Z czego składa się osocze krwi i dlaczego jest potrzebne w medycynie. Plazma - czwarty stan skupienia

Oprócz trzech podstawowych stanów skupienia: ciekłego, stałego i gazowego istnieje jeszcze czwarty stan skupienia. Ten stan nazywa się plazmą. Osocze- częściowo lub całkowicie zjonizowany gaz. Plazmę można uzyskać przez dalsze ogrzewanie gazu. Przy wystarczająco wysokich temperaturach rozpoczyna się jonizacja gazu. I przechodzi w stan plazmy.

Stopień jonizacji plazmy może być różny, w zależności od tego, ile atomów i cząsteczek jest zjonizowanych. Oprócz ogrzewania gazu plazmę można uzyskać na inne sposoby. Na przykład za pomocą promieniowania lub bombardowania gazem przez szybko naładowane cząstki. W takich przypadkach mówi się o plazmie niskotemperaturowej.

Właściwości plazmy

Plazma została wyizolowana w osobnym czwartym stanie skupienia, ponieważ ma specyficzne właściwości. Plazma jako całość jest systemem elektrycznie obojętnym. Każde naruszenie neutralności jest eliminowane przez nagromadzenie cząstek tego samego znaku.

Dzieje się tak dlatego, że naładowane cząstki plazmy mają bardzo dużą ruchliwość i łatwo ulegają oddziaływaniu pól elektrycznych i magnetycznych. Pod działaniem pól elektrycznych naładowane cząstki przemieszczają się do obszaru, w którym naruszona jest neutralność, aż pole elektryczne stanie się zerowe, to znaczy przywrócona zostanie neutralność.

Siły przyciągania Coulomba działają między cząsteczkami plazmy. W tym przypadku każda cząstka oddziałuje natychmiast z wieloma innymi otaczającymi cząstkami. W rezultacie cząstki plazmy, oprócz chaotycznego ruchu termicznego, mogą uczestniczyć w różnych ruchach uporządkowanych. Dlatego łatwo jest wzbudzić różne oscylacje i fale w plazmie.
Wraz ze wzrostem stopnia jonizacji plazmy wzrasta jej przewodnictwo. W wystarczająco wysokich temperaturach plazmę można uznać za nadprzewodnik.

Plazma w przyrodzie

Ogromna część materii Wszechświata znajduje się w stanie plazmy. Na przykład Słońce i inne gwiazdy, ze względu na swoją wysoką temperaturę, składają się głównie z w pełni zjonizowanej plazmy. Ośrodek międzygwiazdowy również składa się z plazmy. Tutaj jonizacja atomów jest spowodowana promieniowaniem samych gwiazd.

Przykładem plazmy niskotemperaturowej jest plazma międzygwiazdowa. Nasza planeta jest również otoczona plazmą. Na przykład jonosfera. W jonosferze jonizacja gazu jest spowodowana promieniowaniem słonecznym. Nad jonosferą znajdują się ziemskie pasy promieniowania, które również składają się z plazmy.

W tym przypadku plazma jest również niskotemperaturowa. Swobodne elektrony w metalach również posiadają większość właściwości plazmy. Ale ich ograniczeniem jest fakt, że nie mogą swobodnie poruszać się po całej objętości ciała.

Zdjęcie przedstawia całkowite zaćmienie Słońca obserwowane we Francji w 1999 roku. Spiczaste halo światła to plazma z korony słonecznej

Materia występuje w czterech możliwych stanach: stałym, ciekłym, gazowym oraz w postaci plazmy, która jest naelektryzowanym gazem. Rzadko spotykamy naturalną plazmę - można ją zobaczyć podczas burz i zorzy polarnej lub patrząc na Słońce przez specjalny filtr. Jednak plazma, mimo całego jej niedoboru w naszym codziennym życiu, stanowi ponad 99% obserwowalnej materii we wszechświecie (to znaczy, jeśli wykluczymy ciemną materię).

Jak powstaje plazma

Wyobraź sobie, że podgrzewasz pojemnik pełen lodu i patrzysz, jak przechodzi ze stanu stałego w ciekły i gazowy. Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki wody stają się bardziej energiczne i pobudliwe oraz poruszają się coraz swobodniej. Jeśli będziesz kontynuować ogrzewanie, to w temperaturze około 12 tysięcy stopni Celsjusza same atomy zaczną się rozpadać. Elektrony uciekną z jąder, pozostawiając naładowane cząstki zwane jonami, które ostatecznie trafią do zupy elektronów. To jest stan plazmy.

Plazma w fizyce i we krwi

Związek między krwią a „fizycznym” osoczem jest czymś więcej niż tylko zbiegiem okoliczności. W 1927 roku amerykański chemik Irving Langmuir zauważył, że podobnie jak osocze przenosi elektrony, jony, cząsteczki i inne zanieczyszczenia, osocze krwi przenosi również czerwone i białe krwinki oraz drobnoustroje. Langmuir stał się pionierem w badaniu plazmy. Wraz ze swoim kolegą Levim Tonksem odkrył również, że plazma charakteryzuje się szybkimi oscylacjami elektronów w wyniku kolektywnego zachowania się cząstek.

Inną interesującą właściwością plazmy jest jej zdolność do utrzymywania tak zwanych fal wybrzuszeń hydromagnetycznych, które przechodzą przez plazmę wzdłuż linii pola magnetycznego, podobnie jak wibracje rozchodzą się wzdłuż struny gitary. Kiedy w 1942 roku szwedzki naukowiec Hannes Alfven, późniejszy laureat Nagrody Nobla, po raz pierwszy zasugerował istnienie tych fal, środowisko fizyków było sceptyczne. Ale po tym, jak Alfvén wygłosił wykład na Uniwersytecie w Chicago, znany fizyk i wykładowca Enrico Fermi podszedł do niego, aby omówić teorię, przyznając, że takie fale mogą istnieć.

Fuzja termojądrowa

Jednym z największych motorów napędowych współczesnej nauki o plazmie jest perspektywa kontrolowanej syntezy jądrowej, w której atomy łączą się ze sobą i uwalniają intensywne, ale kontrolowane wybuchy energii. Zapewniłoby to niemal nieograniczone źródło bezpiecznej, czystej energii, ale nie jest to takie łatwe zadanie. Zanim taka fuzja nastąpi na Ziemi, plazma musi zostać podgrzana do ponad 100 milionów stopni Celsjusza, około 10 razy cieplej niż w centrum Słońca. Ale to nie jest najtrudniejsze, ponieważ naukowcom udało się osiągnąć taką temperaturę w latach 90. Gorąca plazma jest jednak wysoce niestabilna, przez co trudna do przechowywania i trudna do kontrolowania.

Próby osiągnięcia kontrolowanej syntezy termojądrowej sięgają wczesnych lat pięćdziesiątych. W tym czasie badania były prowadzone w tajemnicy przez Stany Zjednoczone, a także przez Związek Radziecki i Wielką Brytanię. W Stanach Zjednoczonych ośrodkiem tych badań był Uniwersytet Princeton. Tam fizyk Lyman Spitzer rozpoczął projekt Matterhorn, w ramach którego tajna grupa naukowców próbowała osiągnąć kontrolowaną syntezę jądrową za pomocą urządzenia zwanego stellaratorem. Nie mieli komputerów i musieli polegać wyłącznie na własnych obliczeniach. Chociaż nie rozwiązali zagadki, ostatecznie opracowali „zasadę energii”, która do dziś pozostaje potężną metodą testowania idealnej stabilności plazmy.

tokamak

Tymczasem naukowcy w Związku Radzieckim stworzyli inne urządzenie, tokamak. Ta maszyna, opracowana przez fizyków Andrieja Sacharowa i Igora Tamma, wykorzystywała silne pole magnetyczne do nadawania gorącej plazmie kształtu pączka. Tokamak lepiej utrzymywał gorącą i stabilną plazmę i do dziś większość programów badań nad syntezą jądrową opiera się na konstrukcji tokamaka. Dziś Chiny, Unia Europejska, Indie, Japonia, Korea, Rosja i Stany Zjednoczone połączyły siły w celu budowy największego na świecie reaktora tokamaka, który ma zostać otwarty w 2025 roku. Jednak w ostatnich latach nastąpił również odrodzenie entuzjazmu dla gwiezdnych gwiazd, z największym na świecie otwarciem w Niemczech w 2015 roku. Inwestowanie w obie metody prawdopodobnie daje nam największe szanse na odniesienie sukcesu.

Plazma w przestrzeni bliskiej Ziemi

Plazma jest również związana z fizyką przestrzeni kosmicznej wokół Ziemi, gdzie materia jest przenoszona przez wiatry generowane w górnych warstwach atmosfery Słońca. Mamy szczęście, że ziemskie pole magnetyczne chroni nas przed naładowanymi cząstkami plazmy i niszczycielskim promieniowaniem takiego wiatru słonecznego, ale wszystkie nasze satelity, statki kosmiczne i astronauci są na to narażeni. Ich zdolność do przetrwania w tym nieprzyjaznym środowisku zależy od zrozumienia i przystosowania się do kaprysów plazmy.

