с други системи при задействане на имунния отговор;
• Въглехидрати, които участват в метаболитни процеси, които постоянно се случват в живия организъм;
• Продукти, получени в резултат на тези метаболитни процеси, които впоследствие ще бъдат отстранени от бъбреците (и т.н.);
• В кръвната плазма се събират по-голямата част от елементите на таблицата на Д. И. Менделеев. Вярно е, че някои представители на неорганичната природа (калий, йод, калций, сяра и др.) Под формата на циркулиращи катиони и аниони са лесни за преброяване, други (ванадий, кобалт, германий, титан, арсен и др.) - поради оскъдната сума, изчислена трудно. В същото време делът на всички химически елементи, присъстващи в плазмата, е от 0,85 до 0,9%.

По този начин плазмата е много сложна колоидна система, в която "плува" всичко, което се съдържа в тялото на човека и бозайника и всичко, което се подготвя за отстраняване от него.

Водата е източник на H 2 O за всички клетки и тъкани, като присъства в плазмата в толкова значителни количества, осигурява нормално ниво (BP), поддържа повече или по-малко постоянен обем на циркулиращата кръв (BCC).

Различавайки се по аминокиселинни остатъци, физикохимични свойства и други характеристики, протеините формират основата на тялото, осигурявайки му живот. Чрез разделянето на плазмените протеини на фракции може да се установи съдържанието на отделни протеини, по-специално албумини и глобулини, в кръвната плазма. Това се прави за диагностични цели в лаборатории, това се прави в индустриален мащаб, за да се получат много ценни терапевтични лекарства.

Сред минералните съединения най-голям дял в състава на кръвната плазма имат натрият и хлорът (Na и Cl). Тези два елемента заемат ≈ 0,3% от минералния състав на плазмата, т.е. те са като че ли основните, които често се използват за попълване на обема на циркулиращата кръв (BCC) в случай на загуба на кръв. В такива случаи се приготвя и прелива достъпно и евтино лекарство - изотоничен разтвор на натриев хлорид. В същото време 0,9% разтвор на NaCl се нарича физиологичен, което не е съвсем вярно: физиологичният разтвор трябва освен натрий и хлор да съдържа и други макро- и микроелементи (съответстващи на минералния състав на плазмата).

Видео: какво е кръвна плазма

Функциите на кръвната плазма се осигуряват от протеини

Функциите на кръвната плазма се определят от нейния състав, главно протеин. Този въпрос ще бъде разгледан по-подробно в разделите по-долу, посветени на основните плазмени протеини, но няма да навреди накратко да се отбележат най-важните задачи, които решава този биологичен материал. И така, основните функции на кръвната плазма:

1. Транспорт (албумин, глобулини);
2. Детоксикация (албумин);
3. Защитни (глобулини - имуноглобулини);
4. Коагулация (фибриноген, глобулини: алфа-1-глобулин - протромбин);
5. Регулаторни и координационни (албумин, глобулини);

Това е накратко за функционалната цел на течността, която като част от кръвта непрекъснато се движи през кръвоносните съдове, осигурявайки нормалното функциониране на тялото. Но все пак на някои от неговите компоненти трябваше да се обърне повече внимание, например какво научи читателят за протеините на кръвната плазма, след като получи толкова малко информация? Но именно те решават основно изброените задачи (функции на кръвната плазма).

протеини на кръвната плазма

Разбира се, вероятно е трудно да се даде най-пълното количество информация, засягаща всички характеристики на протеините, присъстващи в плазмата, в малка статия, посветена на течната част на кръвта. Междувременно е напълно възможно да се запознае читателят с характеристиките на основните протеини (албумини, глобулини, фибриноген - те се считат за основните плазмени протеини) и да се споменат свойствата на някои други вещества от протеинова природа. Особено след като (както беше споменато по-горе) те осигуряват висококачествено изпълнение на функционалните си задължения с тази ценна течност.

Основните плазмени протеини ще бъдат обсъдени малко по-долу, но бих искал да представя на читателя таблица, която показва кои протеини представляват основните кръвни протеини, както и тяхната основна цел.

Таблица 1. Основни плазмени протеини

Основни плазмени протеини	Съдържание в плазма (норма), g/l	Основни представители и тяхното функционално предназначение
Албумини	35 - 55	"Строителен материал", катализатор на имунологични реакции, функции: транспорт, неутрализация, регулиране, защита.
Алфа глобулин α-1	1,4 – 3,0	α1-антитрипсин, α-киселинен протеин, протромбин, кортизол-транспортиращ транскортин, тироксин-свързващ протеин, α1-липопротеин, транспортиращ мазнините до органите.
Алфа глобулин α-2	5,6 – 9,1	α-2-макроглобулин (основният протеин в групата) е участник в имунния отговор, хаптоглобинът образува комплекс със свободния хемоглобин, церулоплазминът пренася медта, аполипопротеин В транспортира липопротеини с ниска плътност ("лош" холестерол).
Бета глобулини: β1+β2	5,4 – 9,1	Хемопексин (свързва хемоглобина хем, който предотвратява отстраняването на желязото от тялото), β-трансферин (пренася Fe), компонент на комплемента (участва в имунологичните процеси), β-липопротеини - "превозно средство" за холестерол и фосфолипиди.
Гама глобулин γ	8,1 – 17,0	Естествени и придобити антитела (имуноглобулини от 5 класа - IgG, IgA, IgM, IgE, IgD), които основно осъществяват имунна защита на ниво хуморален имунитет и създават алергичен статус на тялото.
фибриноген	2,0 – 4,0	Първият фактор на системата за кръвосъсирване е FI.

Албумини

Албумините са прости протеини, които в сравнение с други протеини:

структура на албумин

• Те показват най-висока стабилност в разтвори, но в същото време се разтварят добре във вода;
• Те понасят добре минусови температури, като не се увреждат особено при повторно замразяване;
• Не се свиват при изсъхване;
• Престоявайки 10 часа при температура, която е доста висока за други протеини (60ᵒС), те не губят свойствата си.

