Okrem troch základných skupenstiev hmoty: kvapalné, pevné a plynné, existuje aj štvrté skupenstvo hmoty. Tento stav sa nazýva plazma. Plazma- čiastočne alebo úplne ionizovaný plyn. Plazmu je možné získať ďalším ohrevom plynu. Pri dostatočne vysokých teplotách začína ionizácia plynu. A prechádza do stavu plazmy.

Stupeň ionizácie plazmy môže byť rôzny v závislosti od toho, koľko atómov a molekúl je ionizovaných. Okrem ohrevu plynu možno plazmu získať aj inými spôsobmi. Napríklad pomocou žiarenia alebo plynového bombardovania rýchlo nabitými časticami. V takýchto prípadoch sa hovorí o nízkoteplotnej plazme.

Vlastnosti plazmy

Plazma bola izolovaná v samostatnom štvrtom skupenstve, pretože má špecifické vlastnosti. Plazma ako celok je elektricky neutrálny systém. Akékoľvek porušenie neutrality je eliminované nahromadením častíc rovnakého znamienka.

Je to spôsobené tým, že nabité častice plazmy majú veľmi vysokú pohyblivosť a sú ľahko ovplyvnené elektrickými a magnetickými poľami. Pôsobením elektrických polí sa nabité častice pohybujú do oblasti, kde je neutralita narušená, kým sa elektrické pole nestane nulou, to znamená, že sa neutralita neobnoví.

Medzi molekulami plazmy pôsobia coulombovské príťažlivé sily. V tomto prípade každá častica bezprostredne interaguje s mnohými ďalšími okolitými časticami. V dôsledku toho sa častice plazmy okrem chaotického tepelného pohybu môžu podieľať na rôznych usporiadaných pohyboch. Preto je ľahké vybudiť v plazme rôzne oscilácie a vlny.
So zvyšujúcim sa stupňom ionizácie plazmy sa zvyšuje jej vodivosť. Pri dostatočne vysokých teplotách možno plazmu považovať za supravodič.

Plazma v prírode

Obrovská časť hmoty vesmíru je v stave plazmy. Napríklad Slnko a ďalšie hviezdy sa pre svoju vysokú teplotu skladajú hlavne z plne ionizovanej plazmy. Medzihviezdne médium tiež pozostáva z plazmy. Ionizáciu atómov tu spôsobuje žiarenie samotných hviezd.

Medzihviezdna plazma je príkladom nízkoteplotnej plazmy. Naša planéta je tiež obklopená plazmou. Napríklad ionosféra. V ionosfére je ionizácia plynu spôsobená slnečným žiarením. Nad ionosférou sa nachádzajú radiačné pásy Zeme, ktoré pozostávajú aj z plazmy.

V tomto prípade je plazma tiež nízkoteplotná. Väčšinu vlastností plazmy majú aj voľné elektróny v kovoch. Ich obmedzením je však skutočnosť, že sa nemôžu voľne pohybovať po celom objeme tela.

Fotografia ukazuje úplné zatmenie Slnka pozorované vo Francúzsku v roku 1999. Špicaté halo svetla je plazma zo slnečnej koróny

Hmota existuje v štyroch možných stavoch: tuhá, kvapalná, plynná a vo forme plazmy, čo je elektrifikovaný plyn. S prírodnou plazmou sa stretávame len zriedka – možno ju vidieť počas búrok a polárnych svetiel, alebo ak sa na Slnko pozeráte cez špeciálny filter. Napriek tomu, že plazma, napriek všetkému jej nedostatku v našom každodennom živote, tvorí viac ako 99 % pozorovateľnej hmoty vo vesmíre (teda, ak sa vylúči temná hmota).

Ako vzniká plazma

Predstavte si, že ohrievate nádobu plnú ľadu a sledujete, ako sa mení z pevnej látky na kvapalnú a plynnú. Ako teplota stúpa, molekuly vody sa stávajú energickejšími a vzrušujúcejšími a pohybujú sa stále voľnejšie. Ak budete pokračovať v zahrievaní, potom sa pri teplote asi 12 tisíc stupňov Celzia začnú rozpadať samotné atómy. Elektróny uniknú z jadier a zanechajú za sebou nabité častice známe ako ióny, ktoré nakoniec skončia v polievke elektrónov. Toto je stav plazmy.

Plazma vo fyzike a v krvi

Spojenie krvi a „fyzickej“ plazmy je viac ako len náhoda. V roku 1927 si americký chemik Irving Langmuir všimol, že tak ako plazma nesie elektróny, ióny, molekuly a iné nečistoty, tak aj krvná plazma nesie červené a biele krvinky a mikróby. Langmuir sa stal priekopníkom v štúdiu plazmy. Spolu s kolegom Levim Tonksom tiež zistil, že plazma sa vyznačuje rýchlymi osciláciami elektrónov v dôsledku kolektívneho správania sa častíc.

Ďalšou zaujímavou vlastnosťou plazmy je jej schopnosť podporovať takzvané hydromagnetické vyduté vlny, ktoré sa šíria plazmou pozdĺž magnetických siločiar, podobne ako vibrácie šíriace sa pozdĺž struny gitary. Keď v roku 1942 švédsky vedec Hannes Alfven, ktorý sa neskôr stal laureátom Nobelovej ceny, prvýkrát navrhol existenciu týchto vĺn, fyzikálna komunita bola skeptická. Ale po tom, čo Alfvén prednášal na Chicagskej univerzite, ho oslovil renomovaný fyzik a lektor Enrico Fermi, aby prediskutoval túto teóriu a priznal, že takéto vlny môžu existovať.

Termonukleárna fúzia

Jednou z najväčších hybných síl modernej vedy o plazme je perspektíva riadenej fúzie, pri ktorej sa atómy spájajú a uvoľňujú intenzívne, ale kontrolované výbuchy energie. To by poskytlo takmer neobmedzený zdroj bezpečnej, čistej energie, ale nie je to taká ľahká úloha. Predtým, ako dôjde na Zemi k takémuto zlúčeniu, musí sa plazma zahriať na viac ako 100 miliónov stupňov Celzia, čo je asi 10-krát viac ako v strede Slnka. To ale nie je to najťažšie, keďže sa vedcom podarilo dosiahnuť takú teplotu už v 90. rokoch. Horúca plazma je však vysoko nestabilná, a preto sa ťažko skladuje a ťažko sa kontroluje.

Pokusy dosiahnuť riadenú termonukleárnu fúziu sa datujú od začiatku 50. rokov minulého storočia. V tom čase výskum vykonávali tajne Spojené štáty americké, ako aj Sovietsky zväz a Británia. V USA bola oporou tohto výskumu Princetonská univerzita. Fyzik Lyman Spitzer tam odštartoval projekt Matterhorn, v ktorom sa tajná skupina vedcov pokúsila dosiahnuť riadenú fúziu pomocou zariadenia nazývaného stelarátor. Nemali počítače a museli sa spoliehať len na vlastné výpočty. Hoci hádanku nevyriešili, nakoniec vyvinuli „energetický princíp“, ktorý dnes zostáva silnou metódou na testovanie ideálnej stability plazmy.

tokamak

Medzitým vedci v Sovietskom zväze vytvorili ďalšie zariadenie, tokamak. Tento stroj, ktorý vyvinuli fyzici Andrej Sacharov a Igor Tamm, využíval silné magnetické pole na vytlačenie horúcej plazmy do tvaru šišky. Tokamak bol lepší v udržiavaní horúcej a stabilnej plazmy a dodnes sa väčšina programov výskumu fúzie spolieha na dizajn tokamaku. Čína, Európska únia, India, Japonsko, Kórea, Rusko a Spojené štáty americké sa dnes spojili, aby postavili najväčší svetový tokamak reaktor, ktorého otvorenie sa očakáva v roku 2025. V posledných rokoch však došlo aj k opätovnému oživeniu nadšenia pre stelarátory, pričom v roku 2015 došlo k najväčšiemu otvoreniu na svete v Nemecku. Investícia do oboch metód nám pravdepodobne dáva najväčšiu šancu uspieť.