W nowej dziedzinie znanej jako „pogoda kosmiczna” fizyka plazmy odgrywa rolę podobną do dynamiki płynów w ziemskich warunkach atmosferycznych. Istnieje coś takiego jak rekoneksja magnetyczna, w której linie pola magnetycznego w plazmie mogą pękać i ponownie się łączyć, co powoduje szybkie uwolnienie energii. Uważa się, że proces ten napędza rozbłyski słoneczne, chociaż szczegółowe zrozumienie pozostaje nieuchwytne. Ale w przyszłości będziemy w stanie przewidywać burze słoneczne w taki sam sposób, w jaki przewidujemy złą pogodę na Ziemi.

Jakie osocze pomaga nam dzisiaj

Być może pewnego dnia fizyka plazmy da nam wgląd w to, jak powstały gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk. Zgodnie ze standardowym modelem kosmologicznym, plazma była powszechna we wczesnym Wszechświecie, potem wszystko zaczęło się ochładzać, a naładowane elektrony i protony łączyły się ze sobą, czyniąc atomy wodoru obojętnymi elektrycznie. Stan ten trwał do momentu powstania pierwszych gwiazd i czarnych dziur, które zaczęły emitować promieniowanie, po czym Wszechświat „zrejonizował się” i powrócił do stanu plazmy.

Dziś dzięki plazmie naukowcy mogą znajdować czarne dziury. Są tak gęste, że praktycznie nie odbijają światła, dlatego są praktycznie niewidoczne dla bezpośredniej obserwacji. Jednak czarne dziury są zwykle otoczone obracającym się dyskiem materii plazmowej, który porusza się w obrębie przyciągania grawitacyjnego czarnej dziury i emituje fotony o wysokiej energii. To właśnie je naukowcy mogą obserwować w widmie rentgenowskim.

Plazma wciąż wydaje nam się dość egzotycznym stanem materii, ale kiedy nauczymy się wykorzystywać jej potencjał i poszerzać nasze spojrzenie na kosmos, pewnego dnia może stać się dla nas tak powszechna jak lód i woda. A jeśli kiedykolwiek uda nam się osiągnąć kontrolowaną syntezę jądrową, to bez plazmy po prostu nie będziemy już w stanie żyć.

Osocze krwi: elementy składowe (substancje, białka), funkcje w organizmie, zastosowanie

Osocze krwi jest pierwszym (płynnym) składnikiem najcenniejszego ośrodka biologicznego jakim jest krew. Osocze krwi zajmuje do 60% całkowitej objętości krwi. Drugą część (40 - 45%) płynu krążącego w krwioobiegu przejmują uformowane elementy: erytrocyty, leukocyty i płytki krwi.

Skład osocza krwi jest wyjątkowy. Czego tam nie ma? Różne białka, witaminy, hormony, enzymy - ogólnie wszystko, co zapewnia życie ludzkiemu ciału w każdej sekundzie.

Skład osocza krwi

Żółtawa przezroczysta ciecz wydzielająca się podczas formowania się konwolucji w probówce - czy to plazma? Nie to surowica krwi, w którym nie ma skoagulowanego białka (czynnik I), przeszło do skrzepu. Jeśli jednak weźmiesz krew do probówki z antykoagulantem, to nie pozwoli ona (krwi) się skrzepnąć, a elementy o ciężkim kształcie po chwili opadną na dno, podczas gdy na wierzchu również pojawi się żółtawy, ale nieco mętny, w przeciwieństwie do surowicy, płyn, oto jest i jedz osocze krwi, którego zmętnienie dają zawarte w nim białka, w szczególności fibrynogen (FI).

Skład osocza krwi jest uderzający w swojej różnorodności. W nim, oprócz wody, która wynosi 90 - 93%, znajdują się składniki o charakterze białkowym i niebiałkowym (do 10%):

osocze we krwi

, które zajmują 7 - 8% całkowitej objętości płynnej części krwi (1 litr osocza zawiera od 65 do 85 gramów białek, norma całkowitego białka we krwi w analizie biochemicznej: 65 - 85 g / l). Główne białka osocza są rozpoznawane (do 50% wszystkich białek lub 40 - 50 g / l), (≈ 2,7%) i fibrynogen;
Inne substancje o charakterze białkowym (składniki dopełniacza, kompleksy węglowodanowo-białkowe itp.);
Substancje biologicznie czynne (enzymy, czynniki hematopoetyczne - hemocytokiny, hormony, witaminy);
Peptydy o niskiej masie cząsteczkowej to cytokiny, które w zasadzie są białkami, ale o niskiej masie cząsteczkowej są wytwarzane głównie przez limfocyty, chociaż zaangażowane są w to również inne komórki krwi. Pomimo swojego „małego wzrostu” cytokiny są wyposażone w najważniejsze funkcje, przeprowadzają interakcję układu odpornościowego z innymi układami podczas wyzwalania odpowiedzi immunologicznej;
Węglowodany, które biorą udział w procesach metabolicznych, które stale zachodzą w żywym organizmie;
Produkty powstałe w wyniku tych procesów metabolicznych, które następnie zostaną usunięte przez nerki (itp.);
W osoczu krwi zbiera się zdecydowana większość elementów tabeli D. I. Mendelejewa. To prawda, że niektórych przedstawicieli natury nieorganicznej (potas, jod, wapń, siarka itp.) W postaci krążących kationów i anionów można łatwo policzyć, inne (wanad, kobalt, german, tytan, arsen itp.) - ze względu na skromna kwota, obliczona z trudem. Tymczasem udział wszystkich pierwiastków obecnych w osoczu wynosi od 0,85 do 0,9%.

Plazma jest więc bardzo złożonym układem koloidalnym, w którym „pływa” wszystko, co jest zawarte w organizmie człowieka i ssaka oraz wszystko, co jest przygotowywane do usunięcia z niego.

Woda jest źródłem H 2 O dla wszystkich komórek i tkanek, będąc obecna w osoczu w tak znacznych ilościach, zapewnia prawidłowy poziom (BP), utrzymuje mniej więcej stałą objętość krwi krążącej (BCC).

Białka, różniące się resztami aminokwasowymi, właściwościami fizykochemicznymi i innymi cechami, stanowią podstawę organizmu, zapewniając mu życie. Dzieląc białka osocza na frakcje, można poznać zawartość poszczególnych białek, w szczególności albumin i globulin, w osoczu krwi. Odbywa się to w celach diagnostycznych w laboratoriach, na skalę przemysłową w celu uzyskania bardzo wartościowych leków terapeutycznych.

Wśród związków mineralnych największy udział w składzie osocza krwi mają sód i chlor (Na i Cl). Te dwa pierwiastki zajmują ≈ 0,3% składu mineralnego osocza, to znaczy są niejako głównymi, często używanymi do uzupełnienia objętości krwi krążącej (BCC) w przypadku utraty krwi. W takich przypadkach przygotowuje się i przetacza niedrogi i tani lek - izotoniczny roztwór chlorku sodu. Jednocześnie 0,9% roztwór NaCl nazywany jest fizjologicznym, co nie jest do końca prawdą: roztwór fizjologiczny powinien oprócz sodu i chloru zawierać inne makro- i mikroelementy (odpowiadające składowi mineralnemu osocza).

Wideo: co to jest osocze krwi

Funkcje osocza krwi są zapewniane przez białka

Funkcje osocza krwi są określone przez jego skład, głównie białko. Kwestia ta zostanie omówiona bardziej szczegółowo w poniższych sekcjach poświęconych głównym białkom osocza, jednak nie zaszkodzi pokrótce zwrócić uwagę na najważniejsze zadania, które rozwiązuje ten materiał biologiczny. Tak więc główne funkcje osocza krwi:

Transport (albuminy, globuliny);
Detoksykacja (albumina);
Ochronne (globuliny - immunoglobuliny);
Koagulacja (fibrynogen, globuliny: alfa-1-globulina - protrombina);
Regulacyjne i koordynacyjne (albuminy, globuliny);

Jest to pokrótce o funkcjonalnym celu płynu, który jako część krwi stale przemieszcza się przez naczynia krwionośne, zapewniając normalne funkcjonowanie organizmu. Mimo to niektórym jego składnikom należało poświęcić więcej uwagi, na przykład, czego czytelnik dowiedział się o białkach osocza krwi, otrzymawszy tak mało informacji? Ale to oni głównie rozwiązują wymienione zadania (funkcje osocza krwi).

białka osocza krwi

Oczywiście podanie jak najpełniejszej ilości informacji, wpływających na wszystkie cechy białek obecnych w osoczu, w małym artykule poświęconym płynnej części krwi, jest chyba trudne. Tymczasem całkiem możliwe jest zapoznanie czytelnika z charakterystyką głównych białek (albumin, globulin, fibrynogenu - są one uważane za główne białka osocza) i wymienienie właściwości niektórych innych substancji o charakterze białkowym. Zwłaszcza, że (jak wspomniano powyżej) zapewniają wysoką jakość wykonywania swoich obowiązków funkcjonalnych z tym cennym płynem.