Способността на тези важни протеини се дължи на наличието в молекулата на албумина на много голям брой полярни разпадащи се странични вериги, което определя основните функционални отговорности на протеините - участие в метаболизма и осъществяване на антитоксичен ефект. Функциите на албумина в кръвната плазма могат да бъдат представени, както следва:

1. Участие във водния метаболизъм (поради албумините се поддържа необходимия обем течност, тъй като те осигуряват до 80% от общото колоидно осмотично кръвно налягане);
2. Участие в транспортирането на различни продукти и особено на тези, които трудно се разтварят във вода, например мазнини и жлъчен пигмент - билирубин (билирубинът, след като влезе в контакт с молекулите на албумина, става безвреден за тялото и в това състояние се прехвърля в черния дроб );
3. Взаимодействие с макро- и микроелементи, влизащи в плазмата (калций, магнезий, цинк и др.), както и с много лекарства;
4. Свързване на токсични продукти в тъканите, където тези протеини проникват свободно;
5. Въглехидратен трансфер;
6. Свързване и прехвърляне на свободни мастни киселини - мастни киселини (до 80%), изпратени до черния дроб и други органи от мастните депа и, обратно, мастните киселини не проявяват агресия срещу червените кръвни клетки (еритроцити) и не настъпва хемолиза;
7. Защита срещу мастна хепатоза на клетките на чернодробния паренхим и дегенерация (мастни) на други паренхимни органи и, в допълнение, пречка за образуването на атеросклеротични плаки;
8. Регулиране на "поведението" на определени вещества в човешкото тяло (тъй като активността на ензими, хормони, антибактериални лекарства в свързана форма пада, тези протеини помагат да се насочи тяхното действие в правилната посока);
9. Осигуряване на оптимално ниво на катиони и аниони в плазмата, защита от негативните ефекти на случайно попаднали в тялото соли на тежки метали (те се комплексират с тях чрез тиолови групи), неутрализиране на вредни вещества;
10. Катализа на имунологични реакции (антиген→антитела);
11. Поддържане на постоянно рН на кръвта (четвъртият компонент на буферната система са плазмените протеини);
12. Помощ при "строителството" на тъканни протеини (албумините, заедно с други протеини, представляват резерв от "строителни материали" за толкова важен въпрос).

Албуминът се синтезира в черния дроб. Средният полуживот на този протеин е 2 - 2,5 седмици, въпреки че някои "живеят" една седмица, докато други "работят" до 3 - 3,5 седмици. Чрез фракциониране на протеини от плазмата на донорите се получава ценен терапевтичен препарат (5%, 10% и 20% разтвор), който има подобно име. Албуминът е последната фракция в процеса, така че производството му изисква значителни разходи за труд и материали, следователно и цената на терапевтичния агент.

Показания за употребата на донорен албумин са различни (в повечето случаи доста тежки) състояния: голяма животозастрашаваща кръвозагуба, спад в нивата на албумин и намаляване на колоидно-осмотичното налягане поради различни заболявания.

Глобулини

Тези протеини заемат по-малка част в сравнение с албумина, но доста осезаеми сред другите протеини. В лабораторни условия глобулините се разделят на пет фракции: α-1, α-2, β-1, β-2 и γ-глобулини. При производствени условия за получаване на препарати от фракция II + III се изолират гама-глобулини, които впоследствие ще се използват за лечение на различни заболявания, придружени от нарушение в имунната система.

разнообразие от форми на плазмени протеинови видове

За разлика от албумините, водата не е подходяща за разтваряне на глобулини, тъй като те не се разтварят в нея, но неутралните соли и слабите основи са доста подходящи за приготвяне на разтвор на този протеин.

Глобулините са много важни плазмени протеини, в повечето случаи те са острофазови протеини. Въпреки факта, че тяхното съдържание е в рамките на 3% от всички плазмени протеини, те решават най-важните задачи за човешкото тяло:

• Алфа-глобулините участват във всички възпалителни реакции (увеличаване на α-фракцията се отбелязва в биохимичния кръвен тест);
• Алфа и бета глобулините, като част от липопротеините, изпълняват транспортни функции (мазнините в свободно състояние в плазмата се появяват много рядко, освен след нездравословно мазно хранене, а при нормални условия холестеролът и други липиди се свързват с глобулини и образуват вода -разтворима форма, която лесно се транспортира от един орган в друг);
• α- и β-глобулините участват в метаболизма на холестерола (виж по-горе), което определя тяхната роля в развитието на атеросклероза, така че не е изненадващо, че при патологии, протичащи с натрупване на липиди, стойностите на бета фракцията се променят нагоре ;
• Глобулините (алфа-1 фракция) пренасят витамин B12 и определени хормони;
• Алфа-2-глобулинът е част от хаптоглобина, който участва много активно в окислително-редукционните процеси - този острофазов протеин свързва свободния хемоглобин и по този начин предотвратява отстраняването на желязото от тялото;
• Част от бета-глобулините, заедно с гама-глобулините, решават проблемите на имунната защита на организма, т.е. те са имуноглобулини;
• Представители на алфа, бета-1 и бета-2 фракции понасят стероидни хормони, витамин А (каротин), желязо (трансферин), мед (церулоплазмин).

Очевидно в рамките на своята група глобулините се различават до известна степен един от друг (предимно по своята функционална цел).

Трябва да се отбележи, че с възрастта или с определени заболявания черният дроб може да започне да произвежда не съвсем нормални алфа и бета глобулини, докато променената пространствена структура на протеиновата макромолекула няма да има най-добър ефект върху функционалните способности на глобулините.

Гама глобулини

Гамаглобулините са протеини на кръвната плазма с най-ниска електрофоретична подвижност; тези протеини съставляват по-голямата част от естествените и придобитите (имунни) антитела (AT). Гамаглобулините, образувани в тялото след среща с чужд антиген, се наричат ​​имуноглобулини (Ig). Понастоящем, с появата на цитохимични методи в лабораторната служба, стана възможно да се изследва серум, за да се определят имунните протеини и техните концентрации в него. Не всички имуноглобулини, а има 5 класа от тях, имат еднакво клинично значение, освен това плазменото им съдържание зависи от възрастта и промените в различни ситуации (възпалителни заболявания, алергични реакции).