Plazma v blízkozemskom priestore

Plazma je tiež spojená s fyzikou vesmíru okolo Zeme, kde je hmota transportovaná vetrom generovaným v hornej atmosfére Slnka. Máme to šťastie, že magnetické pole Zeme nás chráni pred nabitými časticami plazmy a ničivým žiarením takéhoto slnečného vetra, ale tomuto efektu sú vystavené všetky naše satelity, kozmické lode a astronauti. Ich schopnosť prežiť v tomto nepriateľskom prostredí závisí od pochopenia a prispôsobenia sa rozmarom plazmy.

V novom odbore známom ako „vesmírne počasie“ hrá fyzika plazmy úlohu podobnú dynamike tekutín v pozemských atmosférických podmienkach. Existuje niečo ako magnetické opätovné spojenie, pri ktorom sa magnetické siločiary v plazme môžu zlomiť a znovu spojiť, čo vedie k rýchlemu uvoľneniu energie. Predpokladá sa, že tento proces poháňa slnečné erupcie, aj keď podrobné pochopenie zostáva nepolapiteľné. Ale v budúcnosti budeme môcť predpovedať slnečné búrky rovnakým spôsobom, akým predpovedáme zlé počasie na Zemi.

Ako nám dnes plazma pomáha?

Možno nám jedného dňa fyzika plazmy poskytne pohľad na to, ako sa hviezdy, galaxie a zhluky galaxií prvýkrát vytvorili. Podľa štandardného kozmologického modelu bola plazma v ranom vesmíre bežná, potom sa veci začali ochladzovať a nabité elektróny a protóny sa spojili, aby sa atómy vodíka stali elektricky neutrálnymi. Tento stav pokračoval, až kým nevznikli prvé hviezdy a čierne diery, ktoré začali vyžarovať žiarenie, po ktorom sa Vesmír „reionizoval“ a vrátil sa do plazmového stavu.

Dnes vedia vedci vďaka plazme nájsť čierne diery. Sú také husté, že prakticky neodrážajú svetlo, preto sú pre priame pozorovanie prakticky neviditeľné. Čierne diery sú však zvyčajne obklopené rotujúcim diskom plazmovej hmoty, ktorý sa pohybuje v rámci gravitačnej sily čiernej diery a vyžaruje vysokoenergetické fotóny. Práve tie môžu vedci pozorovať v röntgenovom spektre.

Plazma sa nám stále javí ako dosť exotický stav hmoty, no keď sa naučíme využívať jej potenciál a rozšírime si pohľad na vesmír, jedného dňa sa nám môže stať rovnako bežnou ako ľad a voda. A ak niekedy dosiahneme riadenú jadrovú fúziu, potom už jednoducho nemôžeme žiť bez plazmy.

Krvná plazma: zložky (látky, bielkoviny), funkcie v organizme, využitie

Krvná plazma je prvou (tekutou) zložkou najcennejšieho biologického média nazývaného krv. Krvná plazma zaberá až 60% celkového objemu krvi. Druhá časť (40 - 45%) tekutiny cirkulujúcej v krvnom riečisku je prevzatá formovanými prvkami: erytrocyty, leukocyty a krvné doštičky.

Zloženie krvnej plazmy je jedinečné. Čo tam nie je? Rôzne bielkoviny, vitamíny, hormóny, enzýmy – vo všeobecnosti všetko, čo každú sekundu zabezpečuje život ľudského tela.

Zloženie krvnej plazmy

Žltkastá priehľadná kvapalina uvoľnená pri vytváraní konvolúcie v skúmavke - je to plazma? Nie toto krvné sérum, v ktorej nie je koagulovaná bielkovina (faktor I), došlo k zrazenine. Ak však odoberiete krv do skúmavky s antikoagulantom, potom jej (krv) nedovolí zraziť a ťažké tvarové prvky po chvíli klesnú ku dnu, pričom na vrchu bude tiež žltkastý, ale trochu zakalené, na rozdiel od séra, tekutiny, tu je a jesť krvná plazma, ktorého zákal je daný bielkovinami v ňom obsiahnutými, najmä fibrinogénom (FI).

Zloženie krvnej plazmy je pozoruhodné svojou rozmanitosťou. V ňom sú okrem vody, ktorá je 90 - 93%, zložky bielkovinovej a nebielkovinovej povahy (až 10%):

plazmy v krvi

• , ktoré zaberajú 7 - 8 % z celkového objemu tekutej časti krvi (1 liter plazmy obsahuje od 65 do 85 gramov bielkovín, norma celkového obsahu bielkovín v krvi pri biochemickom rozbore: 65 - 85 g / l). Hlavné plazmatické bielkoviny sú rozpoznané (až 50 % všetkých bielkovín alebo 40 - 50 g/l), (≈ 2,7 %) a fibrinogén;
• Iné látky bielkovinovej povahy (komponenty komplementu, sacharidovo-proteínové komplexy atď.);
• Biologicky aktívne látky (enzýmy, hematopoetické faktory - hemocytokíny, hormóny, vitamíny);
• Peptidy s nízkou molekulovou hmotnosťou sú cytokíny, čo sú v princípe proteíny, ale s nízkou molekulovou hmotnosťou ich produkujú hlavne lymfocyty, aj keď sa na tom podieľajú aj iné krvinky. Napriek svojmu „malému vzrastu“ sú cytokíny vybavené najdôležitejšími funkciami, vykonávajú interakciu imunitného systému s inými systémami pri spúšťaní imunitnej odpovede;
• Sacharidy, ktoré sa podieľajú na metabolických procesoch, ktoré sa neustále vyskytujú v živom organizme;
• Produkty vyplývajúce z týchto metabolických procesov, ktoré budú následne odstránené obličkami ( atď.);
• V krvnej plazme sa zhromažďuje prevažná väčšina prvkov tabuľky D. I. Mendelejeva. Je pravda, že niektorí zástupcovia anorganickej povahy (draslík, jód, vápnik, síra atď.) vo forme cirkulujúcich katiónov a aniónov sa dajú ľahko spočítať, iní (vanád, kobalt, germánium, titán, arzén atď.) - kvôli skromné ​​množstvo, vypočítané s ťažkosťami. Medzitým je podiel všetkých chemických prvkov prítomných v plazme od 0,85 do 0,9%.

Plazma je teda veľmi zložitý koloidný systém, v ktorom „pláva“ všetko, čo je obsiahnuté v tele človeka a cicavcov a všetko, čo sa z neho pripravuje na odstránenie.