Główne białka osocza zostaną omówione nieco poniżej, jednak chciałbym przedstawić czytelnikowi tabelę, która pokazuje, które białka reprezentują główne białka krwi, a także ich główny cel.

Tabela 1. Główne białka osocza

Główne białka osocza	Zawartość w osoczu (norma), g/l	Główni przedstawiciele i ich cel funkcjonalny
albuminy	35 - 55	„Materiał budulcowy”, katalizator reakcji immunologicznych, funkcje: transport, neutralizacja, regulacja, ochrona.
Alfa globulina α-1	1,4 – 3,0	α1-antytrypsyna, kwaśne białko α, protrombina, transkortyna transportująca kortyzol, białko wiążące tyroksynę, α1-lipoproteina, transport tłuszczów do narządów.
Alfa globulina α-2	5,6 – 9,1	α-2-makroglobulina (główne białko z grupy) bierze udział w odpowiedzi immunologicznej, haptoglobina tworzy kompleks z wolną hemoglobiną, ceruloplazmina przenosi miedź, apolipoproteina B transportuje lipoproteiny o małej gęstości („zły” cholesterol).
Beta globuliny: β1+β2	5,4 – 9,1	Hemopexin (wiąże hem hemoglobiny, co zapobiega usuwaniu żelaza z organizmu), β-transferyna (przenosi Fe), składnik dopełniacza (uczestniczy w procesach immunologicznych), β-lipoproteiny – „nośnik” dla cholesterolu i fosfolipidów.
Gamma globulina γ	8,1 – 17,0	Przeciwciała naturalne i nabyte (immunoglobuliny 5 klas - IgG, IgA, IgM, IgE, IgD), które głównie realizują ochronę immunologiczną na poziomie odporności humoralnej i tworzą alergię organizmu.
fibrynogen	2,0 – 4,0	Pierwszym czynnikiem układu krzepnięcia krwi jest FI.

albuminy

Albuminy to proste białka, które w porównaniu z innymi białkami:

struktura albuminy

Największą stabilność wykazują w roztworach, ale jednocześnie dobrze rozpuszczają się w wodzie;
Dobrze znoszą ujemne temperatury, nie ulegają szczególnie uszkodzeniu przy ponownym zamrażaniu;
Nie zapadaj się po wyschnięciu;
Przebywając przez 10 godzin w dość wysokiej dla innych białek temperaturze (60ᵒС) nie tracą swoich właściwości.

Zdolność tych ważnych białek wynika z obecności w cząsteczce albuminy bardzo dużej liczby polarnych rozpadających się łańcuchów bocznych, co determinuje główne zadania funkcjonalne białek - udział w metabolizmie i realizację efektu antytoksycznego. Funkcje albuminy w osoczu krwi można przedstawić w następujący sposób:

Udział w metabolizmie wody (dzięki albuminom utrzymywana jest wymagana objętość płynów, ponieważ zapewniają one do 80% całkowitego koloidalnego ciśnienia osmotycznego krwi);
Udział w transporcie różnych produktów, a zwłaszcza tych, które są trudne do rozpuszczenia w wodzie, na przykład tłuszczów i pigmentu żółciowego - bilirubiny (bilirubina, po kontakcie z cząsteczkami albuminy, staje się nieszkodliwa dla organizmu iw tym stanie jest przenoszona do wątroby );
Interakcja z makro- i mikroelementami wchodzącymi do osocza (wapń, magnez, cynk itp.), A także z wieloma lekami;
Wiązanie toksycznych produktów w tkankach, w których białka te swobodnie przenikają;
Transfer węglowodanów;
Wiązanie i przenoszenie wolnych kwasów tłuszczowych - kwasów tłuszczowych (do 80%), wysyłanych do wątroby i innych narządów z magazynów tłuszczu i odwrotnie, kwasy tłuszczowe nie wykazują agresji wobec krwinek czerwonych (erytrocytów) i nie dochodzi do hemolizy;
Ochrona przed stłuszczeniową hepatozą komórek miąższu wątroby i zwyrodnieniem (otłuszczeniem) innych narządów miąższowych, a ponadto zapobiega powstawaniu blaszek miażdżycowych;
Regulacja „zachowania” niektórych substancji w organizmie człowieka (skoro aktywność enzymów, hormonów, leków przeciwbakteryjnych w postaci związanej spada, białka te pomagają skierować ich działanie we właściwym kierunku);
Zapewnienie optymalnego poziomu kationów i anionów w osoczu, ochrona przed negatywnym działaniem przypadkowo dostających się do organizmu soli metali ciężkich (kompleksowane są z nimi za pomocą grup tiolowych), neutralizacja szkodliwych substancji;
Kataliza reakcji immunologicznych (antygen→przeciwciało);
Utrzymanie stałego pH krwi (czwartym składnikiem układu buforowego są białka osocza);
Pomoc w „budowie” białek tkankowych (albuminy wraz z innymi białkami stanowią rezerwę „materiałów budulcowych” dla tak ważnej materii).

Albumina jest syntetyzowana w wątrobie. Średni okres półtrwania tego białka to 2 – 2,5 tygodnia, choć niektóre „żyją” tydzień, a inne „pracują” nawet 3 – 3,5 tygodnia. Poprzez frakcjonowanie białek z osocza dawców uzyskuje się cenny lek terapeutyczny (roztwór 5%, 10% i 20%) o podobnej nazwie. Albumina jest ostatnią frakcją w procesie, więc jej wytworzenie wymaga znacznych nakładów pracy i materiałów, stąd koszt środka leczniczego.

Wskazaniami do zastosowania albumin dawcy są różne (w większości przypadków dość ciężkie) stany: duża, zagrażająca życiu utrata krwi, spadek poziomu albumin oraz spadek koloidowego ciśnienia osmotycznego w wyniku różnych chorób.

Globuliny

Białka te zajmują mniejszą część w porównaniu z albuminą, ale dość namacalną wśród innych białek. W warunkach laboratoryjnych globuliny dzielą się na pięć frakcji: α-1, α-2, β-1, β-2 i γ-globuliny. W warunkach produkcyjnych, w celu uzyskania preparatów z frakcji II + III, izolowane są globuliny gamma, które następnie będą stosowane w leczeniu różnych chorób, którym towarzyszy naruszenie układu odpornościowego.

różne formy białek osocza

W przeciwieństwie do albumin woda nie nadaje się do rozpuszczania globulin, ponieważ nie rozpuszczają się w niej, ale obojętne sole i słabe zasady są całkiem odpowiednie do przygotowania roztworu tego białka.

Globuliny są bardzo ważnymi białkami osocza, w większości przypadków są to białka ostrej fazy. Pomimo faktu, że ich zawartość mieści się w granicach 3% wszystkich białek osocza, rozwiązują one najważniejsze zadania dla ludzkiego organizmu:

Globuliny alfa biorą udział we wszystkich reakcjach zapalnych (w biochemicznym badaniu krwi obserwuje się wzrost frakcji α);
Alfa i beta globuliny, wchodzące w skład lipoprotein, pełnią funkcje transportowe (tłuszcze w stanie wolnym w osoczu pojawiają się bardzo rzadko, chyba że po niezdrowym tłustym posiłku, a w normalnych warunkach cholesterol i inne lipidy wiążą się z globulinami i tworzą wodę -forma rozpuszczalna, która łatwo przenosi się z jednego narządu do drugiego);
α- i β-globuliny biorą udział w metabolizmie cholesterolu (patrz wyżej), co determinuje ich rolę w rozwoju miażdżycy, nic więc dziwnego, że w patologiach, które występują przy akumulacji lipidów, wartości frakcji beta zmieniają się w górę ;
Globuliny (frakcja alfa-1) przenoszą witaminę B12 i niektóre hormony;
Alfa-2-globulina wchodzi w skład haptoglobiny, która bardzo aktywnie uczestniczy w procesach redoks – to białko ostrej fazy wiąże wolną hemoglobinę i tym samym zapobiega usuwaniu żelaza z organizmu;
Część beta-globulin wraz z gamma-globulinami rozwiązuje problemy obrony immunologicznej organizmu, czyli są immunoglobulinami;
Przedstawiciele frakcji alfa, beta-1 i beta-2 tolerują hormony steroidowe, witaminę A (karoten), żelazo (transferynę), miedź (ceruloplazminę).

Oczywiście w ramach swojej grupy globuliny nieco się od siebie różnią (przede wszystkim pod względem funkcji).