Таблица 2. Класове имуноглобулини и техните характеристики

Имуноглобулин (Ig) клас	Плазмено (серумно) съдържание, %	Основно функционално предназначение
Ж	ДОБРЕ. 75	Антитоксини, антитела, насочени срещу вируси и грам-положителни микроби;
А	ДОБРЕ. 13	Антиинсуларни антитела при захарен диабет, антитела насочени срещу капсулни микроорганизми;
М	ДОБРЕ. 12	Направление - вируси, грам-отрицателни бактерии, антитела на Форсман и Васерман.
д	0,0…	Реагини, специфични антитела срещу различни (определени) алергени.
д	В ембриона, при деца и възрастни, е възможно да се открият следи	Те не се вземат предвид, тъй като нямат клинично значение.

Концентрацията на имуноглобулини от различни групи има забележими колебания при деца от по-млада и средна възраст (главно поради имуноглобулини от клас G, където се отбелязват доста високи нива - до 16 g / l). Въпреки това, след около 10-годишна възраст, когато се правят ваксинации и се прехвърлят основните детски инфекции, съдържанието на Ig (включително IgG) намалява и се установява на нивото на възрастните:

IgM - 0,55 - 3,5 g / l;

IgA - 0,7 - 3,15 g / l;

IgG - 0,7 - 3,5 g / l;

фибриноген

Първият коагулационен фактор (FI - фибриноген), който по време на образуването на съсирек преминава във фибрин, който образува намотка (наличието на фибриноген в плазмата го отличава от серума), всъщност се отнася до глобулини.

Фибриногенът лесно се утаява с 5% етанол, който се използва при фракциониране на протеини, както и с полунаситен разтвор на натриев хлорид, плазмена обработка с етер и повторно замразяване. Фибриногенът е термолабилен и се сгъва напълно при температура 56 градуса.

Без фибриноген фибринът не се образува и кървенето не спира без него. Преходът на този протеин и образуването на фибрин се извършва с участието на тромбин (фибриноген → междинен продукт - фибриноген В → тромбоцитна агрегация → фибрин). Началните етапи на полимеризация на коагулационния фактор могат да бъдат обърнати, но под въздействието на фибрин-стабилизиращ ензим (фибриназа) настъпва стабилизиране и протичането на обратната реакция е изключено.

Участието в реакцията на коагулация на кръвта е основната функционална цел на фибриногена, но има и други полезни свойства, например, в хода на изпълнение на задълженията си, укрепва съдовата стена, прави малък „ремонт“, прилепвайки към ендотела и по този начин затваряне на малки дефекти, които след това възникват в хода на живота на човека.

Плазмените протеини като лабораторни параметри

В лабораторни условия, за да се определи концентрацията на плазмените протеини, можете да работите с плазма (кръвта се взема в епруветка с антикоагулант) или да се проведе изследване на серум, взет в суха чиния. Серумните протеини не се различават от плазмените протеини, с изключение на фибриногена, който, както знаете, отсъства в кръвния серум и който без антикоагулант отива да образува съсирек. Основните протеини променят цифровите си стойности в кръвта по време на различни патологични процеси.

Увеличаването на концентрацията на албумин в серума (плазмата) е най-рядкото явление, което възниква при дехидратация или при прекомерен прием (интравенозно приложение) на високи концентрации на албумин. Намалените нива на албумин могат да показват изчерпване на чернодробната функция, проблеми с бъбреците или нарушения в стомашно-чревния тракт.

Увеличаването или намаляването на протеиновите фракции е характерно за редица патологични процеси,например острофазовите протеини алфа-1- и алфа-2-глобулини, повишавайки стойностите си, могат да показват остър възпалителен процес, локализиран в дихателните органи (бронхи, бели дробове), засягащ отделителната система (бъбреци) или сърдечния мускул (инфаркт на миокарда).

Специално място в диагностиката на различни състояния се отделя на фракцията на гама-глобулините (имуноглобулините). Определянето на антитела помага да се разпознае не само инфекциозно заболяване, но и да се разграничи неговият стадий. По-подробна информация за промяната в стойностите на различни протеини (протеинограма) читателят може да намери в отделна.

Отклоненията от нормата на фибриногена се проявяват като нарушения в системата на хемокоагулацията, поради което този протеин е най-важният лабораторен показател за кръвосъсирването (коагулограма, хемостазиограма).

Що се отнася до други протеини, които са важни за човешкото тяло, при изследване на серума, използвайки определени техники, можете да намерите почти всеки, който представлява интерес за диагностициране на заболявания. Например, като изчисли концентрацията (бета-глобулин, протеин от острата фаза) в пробата и я разглежда не само като „носител“ (въпреки че това вероятно е на първо място), лекарят ще знае степента на свързване с протеина на желязото, отделяно от червените кръвни клетки, тъй като Fe 3+, както знаете, намирайки се в свободно състояние в тялото, дава изразен токсичен ефект.

Изследването на серума за определяне на съдържанието (острофазов протеин, метален гликопротеин, меден носител) помага да се диагностицира такава тежка патология като болестта на Коновалов-Уилсън (хепатоцеребрална дегенерация).

По този начин, чрез изследване на плазма (серум), е възможно да се определи в него съдържанието както на онези протеини, които са жизненоважни, така и на тези, които се появяват в кръвен тест като индикатор за патологичен процес (например).

Кръвната плазма е лечебно средство

Приготвянето на плазма като терапевтично средство започва през 30-те години на миналия век. Сега нативната плазма, получена чрез спонтанно утаяване на формирани елементи в рамките на 2 дни, не се използва дълго време. Остарелите бяха заменени с нови методи за разделяне на кръвта (центрофугиране, плазмафереза). Кръвта след подготовката се подлага на центрофугиране и се разделя на компоненти (плазма + формирани елементи). Получената по този начин течна част от кръвта обикновено се замразява (прясно замразена плазма) и за да се избегне инфекция с хепатит, по-специално хепатит С, който има доста дълъг инкубационен период, се изпраща за карантинно съхранение. Замразяването на тази биологична среда при ултраниски температури дава възможност да се съхранява в продължение на година или повече, така че по-късно да се използва за приготвяне на препарати (криопреципитат, албумин, гама-глобулин, фибриноген, тромбин и др.).