Voda je zdrojom H2O pre všetky bunky a tkanivá, keďže je v plazme prítomná v takých významných množstvách, poskytuje normálnu hladinu (BP), udržuje viac-menej konštantný objem cirkulujúcej krvi (BCC).

Proteíny, ktoré sa líšia aminokyselinovými zvyškami, fyzikálno-chemickými vlastnosťami a inými charakteristikami, tvoria základ organizmu a poskytujú mu život. Rozdelením plazmatických bielkovín na frakcie je možné zistiť obsah jednotlivých bielkovín, najmä albumínov a globulínov, v krvnej plazme. Robí sa to na diagnostické účely v laboratóriách, robí sa to v priemyselnom meradle, aby sa získali veľmi cenné terapeutické liečivá.

Z minerálnych zlúčenín má najväčší podiel v zložení krvnej plazmy sodík a chlór (Na a Cl). Tieto dva prvky zaberajú ≈ 0,3% minerálneho zloženia plazmy, to znamená, že sú to hlavné prvky, ktoré sa často používajú na doplnenie objemu cirkulujúcej krvi (BCC) v prípade straty krvi. V takýchto prípadoch sa pripravuje a transfúzuje cenovo dostupný a lacný liek - izotonický roztok chloridu sodného. Zároveň sa 0,9% roztok NaCl nazýva fyziologický, čo nie je celkom pravda: fyziologický roztok by mal okrem sodíka a chlóru obsahovať ďalšie makro- a mikroprvky (zodpovedajúce minerálnemu zloženiu plazmy).

Video: čo je krvná plazma

Funkcie krvnej plazmy zabezpečujú bielkoviny

Funkcie krvnej plazmy sú určené jej zložením, hlavne bielkovín. Táto problematika bude podrobnejšie zvážená v nižšie uvedených častiach venovaných hlavným plazmatickým proteínom, nezaškodí však stručne poznamenať najdôležitejšie úlohy, ktoré tento biologický materiál rieši. Takže hlavné funkcie krvnej plazmy:

1. Transport (albumín, globulíny);
2. Detoxikácia (albumín);
3. Ochranné (globulíny - imunoglobulíny);
4. Koagulácia (fibrinogén, globulíny: alfa-1-globulín - protrombín);
5. Regulácia a koordinácia (albumín, globulíny);

Toto je stručne o funkčnom účele tekutiny, ktorá sa ako súčasť krvi neustále pohybuje cez krvné cievy a zabezpečuje normálne fungovanie tela. Napriek tomu by sa niektorým z jeho zložiek mala venovať väčšia pozornosť, napríklad čo sa čitateľ dozvedel o bielkovinách krvnej plazmy, keď dostal tak málo informácií? Ale sú to oni, ktorí v podstate riešia uvedené úlohy (funkcie krvnej plazmy).

proteíny krvnej plazmy

Samozrejme, poskytnúť čo najúplnejšie množstvo informácií, ktoré ovplyvňujú všetky vlastnosti proteínov prítomných v plazme, v malom článku venovanom tekutej časti krvi, je pravdepodobne trochu ťažké. Medzitým je celkom možné oboznámiť čitateľa s charakteristikami hlavných proteínov (albumíny, globulíny, fibrinogén - sú považované za hlavné plazmatické proteíny) a spomenúť vlastnosti niektorých ďalších látok proteínovej povahy. Najmä preto, že (ako už bolo spomenuté vyššie) s touto cennou tekutinou zabezpečujú kvalitné plnenie svojich funkčných povinností.

O hlavných plazmatických bielkovinách sa bude diskutovať o niečo nižšie, rád by som však čitateľovi predložil tabuľku, ktorá ukazuje, ktoré bielkoviny predstavujú hlavné krvné bielkoviny, ako aj ich hlavný účel.

Tabuľka 1. Hlavné plazmatické proteíny

Hlavné plazmatické proteíny	Obsah v plazme (norma), g/l	Hlavní predstavitelia a ich funkčný účel
albumíny	35 - 55	"Stavebný materiál", katalyzátor imunologických reakcií, funkcie: transport, neutralizácia, regulácia, ochrana.
Alfa globulín α-1	1,4 – 3,0	α1-antitrypsín, α-kyslý proteín, protrombín, transkortín transportujúci kortizol, proteín viažuci tyroxín, α1-lipoproteín, transportujúci tuky do orgánov.
Alfa globulín a-2	5,6 – 9,1	α-2-makroglobulín (hlavný proteín v skupine) je účastníkom imunitnej odpovede, haptoglobín tvorí komplex s voľným hemoglobínom, ceruloplazmín prenáša meď, apolipoproteín B transportuje lipoproteíny s nízkou hustotou („zlý“ cholesterol).
Beta globulíny: β1+β2	5,4 – 9,1	Hemopexín (viaže hemoglobín hem, ktorý bráni odstraňovaniu železa z tela), β-transferín (prenáša Fe), zložka komplementu (zúčastňuje sa imunologických procesov), β-lipoproteíny – „vozidlo“ cholesterolu a fosfolipidov.
Gama globulín γ	8,1 – 17,0	Prirodzené a získané protilátky (imunoglobulíny triedy 5 - IgG, IgA, IgM, IgE, IgD), ktoré vykonávajú najmä imunitnú ochranu na úrovni humorálnej imunity a vytvárajú alergostatus organizmu.
fibrinogén	2,0 – 4,0	Prvým faktorom systému zrážania krvi je FI.

albumíny

Albumíny sú jednoduché proteíny, ktoré v porovnaní s inými proteínmi:

štruktúra albumínu

• Vykazujú najvyššiu stabilitu v roztokoch, ale zároveň sa dobre rozpúšťajú vo vode;
• Dobre znášajú mínusové teploty, pri opätovnom zmrazovaní sa nijak zvlášť nepoškodzujú;
• Pri sušení sa nezrúti;
• Keď zostanú 10 hodín pri teplote, ktorá je dosť vysoká pre iné bielkoviny (60ᵒС), nestrácajú svoje vlastnosti.

Schopnosť týchto dôležitých proteínov je spôsobená prítomnosťou veľmi veľkého počtu polárnych rozkladajúcich sa bočných reťazcov v molekule albumínu, ktoré určujú hlavné funkčné povinnosti proteínov - účasť na metabolizme a implementácia antitoxického účinku. Funkcie albumínu v krvnej plazme možno znázorniť takto:

1. Účasť na metabolizme vody (vďaka albumínom sa udržiava požadovaný objem tekutiny, pretože poskytujú až 80% celkového koloidného osmotického krvného tlaku);
2. Účasť na preprave rôznych produktov, najmä tých, ktoré sa veľmi ťažko rozpúšťajú vo vode, napríklad tuky a žlčový pigment - bilirubín (bilirubín sa po kontakte s molekulami albumínu stáva pre telo neškodným a v tomto stave sa prenáša do pečeň);
3. Interakcia s makro- a mikroelementmi vstupujúcimi do plazmy (vápnik, horčík, zinok atď.), Ako aj s mnohými liekmi;
4. Väzba toxických produktov v tkanivách, kde tieto proteíny voľne prenikajú;
5. Prenos uhľohydrátov;
6. Väzba a prenos voľných mastných kyselín – mastných kyselín (až 80 %), posielaných do pečene a iných orgánov z tukových zásob a naopak mastné kyseliny nevykazujú agresivitu voči červeným krvinkám (erytrocytom) a nedochádza k hemolýze;
7. Ochrana pred tukovou hepatózou buniek pečeňového parenchýmu a degeneráciou (tukom) iných parenchýmových orgánov a navyše prekážkou tvorby aterosklerotických plátov;
8. Regulácia „správania“ určitých látok v ľudskom tele (keďže aktivita enzýmov, hormónov, antibakteriálnych liečiv vo viazanej forme klesá, tieto proteíny pomáhajú nasmerovať ich pôsobenie správnym smerom);
9. Zabezpečenie optimálnej hladiny katiónov a aniónov v plazme, ochrana pred negatívnymi účinkami solí ťažkých kovov, ktoré náhodne vstupujú do tela (sú s nimi komplexované pomocou tiolových skupín), neutralizácia škodlivých látok;
10. Katalýza imunologických reakcií (antigén→protilátka);
11. Udržiavanie konštantného pH krvi (štvrtou zložkou pufrovacieho systému sú plazmatické proteíny);
12. Pomoc pri „stavbe“ tkanivových proteínov (albumíny spolu s inými proteínmi tvoria rezervu „stavebných materiálov“ pre takú dôležitú vec).

Albumín sa syntetizuje v pečeni. Priemerný polčas rozpadu tohto proteínu je 2 – 2,5 týždňa, aj keď niektoré „žijú“ týždeň, iné „pracujú“ až 3 – 3,5 týždňa. Frakcionáciou proteínov z plazmy darcov sa získa cenné terapeutické liečivo (5%, 10% a 20% roztok), ktoré má podobný názov. Albumín je poslednou frakciou v procese, takže jeho výroba si vyžaduje značné náklady na prácu a materiál, teda náklady na terapeutické činidlo.

Indikácie na použitie darcovského albumínu sú rôzne (vo väčšine prípadov dosť ťažké) stavy: veľká, život ohrozujúca strata krvi, pokles hladiny albumínu a pokles koloidného osmotického tlaku v dôsledku rôznych ochorení.

Globulíny

Tieto proteíny zaberajú menší podiel v porovnaní s albumínom, ale medzi ostatnými proteínmi sú celkom hmatateľné. V laboratórnych podmienkach sa globulíny delia na päť frakcií: α-1, α-2, β-1, β-2 a γ-globulíny. Za výrobných podmienok sa na získanie prípravkov z frakcie II + III izolujú gamaglobulíny, ktoré sa následne použijú na liečbu rôznych chorôb sprevádzaných porušením imunitného systému.

rôzne formy druhov plazmatických proteínov

Na rozdiel od albumínov nie je voda vhodná na rozpúšťanie globulínov, pretože sa v nej nerozpúšťajú, ale neutrálne soli a slabé zásady sú celkom vhodné na prípravu roztoku tohto proteínu.

Globulíny sú veľmi dôležité plazmatické bielkoviny, vo väčšine prípadov ide o bielkoviny akútnej fázy. Napriek tomu, že ich obsah nepresahuje 3% všetkých plazmatických bielkovín, riešia pre ľudský organizmus najdôležitejšie úlohy:

• Alfa globulíny sa podieľajú na všetkých zápalových reakciách (v biochemickom krvnom teste je zaznamenané zvýšenie α-frakcie);
• Alfa a beta globulíny, ktoré sú súčasťou lipoproteínov, vykonávajú transportné funkcie (tuky vo voľnom stave v plazme sa vyskytujú veľmi zriedkavo, s výnimkou nezdravého mastného jedla a za normálnych podmienok sú cholesterol a iné lipidy spojené s globulínmi a tvoria vodu -rozpustná forma, ktorá sa ľahko prenáša z jedného orgánu do druhého);
• α- a β-globulíny sa podieľajú na metabolizme cholesterolu (pozri vyššie), čo určuje ich úlohu pri rozvoji aterosklerózy, takže nie je prekvapujúce, že pri patológiách, ktoré sa vyskytujú pri akumulácii lipidov, sa hodnoty beta frakcie menia smerom nahor ;
• Globulíny (frakcia alfa-1) nesú vitamín B12 a určité hormóny;
• Alfa-2-globulín je súčasťou haptoglobínu, ktorý sa veľmi aktívne podieľa na redoxných procesoch – tento proteín akútnej fázy viaže voľný hemoglobín a bráni tak odstraňovaniu železa z tela;
• Časť beta-globulínov spolu s gama-globulínmi rieši problémy imunitnej obrany organizmu, to znamená, že ide o imunoglobulíny;
• Zástupcovia frakcií alfa, beta-1 a beta-2 tolerujú steroidné hormóny, vitamín A (karotén), železo (transferín), meď (ceruloplazmín).

Je zrejmé, že v rámci svojej skupiny sa globulíny od seba trochu líšia (predovšetkým vo svojom funkčnom účele).

Treba si uvedomiť, že s vekom alebo pri určitých ochoreniach môže pečeň začať produkovať nie celkom normálne alfa a beta globulíny, pričom zmenená priestorová štruktúra makromolekuly proteínu nebude mať najlepší vplyv na funkčné schopnosti globulínov.

Gama globulíny

Gamaglobulíny sú proteíny krvnej plazmy s najnižšou elektroforetickou pohyblivosťou, tieto proteíny tvoria väčšinu prirodzených a získaných (imunitných) protilátok (AT). Gamaglobulíny vznikajúce v tele po stretnutí s cudzím antigénom sa nazývajú imunoglobulíny (Ig). V súčasnosti, s príchodom cytochemických metód v laboratórnych službách, je možné študovať sérum s cieľom určiť imunitné proteíny a ich koncentrácie v ňom. Nie všetky imunoglobulíny, a je ich 5 tried, majú rovnaký klinický význam, navyše ich obsah v plazme závisí od veku a zmien v rôznych situáciách (zápalové ochorenia, alergické reakcie).

Tabuľka 2. Triedy imunoglobulínov a ich charakteristiky

Imunoglobulínová (Ig) trieda	Obsah plazmy (séra), %	Hlavný funkčný účel
G	OK. 75	Antitoxíny, protilátky namierené proti vírusom a grampozitívnym mikróbom;
A	OK. 13	Anti-insulárne protilátky pri diabetes mellitus, protilátky namierené proti kapsulárnym mikroorganizmom;
M	OK. 12	Smer - vírusy, gramnegatívne baktérie, protilátky Forsman a Wasserman.
E	0,0…	Reagins, špecifické protilátky proti rôznym (určitým) alergénom.
D	V embryu, u detí a dospelých, je možné zistiť stopy	Neberú sa do úvahy, pretože nemajú klinický význam.

Koncentrácia imunoglobulínov rôznych skupín má výrazné výkyvy u detí mladších a stredných vekových kategórií (hlavne kvôli imunoglobulínom triedy G, kde sú zaznamenané pomerne vysoké hodnoty - až 16 g / l). Avšak asi po 10. roku života, keď sa robí očkovanie a prenášajú sa hlavné detské infekcie, obsah Ig (vrátane IgG) klesá a je nastavený na úroveň dospelých:

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

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

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

fibrinogén

Prvý koagulačný faktor (FI - fibrinogén), ktorý pri tvorbe zrazeniny prechádza do fibrínu, ktorý tvorí konvolúciu (od séra ho odlišuje prítomnosť fibrinogénu v plazme), v skutočnosti označuje globulíny.