Należy zauważyć, że z wiekiem lub przy niektórych chorobach wątroba może zacząć wytwarzać nie do końca prawidłowe alfa i beta globuliny, a zmieniona struktura przestrzenna makrocząsteczki białka nie będzie miała najlepszego wpływu na zdolności funkcjonalne globulin.

Globuliny gamma

Globuliny gamma są białkami osocza krwi o najniższej ruchliwości elektroforetycznej; białka te stanowią większość naturalnych i nabytych (immunologicznych) przeciwciał (AT). Globuliny gamma powstające w organizmie po zetknięciu się z obcym antygenem nazywane są immunoglobulinami (Ig). Obecnie, wraz z pojawieniem się metod cytochemicznych w służbie laboratoryjnej, stało się możliwe badanie surowicy w celu określenia białek odpornościowych i ich stężeń w niej. Nie wszystkie immunoglobuliny, a jest ich 5 klas, mają takie samo znaczenie kliniczne, ponadto ich zawartość w osoczu zależy od wieku i zmian w różnych sytuacjach (choroby zapalne, reakcje alergiczne).

Tabela 2. Klasy immunoglobulin i ich charakterystyka

Klasa immunoglobulin (Ig).	Zawartość osocza (surowicy), %	Główny cel funkcjonalny
G	OK. 75	Antytoksyny, przeciwciała skierowane przeciwko wirusom i drobnoustrojom Gram-dodatnim;
A	OK. 13	Przeciwciała przeciwwyspowe w cukrzycy, przeciwciała skierowane przeciwko mikroorganizmom otoczkowym;
M	OK. 12	Kierunek - wirusy, bakterie Gram-ujemne, przeciwciała Forsmana i Wassermana.
mi	0,0…	Reaginy, specyficzne przeciwciała przeciwko różnym (niektórym) alergenom.
D	W zarodku, u dzieci i dorosłych możliwe jest wykrycie śladów	Nie są one brane pod uwagę, ponieważ nie mają znaczenia klinicznego.

Stężenie immunoglobulin różnych grup ma zauważalne wahania u dzieci młodszych i średnich kategorii wiekowych (głównie z powodu immunoglobulin klasy G, gdzie notuje się dość wysokie wskaźniki - do 16 g / l). Jednak po ok. 10 roku życia, po wykonaniu szczepień i przeniesieniu głównych infekcji wieku dziecięcego, zawartość Ig (w tym IgG) spada i ustala się na poziomie dorosłych:

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

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

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

fibrynogen

Pierwszy czynnik krzepnięcia (FI - fibrynogen), który podczas tworzenia skrzepu przechodzi do fibryny, która tworzy splot (obecność fibrynogenu w osoczu odróżnia go od surowicy), w rzeczywistości odnosi się do globulin.

Fibrynogen łatwo wytrąca się za pomocą 5% etanolu, który jest używany do frakcjonowania białek, a także do połowy nasyconego roztworu chlorku sodu, traktowania plazmą eterem i ponownego zamrażania. Fibrynogen jest termolabilny i całkowicie fałduje się w temperaturze 56 stopni.

Bez fibrynogenu fibryna nie powstaje, a krwawienie nie ustaje bez niego. Przejście tego białka i tworzenie fibryny odbywa się przy udziale trombiny (fibrynogen → produkt pośredni - fibrynogen B → agregacja płytek krwi → fibryna). Początkowe etapy polimeryzacji czynników krzepnięcia można odwrócić, jednak pod wpływem enzymu stabilizującego fibrynę (fibrynazy) następuje stabilizacja i wykluczony jest przebieg odwrotnej reakcji.

Głównym celem funkcjonalnym fibrynogenu jest udział w reakcji krzepnięcia krwi, ale ma on również inne przydatne właściwości, na przykład w trakcie wykonywania swoich obowiązków wzmacnia ścianę naczynia, dokonuje małej „naprawy”, przyklejając się do śródbłonka a tym samym zamykanie drobnych wad, które następnie pojawiają się w trakcie życia człowieka.

Białka osocza jako parametry laboratoryjne

W warunkach laboratoryjnych, aby określić stężenie białek osocza, można pracować z osoczem (krew pobierana jest do probówki z antykoagulantem) lub przeprowadzić badanie surowicy pobranej do suchego naczynia. Białka surowicy nie różnią się niczym od białek osocza, z wyjątkiem fibrynogenu, którego, jak wiadomo, nie ma w surowicy krwi i który bez antykoagulantu tworzy skrzep. Podstawowe białka zmieniają swoje wartości cyfrowe we krwi podczas różnych procesów patologicznych.

Wzrost stężenia albumin w surowicy (osoczu) jest najrzadszym zjawiskiem występującym przy odwodnieniu lub nadmiernym spożyciu (podawanie dożylne) dużych stężeń albumin. Obniżony poziom albumin może wskazywać na pogorszenie funkcji wątroby, problemy z nerkami lub zaburzenia w przewodzie pokarmowym.

Wzrost lub spadek frakcji białek jest charakterystyczny dla wielu procesów patologicznych, np. białka ostrej fazy alfa-1- i alfa-2-globuliny zwiększające swoje wartości mogą wskazywać na ostry proces zapalny zlokalizowany w narządach oddechowych (oskrzela, płuca), wpływający na układ wydalniczy (nerki) lub mięsień sercowy (zawał mięśnia sercowego).

Szczególne miejsce w diagnostyce różnych schorzeń zajmuje frakcja gamma globulin (immunoglobulin). Oznaczanie przeciwciał pomaga nie tylko rozpoznać chorobę zakaźną, ale także różnicować jej stadium. Bardziej szczegółowe informacje o zmianie wartości poszczególnych białek (proteinogramie) czytelnik znajdzie w osobnym.

Odchylenia od normy fibrynogenu objawiają się zaburzeniami w układzie hemokoagulacyjnym, dlatego białko to jest najważniejszym laboratoryjnym wskaźnikiem zdolności krzepnięcia krwi (koagulogram, hemostasiogram).

Jeśli chodzi o inne białka, które są ważne dla ludzkiego organizmu, podczas badania surowicy, przy użyciu pewnych technik, można znaleźć prawie wszystkie, które są interesujące dla diagnozowania chorób. Na przykład, obliczając stężenie (beta-globuliny, białka ostrej fazy) w próbce i traktując ją nie tylko jako „nośnik” (choć to chyba przede wszystkim), lekarz będzie znał stopień wiązania z białkami żelazo żelazowe uwalniane przez krwinki czerwone, ponieważ Fe 3+ , jak wiadomo, będąc w stanie wolnym w organizmie, daje wyraźny efekt toksyczny.

Badanie surowicy w celu określenia zawartości (białko ostrej fazy, glikoproteina metalu, nośnik miedzi) pomaga zdiagnozować tak ciężką patologię, jak choroba Konovalova-Wilsona (zwyrodnienie wątrobowo-mózgowe).

Tak więc, badając osocze (surowicę), można określić w nim zawartość zarówno tych białek, które są niezbędne, jak i tych, które pojawiają się w badaniu krwi jako wskaźnik procesu patologicznego (na przykład).

Osocze krwi jest lekarstwem

Przygotowanie osocza jako środka leczniczego rozpoczęło się w latach 30. ubiegłego wieku. Teraz natywna plazma, uzyskana w wyniku spontanicznej sedymentacji uformowanych pierwiastków w ciągu 2 dni, od dawna nie była używana. Przestarzałe zostały zastąpione nowymi metodami separacji krwi (wirowanie, plazmafereza). Krew po przygotowaniu poddawana jest wirowaniu i dzieleniu na składniki (osocze + elementy kształtowe). Uzyskana w ten sposób płynna część krwi jest zwykle zamrażana (świeżo mrożone osocze) iw celu uniknięcia zakażenia zapaleniem wątroby, w szczególności zapaleniem wątroby typu C, które ma dość długi okres inkubacji, jest wysyłana do przechowywania kwarantannowego. Zamrożenie tej pożywki biologicznej w ultraniskich temperaturach umożliwia jej przechowywanie przez rok lub dłużej, aby później można było ją wykorzystać do przygotowania preparatów (krioprecypitatu, albuminy, gamma globuliny, fibrynogenu, trombiny itp.).

Obecnie płynna część krwi do transfuzji jest coraz częściej przygotowywana metodą plazmaferezy, która jest najbezpieczniejsza dla zdrowia dawców. Uformowane elementy po odwirowaniu są zwracane przez wstrzyknięcie dożylne, a białka utracone wraz z osoczem w organizmie osoby, która oddała krew, szybko się regenerują, dochodzą do normy fizjologicznej, nie naruszając przy tym funkcji samego organizmu.