В момента течната част на кръвта за преливане все повече се приготвя чрез плазмафереза, която е най-безопасна за здравето на донорите. Формираните елементи след центрофугиране се връщат чрез интравенозно инжектиране, а протеините, загубени с плазмата в тялото на човек, който е дарил кръв, бързо се регенерират, достигат до физиологична норма, без да нарушават функциите на самия орган.

В допълнение към прясно замразената плазма, трансфузирана при много патологични състояния, като терапевтичен агент се използва имунна плазма, получена след имунизация на донор със специфична ваксина, например стафилококов токсоид. Такава плазма, която има висок титър на антистафилококови антитела, се използва и за получаване на антистафилококов гамаглобулин (човешки антистафилококов имуноглобулин) - лекарството е доста скъпо, тъй като производството му (фракциониране на протеин) изисква значителен труд и материали разходи. А суровината за него е кръвната плазма имунизирандонори.

Плазмата против изгаряне също е вид имунна среда. Отдавна е отбелязано, че кръвта на хора, преживели такъв ужас, първоначално носи токсични свойства, но след месец в нея започват да се откриват изгарящи антитоксини (бета и гама глобулини), които могат да помогнат на „приятели в нещастие“ в остър период на изгаряне.

Разбира се, получаването на такъв терапевтичен агент е съпроводено с определени трудности, въпреки факта, че по време на периода на възстановяване изгубената течна част от кръвта се попълва с донорска плазма, тъй като тялото на изгорените хора изпитва изчерпване на протеини. въпреки това донортрябва да е възрастен и иначе здрав и неговата плазма трябва да има определен титър на антитела (поне 1:16). Имунната активност на реконвалесцентната плазма продължава около две години и един месец след възстановяването може да бъде взета от реконвалесцентни донори без компенсация.

От плазмата на донорска кръв за хора, страдащи от хемофилия или друга патология на кръвосъсирването, която е придружена от намаляване на антихемофилния фактор (FVIII), фактора на фон Вилебранд (VWF) и фибриназата (фактор XIII, FXIII), се получава хемостатичен агент, наречен криопреципитат подготвени. Активната му съставка е фактор на кръвосъсирването VIII.

Видео: за събирането и използването на кръвна плазма

Фракциониране на плазмени протеини в индустриален мащаб

Междувременно използването на цяла плазма в съвременните условия не винаги е оправдано. При това както от терапевтична, така и от икономическа гледна точка. Всеки от плазмените протеини има свои уникални физикохимични и биологични свойства. А необмисленото вливане на такъв ценен продукт на човек, който се нуждае от определен плазмен протеин, а не цялата плазма, няма смисъл, освен това е скъпо в материално отношение. Тоест една и съща доза от течната част на кръвта, разделена на компоненти, може да бъде от полза за няколко пациенти, а не за един пациент, който се нуждае от отделно лекарство.

Индустриалното производство на лекарства е признато в света след разработките в тази насока на учени от Харвардския университет (1943 г.). Фракционирането на плазмените протеини се основава на метода на Кон, чиято същност е утаяването на протеинови фракции чрез постепенно добавяне на етилов алкохол (концентрация на първия етап - 8%, на крайния етап - 40%) при ниски температури (- 3ºС - етап I, -5ºС - последен) . Разбира се, методът е модифициран няколко пъти, но сега (в различни модификации) се използва за получаване на кръвни продукти по цялата планета. Ето краткото му описание:

• Протеинът се утаява в първия етап фибриноген(преципитат I) - този продукт след специална обработка ще отиде в медицинската мрежа под собственото си име или ще бъде включен в комплект за спиране на кървене, наречен "Фибриностат");
• Вторият етап от процеса е супернатантата II + III ( протромбин, бета и гама глобулини) - тази фракция ще отиде за производството на лекарство, наречено нормален човешки гама-глобулин, или ще бъде освободен като средство за защита, наречено антистафилококов гама-глобулин. Във всеки случай от супернатантата, получена във втория етап, е възможно да се приготви препарат, съдържащ голямо количество антимикробни и антивирусни антитела;
• Третият, четвъртият етап на процеса са необходими, за да се стигне до утайката V ( албумин+ примес на глобулини);
• 97 – 100% албуминизлиза само на последния етап, след което ще отнеме много време за работа с албумин, докато влезе в лечебните заведения (5, 10, 20% албумин).

Но това е само накратко, такова производство всъщност отнема много време и изисква участието на многоброен персонал с различна степен на квалификация. На всички етапи от процеса бъдещото най-ценно лекарство е под постоянен контрол на различни лаборатории (клинични, бактериологични, аналитични), тъй като всички параметри на кръвния продукт на изхода трябва стриктно да отговарят на всички характеристики на трансфузионната среда.

По този начин плазмата, освен факта, че осигурява нормалното функциониране на тялото в кръвта, може да бъде и важен диагностичен критерий, който показва здравословното състояние или може да спаси живота на други хора, използвайки уникалните си свойства. И не всичко е кръвна плазма. Не започнахме да даваме пълно описание на всички негови протеини, макро- и микроелементи, за да опишем подробно неговите функции, защото всички отговори на останалите въпроси могат да бъдат намерени на страниците на VesselInfo.

Човешката кръв е представена от 2 компонента: течна основа или плазма и клетъчни елементи. Какво представлява плазмата и какъв е нейният състав? Каква е функцията на плазмата? Нека вземем всичко в ред.

Всичко за плазмата

Плазмата е течност, образувана от вода и твърди вещества. Той съставлява по-голямата част от кръвта - около 60%. Благодарение на плазмата кръвта е в течно състояние.Въпреки че по физически показатели (по отношение на плътността) плазмата е по-тежка от водата.

Макроскопски плазмата е прозрачна (понякога мътна) хомогенна течност със светложълт цвят. Събира се в горната част на съдовете, когато образуваните елементи се утаяват. Хистологичният анализ показва, че плазмата е междуклетъчното вещество на течната част на кръвта.