Fibrinogén sa ľahko vyzráža 5 % etanolom, ktorý sa používa pri frakcionácii proteínov, ako aj polonasýteným roztokom chloridu sodného, ​​spracovaním plazmy éterom a opätovným zmrazením. Fibrinogén je termolabilný a pri teplote 56 stupňov sa úplne zloží.

Bez fibrinogénu sa fibrín netvorí a krvácanie sa bez neho nezastaví. Prechod tohto proteínu a tvorba fibrínu sa uskutočňuje za účasti trombínu (fibrinogén → medziprodukt - fibrinogén B → agregácia krvných doštičiek → fibrín). Počiatočné štádiá polymerizácie koagulačného faktora je možné zvrátiť, avšak vplyvom enzýmu stabilizujúceho fibrín (fibrinázy) dochádza k stabilizácii a je vylúčený priebeh reverznej reakcie.

Účasť na reakcii zrážania krvi je hlavným funkčným účelom fibrinogénu, ale má aj ďalšie užitočné vlastnosti, napríklad pri plnení svojich povinností posilňuje cievnu stenu, robí malú „opravu“ prilepením na endotel. a tým uzatváranie malých defektov, ktoré potom veci vznikajú v priebehu života človeka.

Plazmatické proteíny ako laboratórne parametre

V laboratórnych podmienkach môžete na stanovenie koncentrácie plazmatických bielkovín pracovať s plazmou (krv sa odoberie do skúmavky s antikoagulantom) alebo vykonať štúdiu séra odobratého do suchej misky. Sérové ​​bielkoviny sa nelíšia od plazmatických bielkovín, s výnimkou fibrinogénu, ktorý, ako viete, v krvnom sére chýba a ktorý bez antikoagulantu tvorí zrazeninu. Základné bielkoviny menia svoje digitálne hodnoty v krvi pri rôznych patologických procesoch.

Zvýšenie koncentrácie albumínu v sére (plazme) je najvzácnejší jav, ktorý sa vyskytuje pri dehydratácii alebo pri nadmernom príjme (intravenózne podanie) vysokých koncentrácií albumínu. Znížené hladiny albumínu môžu naznačovať vyčerpanie funkcie pečene, problémy s obličkami alebo poruchy v gastrointestinálnom trakte.

Zvýšenie alebo zníženie proteínových frakcií je charakteristické pre množstvo patologických procesov, napríklad bielkoviny akútnej fázy alfa-1- a alfa-2-globulíny, zvyšujúce ich hodnoty, môžu naznačovať akútny zápalový proces lokalizovaný v dýchacích orgánoch (priedušky, pľúca), postihujúci vylučovací systém (obličky) alebo srdcový sval (infarkt myokardu).

Osobitné miesto v diagnostike rôznych stavov má frakcia gamaglobulínov (imunoglobulínov). Stanovenie protilátok pomáha nielen rozpoznať infekčné ochorenie, ale aj rozlíšiť jeho štádium. Podrobnejšie informácie o zmene hodnôt rôznych proteínov (proteinogram) čitateľ nájde v samostatnom článku.

Odchýlky od normy fibrinogénu sa prejavujú ako poruchy hemokoagulačného systému, preto je tento proteín najdôležitejším laboratórnym indikátorom koagulačných schopností krvi (koagulogram, hemostasiogram).

Čo sa týka iných proteínov, ktoré sú dôležité pre ľudské telo, pri vyšetrovaní séra pomocou určitých techník môžete nájsť takmer všetky, ktoré sú zaujímavé pre diagnostiku chorôb. Napríklad tým, že lekár vypočíta koncentráciu (beta-globulín, proteín akútnej fázy) vo vzorke a nepovažuje ju len za „vehikulum“ (aj keď je to pravdepodobne na prvom mieste), lekár bude poznať stupeň väzby proteínu železité železo uvoľňované červenými krvinkami, pretože Fe 3+, ako viete, vo voľnom stave v tele má výrazný toxický účinok.

Štúdium séra na stanovenie obsahu (proteín akútnej fázy, kovový glykoproteín, nosič medi) pomáha diagnostikovať takú závažnú patológiu, ako je Konovalov-Wilsonova choroba (hepatocerebrálna degenerácia).

Vyšetrením plazmy (séra) je teda možné v nej určiť obsah tak životne dôležitých bielkovín, ako aj tých, ktoré sa v krvnom teste prejavujú ako indikátor patologického procesu (napríklad).

Krvná plazma je liek

Príprava plazmy ako terapeutického činidla sa začala v 30. rokoch minulého storočia. Natívna plazma získaná spontánnou sedimentáciou vytvorených prvkov v priebehu 2 dní sa už dlho nepoužíva. Zastarané boli nahradené novými metódami separácie krvi (centrifugácia, plazmaferéza). Krv po príprave sa podrobí centrifugácii a rozdelí sa na zložky (plazma + tvarované prvky). Tekutá časť krvi získaná týmto spôsobom sa zvyčajne zmrazí (čerstvá zmrazená plazma) a aby sa zabránilo infekcii hepatitídou, najmä hepatitídou C, ktorá má dosť dlhú inkubačnú dobu, je odoslaná do karanténneho skladu. Zmrazenie tohto biologického média pri ultranízkych teplotách umožňuje jeho skladovanie rok a viac, aby sa neskôr mohlo použiť na prípravu prípravkov (kryoprecipitát, albumín, gamaglobulín, fibrinogén, trombín atď.).

V súčasnosti sa tekutá časť krvi na transfúzie čoraz častejšie pripravuje plazmaferézou, ktorá je pre zdravie darcov najbezpečnejšia. Vzniknuté prvky po centrifugácii sa vracajú intravenóznym podaním a bielkoviny stratené plazmou v tele človeka, ktorý daroval krv, sa rýchlo regenerujú, dostanú sa do fyziologickej normy, pričom neporušujú funkcie samotného tela.

Okrem čerstvej zmrazenej plazmy transfúzovanej pri mnohých patologických stavoch sa ako terapeutické činidlo používa imunitná plazma získaná po imunizácii darcu špecifickou vakcínou, napríklad stafylokokovým toxoidom. Takáto plazma, ktorá má vysoký titer antistafylokokových protilátok, sa používa aj na prípravu antistafylokokového gamaglobulínu (ľudský antistafylokokový imunoglobulín) - liek je pomerne drahý, pretože jeho výroba (frakcionácia proteínov) si vyžaduje značnú prácu a materiál náklady. A surovinou na to je krvná plazma imunizované darcov.

Plazma proti popáleniu je tiež istým druhom imunitného prostredia. Dlho sa uvádza, že krv ľudí, ktorí zažili takúto hrôzu, má spočiatku toxické vlastnosti, no po mesiaci sa v nej začnú objavovať spaľovacie antitoxíny (beta a gama globulíny), ktoré môžu pomôcť „kamarátom v nešťastí“ v akútne obdobie popálenín.

Samozrejme, získanie takéhoto terapeutického činidla je sprevádzané určitými ťažkosťami, napriek tomu, že počas obdobia zotavenia sa stratená tekutá časť krvi dopĺňa darcovskou plazmou, pretože telo popálených ľudí trpí vyčerpaním bielkovín. Avšak darcu musí byť dospelý a inak zdravý a jeho plazma musí mať určitý titer protilátok (aspoň 1:16). Imunitná aktivita rekonvalescentnej plazmy pretrváva asi dva roky a mesiac po uzdravení ju možno odoberať od rekonvalescentných darcov bez náhrady.