Oprócz świeżo mrożonego osocza przetaczanego w wielu stanach patologicznych, jako środek terapeutyczny stosuje się osocze immunologiczne uzyskane po immunizacji dawcy określoną szczepionką, na przykład anatoksyną gronkowcową. Takie osocze, które ma wysokie miano przeciwciał przeciwgronkowcowych, jest również wykorzystywane do przygotowania gamma globuliny przeciwgronkowcowej (ludzkiej immunoglobuliny przeciwgronkowcowej) - lek jest dość drogi, ponieważ jego produkcja (frakcjonowanie białek) wymaga znacznych nakładów pracy i materiałów koszty. A surowcem do tego jest osocze krwi uodporniony dawcy.

Plazma przeciwoparzeniowa to także rodzaj środowiska odpornościowego. Od dawna zauważono, że krew ludzi, którzy doświadczyli takiego horroru, początkowo ma właściwości toksyczne, ale po miesiącu zaczynają być w niej wykrywane antytoksyny palące (globuliny beta i gamma), które mogą pomóc „przyjaciołom w nieszczęściu” w ostry okres oparzenia.

Oczywiście uzyskanie takiego środka leczniczego wiąże się z pewnymi trudnościami, mimo że w okresie rekonwalescencji utracona płynna część krwi jest uzupełniana osoczem dawcy, ponieważ ciało poparzonych ludzi doświadcza wyczerpania białka. Jednakże dawca musi być osobą dorosłą i poza tym zdrową, a jego osocze musi mieć określone miano przeciwciał (co najmniej 1:16). Aktywność immunologiczna osocza rekonwalescencyjnego utrzymuje się przez około dwa lata, a miesiąc po wyzdrowieniu można je pobrać od rekonwalescencyjnych dawców bez odszkodowania.

Z osocza krwi dawcy dla osób cierpiących na hemofilię lub inną patologię krzepliwości krwi, której towarzyszy spadek czynnika antyhemofilnego (FVIII), czynnika von Willebranda (VWF) i fibrynazy (czynnik XIII, FXIII), czynnik hemostatyczny zwany krioprecypitatem jest przygotowany. Jego aktywnym składnikiem jest czynnik krzepnięcia VIII.

Wideo: o pobraniu i wykorzystaniu osocza krwi

Frakcjonowanie białek osocza na skalę przemysłową

Tymczasem użycie pełnej plazmy w nowoczesnych warunkach nie zawsze jest uzasadnione. Co więcej, zarówno z terapeutycznego, jak i ekonomicznego punktu widzenia. Każde z białek osocza ma swoje unikalne właściwości fizykochemiczne i biologiczne. A bezmyślne podawanie tak wartościowego produktu osobie, która potrzebuje konkretnego białka osocza, a nie całego osocza, nie ma sensu, poza tym jest materialnie drogie. Oznacza to, że ta sama dawka płynnej części krwi, podzielona na składniki, może przynieść korzyści kilku pacjentom, a nie jednemu pacjentowi, który potrzebuje oddzielnego leku.

Przemysłowa produkcja leków została uznana na świecie po rozwoju w tym kierunku przez naukowców z Uniwersytetu Harvarda (1943). Frakcjonowanie białek osocza oparto na metodzie Kohna, której istotą jest wytrącanie frakcji białkowych poprzez stopniowe dodawanie alkoholu etylowego (stężenie w pierwszym etapie - 8%, w końcowym etapie - 40%) w niskich temperaturach (- 3ºС - etap I, -5ºС - ostatni) . Oczywiście metoda była kilkakrotnie modyfikowana, ale obecnie (w różnych modyfikacjach) jest wykorzystywana do pozyskiwania produktów krwiopochodnych na całej planecie. Oto jego krótki zarys:

Białko wytrąca się w pierwszym etapie fibrynogen(precypitat I) - ten produkt po specjalnej obróbce trafi do sieci medycznej pod własną nazwą lub zostanie włączony do zestawu do tamowania krwawień, zwanego "Fibrynostatem");
Drugim etapem procesu jest supernatant II + III ( protrombina, beta i gamma globuliny) - ta frakcja trafi do produkcji leku tzw normalna ludzka globulina gamma, lub zostanie wydany jako środek o nazwie gamma globulina przeciwgronkowcowa. W każdym razie z supernatantu otrzymanego w drugim etapie można przygotować preparat zawierający dużą ilość przeciwciał przeciwdrobnoustrojowych i przeciwwirusowych;
Aby dostać się do osadu V potrzebny jest trzeci, czwarty etap procesu ( białko+ domieszka globulin);
97 – 100% białko wychodzi dopiero na końcowym etapie, po którym praca z albuminą zajmie dużo czasu, zanim trafi do placówek medycznych (5, 10, 20% albuminy).

Ale to tylko krótki zarys, taka produkcja faktycznie zajmuje dużo czasu i wymaga udziału licznego personelu o różnym stopniu kwalifikacji. Na wszystkich etapach procesu najcenniejszy lek przyszłości znajduje się pod stałą kontrolą różnych laboratoriów (klinicznych, bakteriologicznych, analitycznych), ponieważ wszystkie parametry produktu krwiopochodnego na wylocie muszą ściśle odpowiadać wszystkim właściwościom środków transfuzyjnych.

Zatem osocze oprócz tego, że zapewnia prawidłowe funkcjonowanie organizmu we krwi, może być również ważnym kryterium diagnostycznym, pokazującym stan zdrowia, czy może ratować życie innym ludziom wykorzystując swoje unikalne właściwości. I nie chodzi tylko o osocze krwi. Nie zaczęliśmy od pełnego opisu wszystkich jego białek, makro- i mikroelementów, aby dokładnie opisać jego funkcje, ponieważ wszystkie odpowiedzi na pozostałe pytania można znaleźć na stronach VesselInfo.

Ludzka krew jest reprezentowana przez 2 składniki: płynną bazę lub osocze i elementy komórkowe. Co to jest plazma i jaki jest jej skład? Jaka jest funkcja plazmy? Weźmy wszystko w porządku.

Wszystko o plazmie

Plazma to ciecz utworzona z wody i ciał stałych. Stanowi większość krwi - około 60%. Dzięki osoczu krew ma stan płynny. Chociaż pod względem wskaźników fizycznych (pod względem gęstości) plazma jest cięższa od wody.

Makroskopowo osocze jest przezroczystą (czasem mętną) jednorodną cieczą o jasnożółtym zabarwieniu. Zbiera się w górnej części naczyń, gdy uformowane elementy osiadają. Analiza histologiczna pokazuje, że osocze jest substancją międzykomórkową płynnej części krwi.

Mętne osocze staje się po spożyciu przez osobę tłustych potraw.

Z czego składa się plazma?

Przedstawiono skład osocza:

woda;
Sole i materia organiczna.

Białka;
Aminokwasy;
glukoza;
hormony;
substancje enzymatyczne;
Minerały (jony Na, Cl).

Jaki procent objętości osocza stanowi białko?

Jest to najliczniejszy składnik osocza, zajmuje 8% całkowitego osocza. Osocze zawiera białko różnych frakcji.

Główne z nich to:

albuminy (5%);
globuliny (3%);
Fibrynogen (należy do globulin, 0,4%).

Skład i zadania związków niebiałkowych w osoczu

Osocze zawiera:

Związki organiczne na bazie azotu. Przedstawiciele: kwas moczowy, bilirubina, kreatyna. Wzrost ilości azotu sygnalizuje rozwój azotomii. Ten stan występuje z powodu problemów z wydalaniem produktów przemiany materii z moczem lub z powodu aktywnego niszczenia białka i przyjmowania dużej ilości substancji azotowych w organizmie. Ten ostatni przypadek jest typowy dla cukrzycy, głodu, oparzeń.
Związki organiczne, które nie zawierają azotu. Obejmuje to cholesterol, glukozę, kwas mlekowy. Towarzyszą im także lipidy. Wszystkie te elementy muszą być monitorowane, ponieważ są one niezbędne do zachowania pełnej żywotności.
Substancje nieorganiczne (Ca, Mg). Jony Na i Cl odpowiadają za utrzymanie stałego pH krwi. Monitorują również ciśnienie osmotyczne. Jony Ca biorą udział w skurczu mięśni i pobudzają wrażliwość komórek nerwowych.

Skład osocza krwi

Białko

Albumina w osoczu jest głównym składnikiem (ponad 50%). Ma niską masę cząsteczkową. Miejscem powstawania tego białka jest wątroba.

Przeznaczenie albuminy:

Przenosi kwasy tłuszczowe, bilirubinę, leki, hormony.
Bierze udział w metabolizmie i tworzeniu białek.
Rezerwuje aminokwasy.
Tworzy ciśnienie onkotyczne.

Na podstawie ilości albuminy lekarze oceniają stan wątroby. Jeśli zawartość albuminy w osoczu jest zmniejszona, oznacza to rozwój patologii. Niski poziom tego białka osocza u dzieci zwiększa ryzyko wystąpienia żółtaczki.