Мътната плазма става, след като човек консумира мазни храни.

От какво е направена плазмата?

Съставът на плазмата е представен:

• вода;
• Соли и органични вещества.

• протеини;
• Аминокиселини;
• глюкоза;
• Хормони;
• ензимни вещества;
• Минерали (Na, Cl йони).

Какъв процент от обема на плазмата е протеин?

Това е най-многобройният плазмен компонент, той заема 8% от общата плазма. Плазмата съдържа протеини от различни фракции.

Основните са:

• Албумини (5%);
• Глобулини (3%);
• Фибриноген (принадлежи към глобулините, 0,4%).

Състав и задачи на небелтъчните съединения в плазмата

Плазмата съдържа:

• Органични съединения на основата на азот. Представители: пикочна киселина, билирубин, креатин. Увеличаването на количеството азот сигнализира за развитието на азотомия.Това състояние възниква поради проблеми с отделянето на метаболитни продукти с урината или поради активното разрушаване на протеина и приемането на голямо количество азотни вещества в тялото. Последният случай е типичен за диабет, глад, изгаряния.
• Органични съединения, които не съдържат азот. Това включва холестерол, глюкоза, млечна киселина. Те също са придружени от липиди.Всички тези компоненти трябва да се наблюдават, тъй като са необходими за поддържане на пълноценен живот.
• Неорганични вещества (Ca, Mg). Na и Cl йоните са отговорни за поддържането на постоянно рН в кръвта.Те също така следят осмотичното налягане. Ca йони участват в мускулната контракция и стимулират чувствителността на нервните клетки.

Състав на кръвната плазма

албумин

Албуминът в плазмата е основният компонент (повече от 50%). Има ниско молекулно тегло. Мястото на образуване на този протеин е черният дроб.

Предназначение на албумина:

• Пренася мастни киселини, билирубин, лекарства, хормони.
• Участва в метаболизма и образуването на протеини.
• Запазва аминокиселини.
• Образува онкотично налягане.

По количеството албумин лекарите преценяват състоянието на черния дроб. Ако съдържанието на албумин в плазмата е намалено, това показва развитието на патология.Ниските нива на този плазмен протеин при деца увеличават риска от развитие на жълтеница.

Глобулини

Глобулините са представени от големи молекулни съединения. Те се произвеждат от черния дроб, далака, тимуса.

Има няколко вида глобулини:

• α - глобулини.Те взаимодействат с тироксина и билирубина, като ги свързват. Катализира образуването на протеини. Отговаря за транспорта на хормони, витамини, липиди.
• β - глобулини.Тези протеини свързват витамини, Fe, холестерол. Носи Fe, Zn катиони, стероидни хормони, стероли, фосфолипиди.
• γ - глобулини.Антителата или имуноглобулините свързват хистамина и участват в защитните имунни реакции. Те се произвеждат от черния дроб, лимфната тъкан, костния мозък и далака.

Има 5 класа γ-глобулини:

• IgG(около 80% от всички антитела). Характеризира се с висок авидитет (съотношението на антитяло към антиген). Може да премине плацентарната бариера.
• IgM- първият имуноглобулин, който се образува в нероденото бебе. Протеинът е силно жаден. Той е първият открит в кръвта след ваксинация.
• IgA.
• IgD.
• IgE.

Фибриногенът е разтворим плазмен протеин. Синтезира се от черния дроб. Под влияние на тромбина протеинът се превръща във фибрин, неразтворима форма на фибриноген.Благодарение на фибрина, на местата, където е нарушена целостта на съдовете, се образува кръвен съсирек.

Други протеини и функции

Незначителни фракции на плазмени протеини след глобулини и албумини:

• протромбин;
• трансферин;
• имунни протеини;
• С-реактивен протеин;
• тироксин-свързващ глобулин;
• Хаптоглобин.

Задачите на тези и други плазмени протеини се свеждат до:

• Поддържане на хомеостазата и агрегатното състояние на кръвта;
• контрол на имунните реакции;
• транспорт на хранителни вещества;
• Активиране на процеса на коагулация на кръвта.

Функции и задачи на плазмата

Защо човешкото тяло се нуждае от плазма?

Функциите му са разнообразни, но основно се свеждат до 3 основни:

• Транспортиране на кръвни клетки, хранителни вещества.
• Комуникация между всички телесни течности, които се намират извън кръвоносната система. Тази функция е възможна поради способността на плазмата да прониква през съдовите стени.
• Осигуряване на хемостаза. Това включва контрол върху течността, която спира по време на кървене и премахва образувалия се кръвен съсирек.

Използването на плазма при донорство

Днес цяла кръв не се прелива: за терапевтични цели плазмата и оформените компоненти се изолират отделно. В кръводарителските пунктове най-често се дарява кръв за плазма.

Система на кръвната плазма

Как да получите плазма?

Плазмата се получава от кръвта чрез центрофугиране. Методът позволява да се отдели плазмата от клетъчните елементи с помощта на специален апарат, без да се увреждат.. Кръвните клетки се връщат на донора.

Даряването на плазма има редица предимства пред обикновеното кръводаряване:

• Количеството загуба на кръв е по-малко, което означава, че се причинява по-малко вреда на здравето.
• Кръв за плазма може да бъде дарена отново след 2 седмици.

Има ограничения за даряване на плазма. Така че донорът може да дари плазма не повече от 12 пъти годишно.

Даряването на плазма отнема не повече от 40 минути.

Плазмата е източникът на такъв важен материал като кръвния серум. Серумът е същата плазма, но без фибриноген, но със същия набор от антитела.Те са тези, които се борят с патогени на различни заболявания. Имуноглобулините допринасят за бързото развитие на пасивен имунитет.

За да се получи кръвен серум, стерилната кръв се поставя в термостат за 1 час.След това полученият кръвен съсирек се отстранява от стените на епруветката и се поставя в хладилник за 24 часа. Получената течност се добавя в стерилен съд с помощта на пипета на Пастьор.

Патологии на кръвта, засягащи естеството на плазмата

В медицината има няколко заболявания, които могат да повлияят на състава на плазмата. Всички те представляват заплаха за здравето и живота на хората.