Z plazmy darcovskej krvi pre ľudí trpiacich hemofíliou alebo inou zrážanlivosťou, ktorá je sprevádzaná poklesom antihemofilného faktora (FVIII), von Willebrandovho faktora (VWF) a fibrinázy (faktor XIII, FXIII), sa získava hemostatické činidlo nazývané kryoprecipitát. pripravený. Jeho aktívnou zložkou je zrážací faktor VIII.

Video: o odbere a použití krvnej plazmy

Frakcionácia plazmatických bielkovín v priemyselnom meradle

Medzitým použitie celej plazmy v moderných podmienkach nie je v žiadnom prípade vždy opodstatnené. Navyše z terapeutického aj ekonomického hľadiska. Každý z plazmatických proteínov má svoje vlastné, pre neho jedinečné, fyzikálno-chemické a biologické vlastnosti. A bezmyšlienkovite nalievať taký hodnotný produkt človeku, ktorý potrebuje špecifickú plazmatickú bielkovinu, a nie celú plazmu, nemá zmysel, okrem toho je to materiálne drahé. To znamená, že rovnaká dávka tekutej časti krvi, rozdelená na zložky, môže byť prínosom pre viacerých pacientov a nie pre jedného pacienta, ktorý potrebuje samostatný liek.

Priemyselnú výrobu liekov uznali vo svete po vývoji v tomto smere vedci z Harvardskej univerzity (1943). Frakcionácia plazmatických proteínov bola založená na Kohnovej metóde, ktorej podstatou je zrážanie proteínových frakcií postupným pridávaním etylalkoholu (koncentrácia v prvom stupni - 8%, v konečnom štádiu - 40%) pri nízkych teplotách (- 3ºС - fáza I, -5ºС - posledná) . Metóda bola samozrejme niekoľkokrát upravovaná, no v súčasnosti (v rôznych modifikáciách) sa využíva na získavanie krvných produktov na celej planéte. Tu je jeho krátky prehľad:

• V prvom kroku sa vyzráža bielkovina fibrinogén(zrazenina I) - tento produkt po špeciálnom spracovaní prejde do lekárskej siete pod vlastným názvom alebo bude zahrnutý do súpravy na zastavenie krvácania s názvom "Fibrinostat");
• Druhým stupňom procesu je supernatant II + III ( protrombín, beta a gama globulíny) – tento zlomok pôjde na výrobu lieku tzv normálny ľudský gamaglobulín, alebo bude uvoľnená ako opravný prostriedok tzv antistafylokokový gama globulín. V každom prípade je možné zo supernatantu získaného v druhom stupni pripraviť prípravok obsahujúci veľké množstvo antimikrobiálnych a antivírusových protilátok;
• Tretia, štvrtá etapa procesu je potrebná, aby sme sa dostali k sedimentu V ( bielka+ prímes globulínov);
• 97 – 100% bielka vychádza až v záverečnej fáze, po ktorej bude práca s albumínom trvať dlho, kým sa dostane do zdravotníckych zariadení (5, 10, 20 % albumínu).

Ale to je len krátky náčrt, takáto výroba v skutočnosti zaberie veľa času a vyžaduje si účasť početného personálu rôzneho stupňa kvalifikácie. Vo všetkých fázach procesu je budúci najcennejší liek pod neustálou kontrolou rôznych laboratórií (klinických, bakteriologických, analytických), pretože všetky parametre krvného produktu na výstupe musia prísne zodpovedať všetkým charakteristikám transfúznych médií.

Plazma teda okrem toho, že je súčasťou krvi, zabezpečuje normálne fungovanie organizmu, môže byť aj dôležitým diagnostickým kritériom, ktoré ukazuje zdravotný stav, alebo môže svojimi jedinečnými vlastnosťami zachraňovať životy iných ľudí. A nie je to všetko o krvnej plazme. Nezačali sme uvádzať úplný popis všetkých jeho proteínov, makro- a mikroprvkov, aby sme dôkladne opísali jeho funkcie, pretože všetky odpovede na zostávajúce otázky nájdete na stránkach VesselInfo.

Ľudskú krv predstavujú 2 zložky: tekutá báza alebo plazma a bunkové elementy. Čo je plazma a aké je jej zloženie? Aká je funkcia plazmy? Zoberme si všetko po poriadku.

Všetko o plazme

Plazma je kvapalina tvorená vodou a pevnými látkami. Tvorí väčšinu krvi - asi 60%. Krv má vďaka plazme tekuté skupenstvo. Hoci z hľadiska fyzikálnych ukazovateľov (z hľadiska hustoty) je plazma ťažšia ako voda.

Makroskopicky je plazma priehľadná (niekedy zakalená) homogénna kvapalina svetložltej farby. Zhromažďuje sa v hornej časti ciev, keď sa formované prvky usadzujú. Histologická analýza ukazuje, že plazma je medzibunková látka tekutej časti krvi.

Zakalená plazma sa stáva po tom, čo človek konzumuje mastné jedlá.

Z čoho je vyrobená plazma?

Zloženie plazmy je uvedené:

• voda;
• Soli a organické látky.

• Proteíny;
• Aminokyseliny;
• glukóza;
• hormóny;
• enzýmové látky;
• Minerály (ióny Na, Cl).

Aké percento objemu plazmy tvoria bielkoviny?

Ide o najpočetnejšiu zložku plazmy, zaberá 8 % celkovej plazmy. Plazma obsahuje bielkoviny rôznych frakcií.

Hlavné sú:

• albumíny (5 %);
• globulíny (3 %);
• Fibrinogén (patrí medzi globulíny, 0,4 %).

Zloženie a úlohy neproteínových zlúčenín v plazme

Plazma obsahuje:

• Organické zlúčeniny na báze dusíka. Zástupcovia: kyselina močová, bilirubín, kreatín. Zvýšenie množstva dusíka signalizuje rozvoj azotómie. K tomuto stavu dochádza v dôsledku problémov s vylučovaním metabolických produktov močom alebo v dôsledku aktívnej deštrukcie proteínu a prílevu veľkého množstva dusíkatých látok do tela. Posledný prípad je typický pre cukrovku, hladovanie, popáleniny.
• Organické zlúčeniny, ktoré neobsahujú dusík. To zahŕňa cholesterol, glukózu, kyselinu mliečnu. Sú sprevádzané aj lipidmi. Všetky tieto komponenty musia byť monitorované, pretože sú nevyhnutné na udržanie plnej životnosti.
• Anorganické látky (Ca, Mg). Ióny Na a Cl sú zodpovedné za udržiavanie konštantného pH v krvi. Monitorujú aj osmotický tlak. Ca ióny sa zúčastňujú svalovej kontrakcie a stimulujú citlivosť nervových buniek.

Zloženie krvnej plazmy

Albumín

Hlavnou zložkou je albumín v plazme (viac ako 50 %). Má nízku molekulovú hmotnosť. Miestom tvorby tohto proteínu je pečeň.

Účel albumínu:

• Nesie mastné kyseliny, bilirubín, lieky, hormóny.
• Podieľa sa na metabolizme a tvorbe bielkovín.
• Rezervy aminokyselín.
• Vytvára onkotický tlak.