Globuliny

Globuliny są reprezentowane przez związki wielkocząsteczkowe. Produkowane są przez wątrobę, śledzionę, grasicę.

Istnieje kilka rodzajów globulin:

α - globuliny. Oddziałują z tyroksyną i bilirubiną, wiążąc je. Katalizują tworzenie białek. Odpowiada za transport hormonów, witamin, lipidów.
β - globuliny. Białka te wiążą witaminy, Fe, cholesterol. Nośniki Fe, kationy Zn, hormony steroidowe, sterole, fosfolipidy.
γ - globuliny. Przeciwciała lub immunoglobuliny wiążą histaminę i biorą udział w ochronnych odpowiedziach immunologicznych. Produkowane są przez wątrobę, tkankę limfatyczną, szpik kostny i śledzionę.

Istnieje 5 klas γ - globulin:

IgG(około 80% wszystkich przeciwciał). Charakteryzuje się dużą awidnością (stosunek przeciwciała do antygenu). Może przenikać przez barierę łożyskową.
IgM- pierwsza immunoglobulina, która powstaje w nienarodzonym dziecku. Białko jest bardzo żądne. Jest pierwszym znalezionym we krwi po szczepieniu.
IgA.
IgD.
IgE.

Fibrynogen jest rozpuszczalnym białkiem osocza. Jest syntetyzowany przez wątrobę. Pod wpływem trombiny białko przekształca się w fibrynę, nierozpuszczalną postać fibrynogenu. Dzięki fibrynie w miejscach, gdzie została naruszona integralność naczyń, powstaje skrzep krwi.

Inne białka i funkcje

Drobne frakcje białek osocza po globulinach i albuminach:

protrombina;
transferyna;
białka odpornościowe;
białko C-reaktywne;
globulina wiążąca tyroksynę;
Haptoglobina.

Zadania tych i innych białek osocza sprowadzają się do:

Utrzymanie homeostazy i stanu skupienia krwi;
kontrola odpowiedzi immunologicznych;
transport składników odżywczych;
Aktywacja procesu krzepnięcia krwi.

Funkcje i zadania plazmy

Dlaczego ludzkie ciało potrzebuje osocza?

Jego funkcje są zróżnicowane, ale zasadniczo sprowadzają się do 3 głównych:

Transport komórek krwi, składników odżywczych.
Komunikacja między wszystkimi płynami ustrojowymi, które znajdują się poza układem krążenia. Ta funkcja jest możliwa dzięki zdolności plazmy do przenikania przez ściany naczyń.
Zapewnienie hemostazy. Oznacza to kontrolę nad płynem, który zatrzymuje się podczas krwawienia i usuwa powstały skrzep krwi.

Wykorzystanie osocza w donacji

Obecnie nie przetacza się pełnej krwi: w celach terapeutycznych osocze i kształtki są izolowane oddzielnie. W punktach krwiodawstwa najczęściej oddawana jest krew na osocze.

Układ osocza krwi

Jak zdobyć plazmę?

Osocze uzyskuje się z krwi przez odwirowanie. Metoda pozwala na oddzielenie osocza od elementów komórkowych za pomocą specjalnej aparatury bez ich uszkodzenia.. Komórki krwi wracają do dawcy.

Oddawanie osocza ma szereg zalet w porównaniu ze zwykłym oddawaniem krwi:

Ilość utraconej krwi jest mniejsza, co oznacza, że mniej szkód wyrządza się również zdrowiu.
Krew na osocze można oddać ponownie po 2 tygodniach.

Istnieją ograniczenia dotyczące oddawania osocza. Tak więc dawca może oddać osocze nie więcej niż 12 razy w roku.

Oddanie osocza trwa nie dłużej niż 40 minut.

Osocze jest źródłem tak ważnego materiału jak surowica krwi. Surowica to to samo osocze, ale bez fibrynogenu, ale z tym samym zestawem przeciwciał. To oni zwalczają patogeny różnych chorób. Immunoglobuliny przyczyniają się do szybkiego rozwoju odporności biernej.

Aby uzyskać surowicę krwi, sterylną krew umieszcza się w termostacie na 1 godzinę. Następnie powstały skrzep krwi jest usuwany ze ścianek probówki i oznaczany w lodówce przez 24 godziny. Otrzymaną ciecz dodaje się do sterylnego naczynia za pomocą pipety Pasteura.

Patologie krwi wpływające na charakter osocza

W medycynie istnieje kilka chorób, które mogą wpływać na skład osocza. Wszystkie stanowią zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi.

Główne z nich to:

Hemofilia. Jest to dziedziczna patologia, gdy brakuje białka odpowiedzialnego za krzepnięcie.
Zatrucie krwi lub posocznica. Zjawisko, które występuje z powodu infekcji bezpośrednio w krwioobiegu.
zespół DIC. Stan patologiczny spowodowany wstrząsem, sepsą, ciężkimi obrażeniami. Charakteryzuje się zaburzeniami krzepliwości krwi, które prowadzą jednocześnie do krwawienia i powstawania zakrzepów w małych naczyniach.
Zakrzepica żył głębokich. Wraz z chorobą obserwuje się powstawanie zakrzepów w żyłach głębokich (głównie kończyn dolnych).
Nadkrzepliwość. U pacjentów zdiagnozowano nadmiernie wysoką krzepliwość krwi. Lepkość tego ostatniego wzrasta.

Test osocza lub reakcja Wassermana to badanie, które wykrywa obecność przeciwciał w osoczu na blady treponema. Na podstawie tej reakcji obliczana jest kiła, a także skuteczność jej leczenia.

Osocze to ciecz o złożonym składzie, która odgrywa ważną rolę w życiu człowieka. Odpowiada za odporność, krzepliwość krwi, homeostazę.

Wideo - Przewodnik po zdrowiu (Osocze krwi)

Czym jest czwarty stan skupienia, czym różni się od pozostałych trzech i jak sprawić, by służył człowiekowi.

Założenie istnienia pierwszego ze stanów materii wykraczających poza klasyczną triadę powstało na początku XIX wieku, a w latach dwudziestych XX wieku otrzymało swoją nazwę – plazma

Sto pięćdziesiąt lat temu prawie wszyscy chemicy i wielu fizyków uważało, że materia składa się tylko z atomów i cząsteczek, które łączą się w mniej lub bardziej uporządkowane lub całkowicie nieuporządkowane kombinacje. Mało kto wątpił, że wszystkie lub prawie wszystkie substancje mogą istnieć w trzech różnych fazach – stałej, ciekłej i gazowej, które przyjmują w zależności od warunków zewnętrznych. Ale hipotezy o możliwości innych stanów materii zostały już wyrażone.

Ten uniwersalny model został potwierdzony zarówno obserwacjami naukowymi, jak i tysiącletnimi doświadczeniami w życiu codziennym. W końcu wszyscy wiedzą, że kiedy woda ochładza się, zamienia się w lód, a po podgrzaniu wrze i odparowuje. Ołów i żelazo można również przekształcić w ciecz lub gaz, wystarczy je mocniej ogrzać. Od końca XVIII wieku badacze zamrażali gazy w cieczach i wydawało się całkiem prawdopodobne, że każdy skroplony gaz można w zasadzie zakrzepnąć. Na ogół prosty i zrozumiały obraz trzech stanów skupienia nie wydawał się wymagać żadnych poprawek ani uzupełnień.

70 km od Marsylii, w Saint-Paul-le-Durance, obok francuskiego centrum badań nad energią atomową Cadarache, powstanie badawczy reaktor termojądrowy ITER (z łac. iter – ścieżka). Głównym oficjalnym zadaniem tego reaktora jest „wykazanie naukowej i technologicznej wykonalności pozyskiwania energii termojądrowej do celów pokojowych”. W dłuższej perspektywie (30-35 lat) na podstawie danych uzyskanych podczas eksperymentów na reaktorze ITER mogą powstać prototypy bezpiecznych, przyjaznych środowisku i opłacalnych ekonomicznie elektrowni.

Naukowcy tamtych czasów byliby dość zaskoczeni, gdyby dowiedzieli się, że stany stały, ciekły i gazowy substancji atomowo-molekularnej zachowują się tylko w stosunkowo niskich temperaturach, nieprzekraczających 10 000 °, i nawet w tej strefie nie wyczerpują wszystkich możliwych struktury (przykładem są ciekłe kryształy). Trudno byłoby uwierzyć, że stanowią one nie więcej niż 0,01% całkowitej masy obecnego Wszechświata. Teraz wiemy, że materia przejawia się w wielu egzotycznych formach. Niektóre z nich (na przykład zdegenerowany gaz elektronowy i materia neutronowa) istnieją tylko wewnątrz supergęstych ciał kosmicznych (białych karłów i gwiazd neutronowych), a niektóre (takie jak ciecz kwarkowo-gluonowa) powstały i zniknęły w krótkim momencie wkrótce po Wielkim Huk. Interesujące jest jednak to, że założenie o istnieniu pierwszego ze stanów wykraczających poza ramy klasycznej triady zostało przyjęte tak samo w XIX wieku, a więc na samym jego początku. Stała się ona przedmiotem badań naukowych znacznie później, w latach 20. XX wieku. Wtedy ma swoją nazwę - plazma.