Основните са:

• Хемофилия.Това е наследствена патология, когато липсва протеин, който е отговорен за съсирването.
• Отравяне на кръвта или сепсис.Феномен, който възниква поради инфекция директно в кръвния поток.
• DIC синдром.Патологично състояние, причинено от шок, сепсис, тежки наранявания. Характеризира се с нарушения на кръвосъсирването, които водят едновременно до кървене и образуване на кръвни съсиреци в малките съдове.
• Дълбока венозна тромбоза.При заболяването се наблюдава образуването на кръвни съсиреци в дълбоките вени (главно в долните крайници).
• Хиперкоагулация.Пациентите са диагностицирани с прекомерно високо съсирване на кръвта. Вискозитетът на последния се увеличава.

Плазменият тест или реакцията на Васерман е изследване, което открива наличието на антитела в плазмата срещу бледа трепонема. Въз основа на тази реакция се изчислява сифилисът, както и ефективността на лечението му.

Плазмата е течност със сложен състав, която играе важна роля в човешкия живот. Отговаря за имунитета, кръвосъсирването, хомеостазата.

Видео - Здравен наръчник (кръвна плазма)

Кое е четвъртото състояние на материята, с какво се различава от останалите три и как да го накараме да служи на човека.

Предположението за съществуването на първото от състоянията на материята, които надхвърлят класическата триада, е направено в началото на 19 век, а през 20-те години на миналия век то получава името си - плазма

Преди сто и петдесет години почти всички химици и много физици вярваха, че материята се състои само от атоми и молекули, които са комбинирани в повече или по-малко подредени или напълно неподредени комбинации. Малко хора се съмняваха, че всички или почти всички вещества могат да съществуват в три различни фази - твърда, течна и газообразна, които приемат в зависимост от външните условия. Но хипотези за възможността за други състояния на материята вече са изразени.

Този универсален модел е потвърден както от научни наблюдения, така и от хилядолетен опит в ежедневието. В края на краищата, всеки знае, че когато водата се охлажда, тя се превръща в лед, а когато се нагрява, кипи и се изпарява. Оловото и желязото също могат да се превърнат в течност или газ, само трябва да се нагреят по-силно. От края на 18-ти век изследователите замразяват газове в течности и изглеждаше доста правдоподобно всеки втечнен газ да може по принцип да бъде накаран да се втвърди. Като цяло простата и разбираема картина на трите състояния на материята изглежда не изисква корекции или допълнения.

На 70 км от Марсилия, в Saint-Paul-le-Durance, до френския изследователски център за атомна енергия Cadarache, ще бъде построен изследователски термоядреен реактор ITER (от латински iter - път). Основната официална задача на този реактор е „да демонстрира научната и технологична осъществимост за получаване на енергия от термоядрен синтез за мирни цели“. В дългосрочен план (30–35 години), въз основа на данните, получени по време на експериментите в реактора ITER, могат да бъдат създадени прототипи на безопасни, екологични и икономически изгодни електроцентрали.

Учените от онова време биха били доста изненадани да научат, че твърдите, течните и газообразните състояния на атомно-молекулярното вещество се запазват само при относително ниски температури, непревишаващи 10 000 °, и дори в тази зона те не изчерпват всички възможни структури (пример са течните кристали). Не би било лесно да се повярва, че те представляват не повече от 0,01% от общата маса на настоящата Вселена. Сега знаем, че материята се проявява в много екзотични форми. Някои от тях (например изроден електронен газ и неутронна материя) съществуват само в свръхплътни космически тела (бели джуджета и неутронни звезди), а някои (като кварк-глуонна течност) са родени и изчезнали за кратък момент малко след Големия Бам. Интересно е обаче, че предположението за съществуването на първата от държавите, които излизат от рамките на класическата триада, е направено все пак през деветнадесети век и то в самото му начало. Тя става обект на научни изследвания много по-късно, през 20-те години на миналия век. Тогава получи името си - плазма.

От Фарадей до Лангмюр

През втората половина на 70-те години Уилям Крукс, член на Лондонското кралско общество, много успешен метеоролог и химик (той открива талия и изключително точно определя атомното му тегло), се интересува от газовите разряди във вакуумни тръби. По това време е известно, че отрицателният електрод излъчва еманация от неизвестна природа, която немският физик Ойген Голдщайн през 1876 г. нарича катодни лъчи. След много експерименти Крукс решава, че тези лъчи не са нищо друго освен газови частици, които след сблъсък с катода придобиват отрицателен заряд и започват да се движат към анода. Той нарече тези заредени частици „лъчиста материя“, лъчиста материя.

Токамак е тороидално устройство за ограничаване на плазма с помощта на магнитно поле. Нагрятата до много високи температури плазма не се допира до стените на камерата, а се задържа от магнитни полета – тороидално, създавано от намотки, и полоидално, което се образува при протичане на ток в плазмата. Самата плазма играе ролята на вторична намотка на трансформатора (първична - намотки за създаване на тороидално поле), която осигурява предварително нагряване при протичане на електрически ток.

Трябва да се признае, че Крукс не беше оригинален в това обяснение на природата на катодните лъчи. Още през 1871 г. подобна хипотеза е изразена от известния британски електроинженер Кромуел Флийтууд Варли, един от лидерите в полагането на първия трансатлантически телеграфен кабел. Резултатите от експериментите с катодни лъчи обаче наведоха Крукс на много дълбока мисъл: средата, в която те се разпространяват, вече не е газ, а нещо съвсем различно. На 22 август 1879 г., на сесия на Британската асоциация за насърчаване на науката, Крукс заявява, че разрядите в разредени газове „са толкова различни от всичко, което се случва във въздуха или всеки газ при обикновено налягане, че в този случай имаме работа с вещество в четвърто състояние, което по свойства се различава от обикновения газ в същата степен, както газ от течност.