Podľa množstva albumínu lekári posudzujú stav pečene. Ak je obsah albumínu v plazme znížený, potom to naznačuje vývoj patológie. Nízke hladiny tohto plazmatického proteínu u detí zvyšujú riziko vzniku žltačky.

Globulíny

Globulíny sú reprezentované veľkými molekulovými zlúčeninami. Produkuje ich pečeň, slezina, týmus.

Existuje niekoľko typov globulínov:

• α - globulíny. Interagujú s tyroxínom a bilirubínom a viažu ich. Katalyzujte tvorbu bielkovín. Zodpovedá za transport hormónov, vitamínov, lipidov.
• β - globulíny. Tieto bielkoviny viažu vitamíny, Fe, cholesterol. Noste Fe, Zn katióny, steroidné hormóny, steroly, fosfolipidy.
• γ - globulíny. Protilátky alebo imunoglobulíny viažu histamín a podieľajú sa na ochranných imunitných odpovediach. Sú produkované pečeňou, lymfatickým tkanivom, kostnou dreňou a slezinou.

Existuje 5 tried γ - globulínov:

• IgG(asi 80 % všetkých protilátok). Vyznačuje sa vysokou aviditou (pomer protilátky k antigénu). Môže prejsť cez placentárnu bariéru.
• IgM- prvý imunoglobulín, ktorý sa tvorí u nenarodeného dieťaťa. Proteín je veľmi vášnivý. Je to prvé zistené v krvi po očkovaní.
• IgA.
• IgD.
• IgE.

Fibrinogén je rozpustný plazmatický proteín. Je syntetizovaný pečeňou. Pod vplyvom trombínu sa proteín premieňa na fibrín, nerozpustnú formu fibrinogénu. Vďaka fibrínu v miestach, kde bola porušená celistvosť ciev, vzniká krvná zrazenina.

Ďalšie bielkoviny a funkcie

Menšie frakcie plazmatických bielkovín po globulínoch a albumínoch:

• protrombín;
• transferín;
• imunitné proteíny;
• C-reaktívny proteín;
• globulín viažuci tyroxín;
• Haptoglobín.

Úlohy týchto a iných plazmatických proteínov sú redukované na:

• Udržiavanie homeostázy a celkového stavu krvi;
• kontrola imunitných reakcií;
• transport živín;
• Aktivácia procesu zrážania krvi.

Funkcie a úlohy plazmy

Prečo ľudské telo potrebuje plazmu?

Jeho funkcie sú rôzne, ale v zásade sa delia na 3 hlavné:

• Transport krviniek, živín.
• Komunikácia medzi všetkými telesnými tekutinami, ktoré sa nachádzajú mimo obehového systému. Táto funkcia je možná vďaka schopnosti plazmy prenikať cez cievne steny.
• Zabezpečenie hemostázy. Znamená to kontrolu nad tekutinou, ktorá sa počas krvácania zastaví a odstráni vytvorenú krvnú zrazeninu.

Využitie plazmy pri darcovstve

Dnes sa plná krv netransfúzuje: na terapeutické účely sa plazma a tvarované zložky izolujú oddelene. V miestach darovania krvi sa krv najčastejšie daruje za plazmu.

Systém krvnej plazmy

Ako získať plazmu?

Plazma sa získava z krvi centrifugáciou. Metóda umožňuje oddeliť plazmu od bunkových prvkov pomocou špeciálneho prístroja bez ich poškodenia.. Krvné bunky sa vrátia darcovi.

Darovanie plazmy má oproti jednoduchému darovaniu krvi niekoľko výhod:

• Strata krvi je menšia, čo znamená, že menej škodí aj zdraviu.
• Krv na plazmu je možné opäť darovať po 2 týždňoch.

Darovanie plazmy má obmedzenia. Darca teda môže darovať plazmu maximálne 12-krát do roka.

Darovanie plazmy netrvá dlhšie ako 40 minút.

Plazma je zdrojom takého dôležitého materiálu, akým je krvné sérum. Sérum je rovnaká plazma, ale bez fibrinogénu, ale s rovnakým súborom protilátok. Sú to tí, ktorí bojujú s patogénmi rôznych chorôb. Imunoglobulíny prispievajú k rýchlemu rozvoju pasívnej imunity.

Na získanie krvného séra sa sterilná krv umiestni na 1 hodinu do termostatu. Potom sa výsledná krvná zrazenina odlúpne zo stien skúmavky a stanoví sa v chladničke počas 24 hodín. Výsledná kvapalina sa pridá do sterilnej nádoby pomocou Pasteurovej pipety.

Krvné patológie ovplyvňujúce povahu plazmy

V medicíne existuje niekoľko chorôb, ktoré môžu ovplyvniť zloženie plazmy. Všetky predstavujú hrozbu pre ľudské zdravie a život.

Hlavné sú:

• Hemofília. Ide o dedičnú patológiu, keď je nedostatok proteínu, ktorý je zodpovedný za zrážanie.
• Otrava krvi alebo sepsa. Fenomén, ktorý sa vyskytuje v dôsledku infekcie priamo v krvnom obehu.
• DIC syndróm. Patologický stav spôsobený šokom, sepsou, ťažkými zraneniami. Vyznačuje sa poruchami zrážanlivosti krvi, ktoré vedú súčasne ku krvácaniu a tvorbe krvných zrazenín v malých cievach.
• Hlboká venózna trombóza. Pri tejto chorobe sa pozoruje tvorba krvných zrazenín v hlbokých žilách (hlavne na dolných končatinách).
• Hyperkoagulabilita. Pacientom je diagnostikovaná nadmerne vysoká zrážanlivosť krvi. Viskozita posledne menovaného sa zvyšuje.

Plazmatický test alebo Wassermanova reakcia je štúdia, ktorá zisťuje prítomnosť protilátok v plazme proti bledému treponému. Na základe tejto reakcie sa vypočíta syfilis, ako aj účinnosť jeho liečby.

Plazma je kvapalina s komplexným zložením, ktorá hrá dôležitú úlohu v živote človeka. Je zodpovedný za imunitu, zrážanlivosť krvi, homeostázu.

Video – Sprievodca zdravím (krvná plazma)

Čo je štvrtý stav hmoty, ako sa líši od ostatných troch a ako ho prinútiť slúžiť človeku.

Predpoklad existencie prvého zo stavov hmoty, ktoré presahujú klasickú triádu, vznikol začiatkom 19. storočia a v 20. rokoch 20. storočia dostal svoj názov – plazma

Pred stopäťdesiatimi rokmi takmer všetci chemici a mnohí fyzici verili, že hmota pozostáva len z atómov a molekúl, ktoré sú spojené do viac-menej usporiadaných alebo úplne neusporiadaných kombinácií. Málokto pochyboval o tom, že všetky alebo takmer všetky látky sú schopné existovať v troch rôznych fázach – pevnej, kvapalnej a plynnej, ktoré prijímajú v závislosti od vonkajších podmienok. Ale hypotézy o možnosti iných stavov hmoty už boli vyslovené.