Od Faradaya do Langmuira

W drugiej połowie lat 70. William Crookes, członek Royal Society of London, odnoszący sukcesy meteorolog i chemik (odkrył tal i niezwykle dokładnie określił jego masę atomową), zainteresował się wyładowaniami gazowymi w lampach próżniowych. Wiadomo było wówczas, że elektroda ujemna emituje emanację nieznanej natury, którą niemiecki fizyk Eugen Goldstein w 1876 r. nazwał promieniami katodowymi. Po wielu eksperymentach Crookes uznał, że te promienie to nic innego jak cząsteczki gazu, które po zderzeniu z katodą nabrały ładunku ujemnego i zaczęły przemieszczać się w kierunku anody. Nazwał te naładowane cząstki „materią promienistą”, materią promienistą.

Tokamak to toroidalne urządzenie do ograniczania plazmy za pomocą pola magnetycznego. Rozgrzana do bardzo wysokich temperatur plazma nie styka się ze ścianami komory, lecz jest utrzymywana przez pola magnetyczne – toroidalne, tworzone przez cewki, oraz poloidalne, które powstaje, gdy w plazmie płynie prąd. Sama plazma pełni rolę uzwojenia wtórnego transformatora (pierwotne - cewki tworzące pole toroidalne), które zapewnia wstępne nagrzewanie, gdy płynie prąd elektryczny.

Trzeba przyznać, że Crookes nie był oryginalny w tym wyjaśnieniu natury promieni katodowych. W 1871 roku podobną hipotezę wyraził wybitny brytyjski inżynier elektryk Cromwell Fleetwood Varley, jeden z liderów układania pierwszego transatlantyckiego kabla telegraficznego. Jednak wyniki eksperymentów z promieniami katodowymi skłoniły Crookesa do bardzo głębokiej myśli: medium, w którym się rozchodzą, nie jest już gazem, ale czymś zupełnie innym. 22 sierpnia 1879 roku na posiedzeniu Brytyjskiego Towarzystwa Promocji Nauki Crookes oświadczył, że wyładowania w gazach rozrzedzonych „tak nie przypominają niczego, co dzieje się w powietrzu lub jakimkolwiek gazie pod zwykłym ciśnieniem, że w tym przypadku mamy do czynienia z substancja w czwartym stanie, która właściwościami różni się od zwykłego gazu w takim samym stopniu, jak gaz od cieczy.

Często pisze się, że to Crookes jako pierwszy pomyślał o czwartym stanie skupienia. W rzeczywistości ta myśl przyszła Michaelowi Faradaya znacznie wcześniej. W 1819 roku, 60 lat przed Crookesem, Faraday zasugerował, że materia może istnieć w stanie stałym, ciekłym, gazowym i promienistym. W swoim raporcie Crookes powiedział wprost, że używa terminów zapożyczonych od Faradaya, ale z jakiegoś powodu potomność o tym zapomniała. Jednak pomysł Faradaya był nadal hipotezą spekulatywną, a Crookes poparł go danymi eksperymentalnymi.

Promienie katodowe były również intensywnie badane po Crookesie. W 1895 roku eksperymenty te doprowadziły Williama Roentgena do odkrycia nowego rodzaju promieniowania elektromagnetycznego, a na początku XX wieku przerodziły się w wynalezienie pierwszych lamp radiowych. Hipoteza Crookesa o czwartym stanie materii nie wzbudziła jednak zainteresowania fizyków, najprawdopodobniej dlatego, że w 1897 roku Joseph John Thomson udowodnił, że promienie katodowe nie są naładowanymi atomami gazu, ale bardzo lekkimi cząstkami, które nazwał elektronami. To odkrycie zdawało się czynić hipotezę Crookesa zbędną.

Zrzut ekranu przedstawiający Korea Superconducting Tokamak (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor) przebieg testowy koreańskiej „pierwszej plazmy” 15 lipca 2008 r. KSTAR, projekt badawczy mający na celu zbadanie możliwości syntezy jądrowej w celu wytworzenia energii, wykorzystuje 30 nadprzewodzących magnesów chłodzonych ciekłym helem .

Jednak odrodziła się jak feniks z popiołów. W drugiej połowie lat dwudziestych przyszły laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii Irving Langmuir, który pracował w laboratorium General Electric Corporation, zajął się badaniem wyładowań gazowych. Wtedy już wiedzieli, że w przestrzeni między anodą a katodą atomy gazu tracą elektrony i zamieniają się w dodatnio naładowane jony. Zdając sobie sprawę, że taki gaz ma wiele specjalnych właściwości, Langmuir postanowił nadać mu własne imię. Jakimś dziwnym skojarzeniem wybrał słowo „plazma”, które do tej pory było używane tylko w mineralogii (to inna nazwa zielonego chalcedonu) iw biologii (płynna baza krwi, a także serwatka). W nowym znaczeniu termin „plazma” pojawił się po raz pierwszy w artykule Langmuira „Oscylacje w zjonizowanych gazach”, opublikowanym w 1928 roku. Przez trzydzieści lat niewiele osób używało tego terminu, ale potem mocno wszedł on do użytku naukowego.

Fizyka plazmy

Plazma klasyczna to gaz jonowo-elektronowy, być może rozcieńczony cząstkami obojętnymi (ściśle mówiąc, fotony są tam zawsze obecne, ale w umiarkowanych temperaturach można je zignorować). Jeśli stopień jonizacji nie jest zbyt niski (z reguły wystarczy jeden procent), gaz ten wykazuje wiele specyficznych właściwości, których nie posiadają zwykłe gazy. Można jednak zrobić plazmę, w której w ogóle nie będzie wolnych elektronów, a ich obowiązki przejmą jony ujemne.

Dla uproszczenia rozważymy tylko plazmę elektronowo-jonową. Jego cząsteczki są przyciągane lub odpychane zgodnie z prawem Coulomba, a oddziaływanie to przejawia się na dużych odległościach. To właśnie odróżnia je od atomów i cząsteczek gazu obojętnego, które czują się tylko na bardzo małe odległości. Ponieważ cząstki plazmy poruszają się swobodnie, są łatwo przemieszczane przez siły elektryczne. Aby plazma znajdowała się w stanie równowagi, konieczne jest, aby ładunki przestrzenne elektronów i jonów w pełni się kompensowały. Jeśli ten warunek nie jest spełniony, w plazmie powstają prądy elektryczne, które przywracają równowagę (na przykład, jeśli w jakimś obszarze powstanie nadmiar jonów dodatnich, elektrony natychmiast tam pędzą). Dlatego w równowadze plazmy gęstości cząstek o różnych znakach są praktycznie takie same. Ta najważniejsza właściwość nazywana jest quasi-neutralnością.

Prawie zawsze atomy lub cząsteczki zwykłego gazu uczestniczą tylko w interakcjach parami - zderzają się ze sobą i rozlatują. Plazma to inna sprawa. Ponieważ jego cząstki są związane siłami kulombowskimi dalekiego zasięgu, każda z nich znajduje się w polu bliskich i dalekich sąsiadów. Oznacza to, że interakcja między cząstkami plazmy nie jest sparowana, ale wielokrotna - jak mówią fizycy, zbiorowa. Z tego wynika standardowa definicja plazmy - quasi-neutralny układ dużej liczby naładowanych cząstek o przeciwnych nazwach, wykazujący zbiorowe zachowanie.

Potężne akceleratory elektronów mają charakterystyczną długość setek metrów, a nawet kilometrów. Ich rozmiary można znacznie zmniejszyć, jeśli elektrony przyspiesza się nie w próżni, ale w plazmie - „na grzbiecie” szybko propagujących się zaburzeń gęstości ładunków plazmy, tzw. fal śladowych, wzbudzanych impulsami promieniowania laserowego.

Plazma różni się od gazu obojętnego reakcją na zewnętrzne pola elektryczne i magnetyczne (zwykły gaz praktycznie ich nie zauważa). Przeciwnie, cząsteczki plazmy wyczuwają dowolnie słabe pola i natychmiast wprawiają w ruch, generując ładunki kosmiczne i prądy elektryczne. Inną ważną cechą plazmy równowagowej jest ekranowanie ładunku. Weźmy cząstkę plazmy, powiedzmy jon dodatni. Przyciąga elektrony, które tworzą chmurę ładunku ujemnego. Pole takiego jonu zachowuje się zgodnie z prawem Coulomba tylko w jego pobliżu, a przy odległościach przekraczających pewną wartość krytyczną bardzo szybko dąży do zera. Parametr ten nazywany jest promieniem ekranowania Debye'a, na cześć holenderskiego fizyka Petera Debye'a, który opisał ten mechanizm w 1923 roku.