Често се пише, че Крукс пръв се е сетил за четвъртото състояние на материята. Всъщност тази мисъл осенила Майкъл Фарадей много по-рано. През 1819 г., 60 години преди Крукс, Фарадей предполага, че материята може да съществува в твърдо, течно, газообразно и лъчисто състояние. В доклада си Крукс каза директно, че използва термини, заимствани от Фарадей, но по някаква причина потомството забрави за това. Идеята на Фарадей обаче все още е спекулативна хипотеза и Крукс я обосновава с експериментални данни.

Катодните лъчи също бяха интензивно изследвани след Крукс. През 1895 г. тези експерименти доведоха Уилям Рьонтген до откриването на нов тип електромагнитно излъчване, а в началото на 20 век те се превърнаха в изобретяването на първите радиолампи. Но хипотезата на Крукс за четвъртото състояние на материята не предизвика интереса на физиците, най-вероятно защото през 1897 г. Джоузеф Джон Томсън доказа, че катодните лъчи не са заредени газови атоми, а много леки частици, които той нарече електрони. Това откритие изглежда прави хипотезата на Крукс ненужна.

Екранна снимка на корейски свръхпроводящ токамак (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor) тестово изпълнение на "първата плазма" в Корея на 15 юли 2008 г. KSTAR, изследователски проект за изследване на възможността за синтез за генериране на енергия, използва 30 охлаждани с течен хелий свръхпроводящи магнити .

Тя обаче се преражда като феникс от пепелта. През втората половина на 20-те години на миналия век бъдещият Нобелов лауреат по химия Ървинг Лангмюр, който работи в лабораторията на General Electric Corporation, се заема с изучаването на газовите разряди. Тогава вече знаеха, че в пространството между анода и катода газовите атоми губят електрони и се превръщат в положително заредени йони. Осъзнавайки, че такъв газ има много специални свойства, Лангмюр решава да го дари със собственото си име. По някаква странна асоциация той избра думата "плазма", която дотогава се използваше само в минералогията (това е другото име на зеления халцедон) и в биологията (течната основа на кръвта, както и суроватката). В новото си качество терминът "плазма" се появява за първи път в статията на Langmuir "Колебания в йонизираните газове", публикувана през 1928 г. В продължение на тридесет години малко хора използваха този термин, но след това той твърдо влезе в научната употреба.

Физика на плазмата

Класическата плазма е йонно-електронен газ, вероятно разреден с неутрални частици (стриктно погледнато, там винаги присъстват фотони, но при умерени температури те могат да бъдат игнорирани). Ако степента на йонизация не е твърде ниска (по правило един процент е достатъчен), този газ проявява много специфични качества, които обикновените газове не притежават. Възможно е обаче да се направи плазма, в която изобщо няма да има свободни електрони, а отрицателните йони ще поемат техните задължения.

За простота разглеждаме само електронно-йонната плазма. Неговите частици се привличат или отблъскват в съответствие със закона на Кулон и това взаимодействие се проявява на големи разстояния. Именно това ги отличава от атомите и молекулите на неутрален газ, които се усещат един друг само на много малки разстояния. Тъй като плазмените частици са в свободен полет, те лесно се изместват от електрически сили. За да бъде плазмата в състояние на равновесие, е необходимо пространствените заряди на електроните и йоните да се компенсират напълно взаимно. Ако това условие не е изпълнено, в плазмата възникват електрически токове, които възстановяват равновесието (например, ако в дадена област се образува излишък от положителни йони, електроните моментално ще се втурнат там). Следователно в равновесна плазма плътностите на частиците с различни знаци са практически еднакви. Това най-важно свойство се нарича квазинеутралност.

Почти винаги атомите или молекулите на обикновения газ участват само в двойни взаимодействия - те се сблъскват един с друг и се разлитат. Плазмата е друг въпрос. Тъй като неговите частици са свързани от далечни кулонови сили, всяка от тях е в полето на близки и далечни съседи. Това означава, че взаимодействието между плазмените частици не е сдвоено, а множествено – както казват физиците, колективно. От това следва стандартната дефиниция на плазмата - квазинеутрална система от голям брой заредени частици с противоположни имена, демонстриращи колективно поведение.

Мощните ускорители на електрони имат характерна дължина от стотици метри и дори километри. Техните размери могат да бъдат значително намалени, ако електроните се ускоряват не във вакуум, а в плазма - "на гребена" на бързо разпространяващи се смущения в плътността на плазмените заряди, така наречените събуждащи вълни, възбуждани от импулси на лазерно лъчение.

Плазмата се различава от неутралния газ по реакцията си на външни електрически и магнитни полета (обикновеният газ практически не ги забелязва). Плазмените частици, напротив, усещат произволно слаби полета и веднага се задвижват, генерирайки пространствени заряди и електрически токове. Друга важна характеристика на равновесната плазма е екранирането на заряда. Вземете плазмена частица, да речем положителен йон. Той привлича електрони, които образуват облак от отрицателен заряд. Полето на такъв йон се държи в съответствие със закона на Кулон само в близост до него и на разстояния, надвишаващи определена критична стойност, много бързо се стреми към нула. Този параметър се нарича екраниращ радиус на Дебай на името на холандския физик Питър Дебай, който описва този механизъм през 1923 г.

Лесно е да се разбере, че плазмата запазва квазинеутралност само ако нейните линейни размери във всички измерения значително надвишават радиуса на Дебай. Трябва да се отбележи, че този параметър се увеличава при нагряване на плазмата и намалява при увеличаване на нейната плътност. В плазмата на газовите разряди по порядък на величината е равна на 0,1 mm, в йоносферата на земята - 1 mm, в слънчевото ядро ​​- 0,01 nm.

контролиран синтез

Днес плазмата се използва в голямо разнообразие от технологии. Някои от тях са известни на всички (газови лампи, плазмени дисплеи), други са от интерес за тесни специалисти (производство на тежки защитни филмови покрития, производство на микрочипове, дезинфекция). Най-големи надежди обаче се възлагат на плазмата във връзка с работата по осъществяването на контролирани термоядрени реакции. Това е разбираемо. За да могат ядрата на водорода да се слеят в ядра на хелий, те трябва да бъдат приближени на разстояние от порядъка на една стомилиардна от сантиметъра - и там ядрените сили вече ще работят. Такъв подход е възможен само при температури от десетки и стотици милиони градуси - в този случай кинетичната енергия на положително заредените ядра е достатъчна, за да преодолее електростатичното отблъскване. Следователно контролираният термоядрен синтез изисква високотемпературна водородна плазма.