Łatwo zrozumieć, że plazma zachowuje quasi-neutralność tylko wtedy, gdy jej wymiary liniowe we wszystkich wymiarach znacznie przekraczają promień Debye'a. Należy zauważyć, że parametr ten rośnie wraz z ogrzewaniem plazmy i maleje wraz ze wzrostem jej gęstości. W plazmie wyładowań gazowych, w rzędzie wielkości, wynosi 0,1 mm, w ziemskiej jonosferze - 1 mm, w jądrze słonecznym - 0,01 nm.

kontrolowana fuzja

Obecnie plazma jest wykorzystywana w wielu różnych technologiach. Niektóre z nich są znane wszystkim (lampy gazowe, wyświetlacze plazmowe), inne interesują wąskich specjalistów (produkcja powłok ochronnych o dużej wytrzymałości, wytwarzanie mikroczipów, dezynfekcja). Jednak największe nadzieje pokłada się w plazmie w związku z pracami nad wdrożeniem kontrolowanych reakcji termojądrowych. To jest zrozumiałe. Aby jądra wodoru połączyły się w jądra helu, trzeba je zbliżyć na odległość rzędu jednej stumiliardowej części centymetra - i tam już zadziałają siły jądrowe. Takie podejście jest możliwe tylko w temperaturach dziesiątek i setek milionów stopni - w tym przypadku energia kinetyczna dodatnio naładowanych jąder jest wystarczająca do pokonania odpychania elektrostatycznego. Dlatego kontrolowana fuzja termojądrowa wymaga wysokotemperaturowej plazmy wodorowej.

Plazma jest niemal wszechobecna w otaczającym ją świecie – można ją znaleźć nie tylko w wyładowaniach gazowych, ale także w jonosferze planet, w powierzchniowych i głębokich warstwach aktywnych gwiazd. To środowisko do realizacji kontrolowanych reakcji termojądrowych, płyn roboczy dla kosmicznych silników elektrycznych i wiele, wiele więcej.

To prawda, że \u200b\u200bplazma oparta na zwykłym wodorze nie pomoże tutaj. Takie reakcje zachodzą we wnętrzach gwiazd, ale są bezużyteczne dla energii ziemskiej, ponieważ intensywność wydzielania energii jest zbyt mała. Najlepsza plazma to mieszanina ciężkich izotopów wodoru deuteru i trytu w stosunku 1:1 (czysta plazma deuteru jest również dopuszczalna, chociaż będzie dostarczać mniej energii i wymagać wyższych temperatur zapłonu).

Jednak samo ogrzewanie nie wystarczy do rozpoczęcia reakcji. Po pierwsze, plazma musi być wystarczająco gęsta; po drugie, cząsteczki, które dostały się do strefy reakcji, nie powinny jej zbyt szybko opuszczać – w przeciwnym razie strata energii przewyższy jej uwolnienie. Wymagania te można przedstawić w postaci kryterium, które zaproponował w 1955 roku angielski fizyk John Lawson. Zgodnie z tym wzorem iloczyn gęstości plazmy i średniego czasu retencji cząstek musi być większy niż pewna wartość określona przez temperaturę, skład paliwa termojądrowego i oczekiwaną wydajność reaktora.

Łatwo zauważyć, że istnieją dwa sposoby spełnienia kryterium Lawsona. Możliwe jest skrócenie czasu uwięzienia do nanosekund przez skompresowanie plazmy, powiedzmy, do 100–200 g/cm3 (ponieważ plazma nie ma czasu na rozszerzenie się, ta metoda uwięzienia nazywana jest uwięzieniem bezwładnościowym). Fizycy pracowali nad tą strategią od połowy lat 60.; teraz Livermore National Laboratory pracuje nad jego najbardziej zaawansowaną wersją. W tym roku rozpoczną eksperymenty kompresji miniaturowych kapsuł berylowych (średnica 1,8 mm) wypełnionych mieszaniną deuteru i trytu za pomocą 192 ultrafioletowych wiązek laserowych. Kierownicy projektu wierzą, że nie później niż w 2012 roku uda im się nie tylko wywołać reakcję termojądrową, ale także uzyskać dodatni wynik energetyczny. Być może podobny program w ramach projektu HiPER (High Power Laser Energy Research) zostanie uruchomiony w Europie w najbliższych latach. Jednak nawet jeśli eksperymenty w Livermore w pełni uzasadnią pokładane w nich oczekiwania, to do stworzenia prawdziwego reaktora termojądrowego z inercyjnym uwięzieniem plazmy droga wciąż będzie bardzo duża. Faktem jest, że do stworzenia prototypowej elektrowni potrzebny jest bardzo szybki system supermocnych laserów. Powinien zapewniać taką częstotliwość błysków, które zapalają cele deuterowo-trytowe, która tysiąckrotnie przekroczy możliwości systemu Livermore, wykonując nie więcej niż 5-10 strzałów na sekundę. Obecnie aktywnie dyskutuje się o różnych możliwościach stworzenia takich pistoletów laserowych, ale ich praktyczne wdrożenie jest jeszcze bardzo odległe.

Tokamaki: stara gwardia

Alternatywnie można pracować z rozrzedzoną plazmą (gęstość w nanogramach na centymetr sześcienny), utrzymując ją w strefie reakcji przez co najmniej kilka sekund. Od ponad pół wieku takie eksperymenty wykorzystują różne pułapki magnetyczne, które utrzymują plazmę w określonej objętości poprzez zastosowanie kilku pól magnetycznych. Za najbardziej obiecujące uważane są tokamaki - zamknięte pułapki magnetyczne w kształcie torusa, po raz pierwszy zaproponowane przez A.D. Sacharowa i I.E. Tamma w 1950 roku. Obecnie w różnych krajach istnieje kilkanaście takich instalacji, z których największe zbliżyły się do spełnienia kryterium Lawsona. Tokamakiem jest także międzynarodowy eksperymentalny reaktor termojądrowy, słynny ITER, który powstanie w wiosce Cadarache niedaleko francuskiego miasta Aix-en-Provence. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, ITER po raz pierwszy umożliwi otrzymanie plazmy spełniającej kryterium Lawsona i wywołanie w niej reakcji termojądrowej.

„W ciągu ostatnich dwóch dekad poczyniliśmy ogromne postępy w zrozumieniu procesów zachodzących w magnetycznych pułapkach plazmowych, w szczególności w tokamakach. Ogólnie wiemy już, jak poruszają się cząsteczki plazmy, jak powstają niestabilne stany przepływu plazmy i do jakiego stopnia należy zwiększyć ciśnienie plazmy, aby nadal mogło być utrzymywane przez pole magnetyczne. Powstały też nowe, bardzo precyzyjne metody diagnostyki plazmy, czyli pomiary różnych parametrów plazmy – mówi Ian Hutchinson, profesor fizyki jądrowej i technologii jądrowej w Massachusetts Institute of Technology, który od ponad 30 lat zajmuje się tokamakami , powiedział premierowi. „Do tej pory największe tokamaki osiągnęły moc uwalniania energii cieplnej w plazmie deuterowo-trytowej rzędu 10 megawatów przez jedną lub dwie sekundy. ITER przekroczy te liczby o kilka rzędów wielkości. Jeśli się nie pomylimy, będzie w stanie dostarczyć co najmniej 500 megawatów przez kilka minut. Jeśli masz naprawdę szczęście, energia będzie generowana bez ograniczeń czasowych, w trybie stabilnym”.

Profesor Hutchinson podkreślił również, że naukowcy dobrze teraz rozumieją naturę procesów, które muszą zachodzić wewnątrz tego ogromnego tokamaka: „Znamy nawet warunki, w jakich plazma tłumi własne turbulencje, a to jest bardzo ważne dla kontrolowania działania reaktor. Oczywiście konieczne jest rozwiązanie wielu problemów technicznych - w szczególności dokończenie opracowywania materiałów na wewnętrzną wyściółkę komory, zdolnych wytrzymać intensywne bombardowanie neutronami. Ale z punktu widzenia fizyki plazmy obraz jest dość jasny – przynajmniej tak nam się wydaje. ITER musi potwierdzić, że się nie mylimy. Jeśli tak dalej pójdzie, nadejdzie tokamak nowej generacji, który stanie się prototypem przemysłowych reaktorów termojądrowych. Ale teraz jest za wcześnie, by o tym mówić. W międzyczasie spodziewamy się, że ITER zacznie działać do końca tej dekady. Najprawdopodobniej będzie w stanie generować gorącą plazmę nie wcześniej niż w 2018 r., przynajmniej według naszych oczekiwań”. Tak więc z punktu widzenia nauki i technologii projekt ITER ma dobre perspektywy.