Плазмата е почти повсеместна в околния свят - може да се намери не само в газови разряди, но и в йоносферата на планетите, в повърхностните и дълбоки слоеве на активни звезди. Това е среда за осъществяване на контролирани термоядрени реакции и работна течност за космически електрически задвижващи двигатели и много, много повече.

Вярно е, че плазмата на базата на обикновен водород няма да помогне тук. Такива реакции се случват в недрата на звездите, но те са безполезни за земната енергия, тъй като интензивността на освобождаване на енергия е твърде ниска. Най-добрата плазма за използване е 1:1 смес от тежки водородни изотопи на деутерий и тритий (чистата деутериева плазма също е приемлива, въпреки че ще осигури по-малко енергия и ще изисква по-високи температури на запалване).

Самото нагряване обаче не е достатъчно, за да започне реакцията. Първо, плазмата трябва да е достатъчно плътна; второ, частиците, попаднали в реакционната зона, не трябва да я напускат твърде бързо - в противен случай загубата на енергия ще надвиши нейното освобождаване. Тези изисквания могат да бъдат представени под формата на критерий, предложен през 1955 г. от английския физик Джон Лоусън. В съответствие с тази формула произведението на плътността на плазмата и средното време на задържане на частиците трябва да бъде по-високо от определена стойност, определена от температурата, състава на термоядреното гориво и очакваната ефективност на реактора.

Лесно е да се види, че има два начина за изпълнение на критерия на Лоусън. Възможно е да се намали времето на задържане до наносекунди чрез компресиране на плазмата, да речем, до 100–200 g/cm3 (тъй като плазмата няма време да се разшири, този метод на задържане се нарича инерционно задържане). Физиците работят върху тази стратегия от средата на 60-те години; сега Ливърморската национална лаборатория работи върху най-модерната му версия. Тази година те ще започнат експерименти за компресиране на миниатюрни берилиеви капсули (диаметър 1,8 mm), пълни със смес от деутерий и тритий, използвайки 192 ултравиолетови лазерни лъча. Ръководителите на проекта вярват, че не по-късно от 2012 г. те ще могат не само да запалят термоядрена реакция, но и да получат положителна енергия. Може би подобна програма в рамките на проекта HiPER (High Power Laser Energy Research) ще бъде стартирана в Европа през следващите години. Въпреки това, дори ако експериментите в Ливърмор напълно оправдаят възложените им очаквания, разстоянието до създаването на истински термоядрен реактор с инерционно задържане на плазмата ще остане много голямо. Факт е, че за да се създаде прототип на електроцентрала, е необходима много високоскоростна система от свръхмощни лазери. Тя трябва да осигури такава честота на проблясъци, която да възпламени деутериево-тритиеви цели, което ще надхвърли хиляда пъти възможностите на системата Livermore, правейки не повече от 5-10 изстрела в секунда. В момента активно се обсъждат различни възможности за създаване на подобни лазерни оръдия, но тяхното практическо приложение е все още много далеч.

Токамаци: старата гвардия

Като алтернатива можете да работите с разредена плазма (плътност в нанограмове на кубичен сантиметър), като я държите в реакционната зона за поне няколко секунди. Повече от половин век такива експерименти използват различни магнитни капани, които задържат плазмата в даден обем чрез прилагане на няколко магнитни полета. Най-обещаващите се считат за токамаци - затворени магнитни капани във формата на тор, предложени за първи път от А. Д. Сахаров и И. Е. Там през 1950 г. В момента има около дузина такива инсталации в различни страни, най-големите от които са позволили да се доближим до изпълнението на критерия на Лоусън. Международният експериментален термоядрен реактор, известният ITER, който ще бъде построен в село Кадараш близо до френския град Екс ан Прованс, също е токамак. Ако всичко върви по план, ITER ще даде възможност за първи път да се получи плазма, която отговаря на критерия на Лоусън и да запали термоядрена реакция в нея.

„През последните две десетилетия постигнахме огромен напредък в разбирането на процесите, които се случват в магнитните плазмени капани, по-специално в токамаците. Като цяло вече знаем как се движат плазмените частици, как възникват нестабилни състояния на плазмените потоци и до каква степен да се увеличи плазменото налягане, така че да може все още да се поддържа от магнитно поле. Бяха създадени и нови високопрецизни методи за диагностика на плазмата, тоест измервания на различни параметри на плазмата,” Иън Хътчинсън, професор по ядрена физика и ядрени технологии в Масачузетския технологичен институт, който се занимава с токамаци повече от 30 години , каза PM. „Към днешна дата най-големите токамаци са постигнали мощност на освобождаване на топлинна енергия в деутериево-тритиева плазма от порядъка на 10 мегавата за една или две секунди. ITER ще надмине тези цифри с няколко порядъка. Ако не сгрешим, ще може да достави поне 500 мегавата за няколко минути. Ако имате истински късмет, енергията ще се генерира без ограничение във времето, в стабилен режим.

Професор Хътчинсън също така подчерта, че учените сега имат добро разбиране за природата на процесите, които трябва да се случват вътре в този огромен токамак: „Ние дори знаем условията, при които плазмата потиска собствените си турбуленции и това е много важно за контролиране на работата на реактора. Разбира се, необходимо е да се решат много технически проблеми - по-специално да се завърши разработването на материали за вътрешната облицовка на камерата, способни да издържат на интензивна неутронна бомбардировка. Но от гледна точка на физиката на плазмата картината е доста ясна – поне така си мислим. ITER трябва да потвърди, че не грешим. Ако всичко продължи по този начин, ще дойде токамак от следващо поколение, който ще стане прототип на промишлени термоядрени реактори. Но сега е рано да се говори за това. Междувременно очакваме ITER да заработи до края на това десетилетие. Най-вероятно той ще може да генерира гореща плазма не по-рано от 2018 г., поне според нашите очаквания. Така че от гледна точка на науката и технологиите проектът ITER има добри перспективи.