Tento univerzálny model bol potvrdený vedeckými pozorovaniami a tisícročiami skúseností v každodennom živote. Každý predsa vie, že keď sa voda ochladí, zmení sa na ľad a pri zahriatí vrie a vyparuje sa. Olovo a železo sa dajú premeniť aj na kvapalinu alebo plyn, len ich treba silnejšie zahriať. Od konca 18. storočia výskumníci zmrazovali plyny v kvapalinách a zdalo sa pravdepodobné, že akýkoľvek skvapalnený plyn by v zásade mohol stuhnúť. Vo všeobecnosti sa zdalo, že jednoduchý a zrozumiteľný obraz troch stavov hmoty nevyžaduje žiadne opravy alebo doplnenia.

70 km od Marseille, v Saint-Paul-le-Durance, vedľa francúzskeho výskumného centra atómovej energie Cadarache, vyrastie výskumný fúzny reaktor ITER (z latinského iter - cesta). Hlavnou oficiálnou úlohou tohto reaktora je „demonštrovať vedeckú a technologickú možnosť získavania energie jadrovej syntézy na mierové účely“. V dlhodobom horizonte (30–35 rokov) možno na základe údajov získaných počas experimentov na reaktore ITER vytvárať prototypy bezpečných, ekologických a ekonomicky rentabilných elektrární.

Vtedajší vedci by boli dosť prekvapení, keby sa dozvedeli, že pevné, kvapalné a plynné skupenstvo atómovo-molekulárnej látky sa zachováva iba pri relatívne nízkych teplotách, nepresahujúcich 10 000 °, a dokonca ani v tejto zóne nevyčerpajú všetky možné štruktúry. (príkladom sú tekuté kryštály). Nebolo by ľahké uveriť, že tvoria nie viac ako 0,01 % celkovej hmotnosti súčasného vesmíru. Dnes už vieme, že hmota sa prejavuje v mnohých exotických podobách. Niektoré z nich (napríklad degenerovaný elektrónový plyn a neutrónová hmota) existujú iba vo vnútri superhustých kozmických telies (bieli trpaslíci a neutrónové hviezdy) a niektoré (napríklad kvark-gluónová kvapalina) sa zrodili a zmizli v krátkom okamihu krátko po Veľkom Bang. Je však zaujímavé, že predpoklad o existencii prvého zo štátov, ktoré prekračujú rámec klasickej triády, bol vyslovený už v devätnástom storočí a na jeho samom začiatku. Predmetom vedeckého výskumu sa stal oveľa neskôr, v 20. rokoch 20. storočia. Potom dostal svoje meno - plazma.

Od Faradaya po Langmuir

V druhej polovici 70. rokov 19. storočia sa William Crookes, člen Kráľovskej spoločnosti v Londýne, veľmi úspešný meteorológ a chemik (objavil tálium a mimoriadne presne určil jeho atómovú hmotnosť), začal zaujímať o výboje plynu vo vákuu. rúrky. V tom čase už bolo známe, že negatívna elektróda vyžaruje emanáciu neznámej povahy, ktorú nemecký fyzik Eugen Goldstein v roku 1876 nazval katódové lúče. Po mnohých experimentoch Crookes usúdil, že tieto lúče nie sú nič iné ako častice plynu, ktoré po zrážke s katódou nadobudli negatívny náboj a začali sa pohybovať smerom k anóde. Tieto nabité častice nazval „žiariaca hmota“, žiarivá hmota.

Tokamak je toroidné zariadenie na obmedzenie plazmy pomocou magnetického poľa. Plazma zohriata na veľmi vysoké teploty sa nedotýka stien komory, ale je držaná magnetickými poľami – toroidnými, vytvorenými cievkami a poloidálnymi, ktoré vznikajú pri pretekaní prúdu v plazme. Samotná plazma zohráva úlohu sekundárneho vinutia transformátora (primárne - cievky na vytvorenie toroidného poľa), ktoré zabezpečuje predhrievanie pri prúdení elektrického prúdu.

Treba priznať, že Crookes nebol originálny v tomto vysvetlení podstaty katódových lúčov. Už v roku 1871 vyslovil podobnú hypotézu významný britský elektroinžinier Cromwell Fleetwood Varley, jeden z lídrov v kladení prvého transatlantického telegrafného kábla. Výsledky experimentov s katódovými lúčmi však Crookesa priviedli k veľmi hlbokej myšlienke: médium, v ktorom sa šíria, už nie je plyn, ale niečo úplne iné. 22. augusta 1879 na zasadnutí Britskej asociácie na podporu vedy Crookes uviedol, že výboje v riedkych plynoch „sú také odlišné od všetkého, čo sa deje vo vzduchu alebo v akomkoľvek plyne pri bežnom tlaku, že v tomto prípade ide o látka v štvrtom skupenstve, ktorá sa vlastnosťami líši od bežného plynu v rovnakej miere ako plyn od kvapaliny.

Často sa píše, že to bol Crookes, kto prvý myslel na štvrtý stav hmoty. V skutočnosti táto myšlienka napadla Michaela Faradaya oveľa skôr. V roku 1819, 60 rokov pred Crookesom, Faraday navrhol, že hmota môže existovať v pevnom, kvapalnom, plynnom a žiarivom stave hmoty. Vo svojej správe Crookes priamo uviedol, že používa výrazy požičané od Faradaya, ale z nejakého dôvodu na to potomstvo zabudlo. Faradayova myšlienka však bola stále len špekulatívna hypotéza a Crookes ju podložil experimentálnymi údajmi.

Katódové lúče boli tiež intenzívne študované po Crookesovi. V roku 1895 tieto experimenty viedli Williama Roentgena k objavu nového typu elektromagnetického žiarenia a na začiatku 20. storočia sa zmenili na vynález prvých rádiových elektrónok. Crookesova hypotéza štvrtého skupenstva hmoty však nevzbudila záujem fyzikov, s najväčšou pravdepodobnosťou preto, že v roku 1897 Joseph John Thomson dokázal, že katódové lúče nie sú nabité atómy plynu, ale veľmi ľahké častice, ktoré nazval elektróny. Zdá sa, že tento objav urobil Crookesovu hypotézu zbytočnou.

Snímka obrazovky testovacej prevádzky kórejského tokamaku KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor) s „prvou plazmou“ 15. júla 2008. KSTAR, výskumný projekt na štúdium možnosti termonukleárnej fúzie na výrobu energie, využíva 30 supravodivých magnetov chladených s tekutým héliom.

Bola však znovuzrodená ako Fénix z popola. V druhej polovici 20. rokov 20. storočia sa budúci nositeľ Nobelovej ceny za chémiu Irving Langmuir, ktorý pracoval v laboratóriu spoločnosti General Electric Corporation, začal zaoberať štúdiom plynových výbojov. Vtedy už vedeli, že v priestore medzi anódou a katódou strácajú atómy plynu elektróny a menia sa na kladne nabité ióny. Langmuir, ktorý si uvedomil, že takýto plyn má mnoho špeciálnych vlastností, sa rozhodol dať mu vlastné meno. Akousi zvláštnou asociáciou si vybral slovo „plazma“, ktoré sa dovtedy používalo len v mineralógii (to je iný názov pre zelený chalcedón) a v biológii (tekutý základ krvi, aj srvátka). Vo svojej novej funkcii sa pojem „plazma“ prvýkrát objavil v Langmuirovom článku „Oscilations in Ionized Gases“, publikovanom v roku 1928. Tridsať rokov tento výraz používalo len málo ľudí, ale potom sa pevne dostal do vedeckého používania.

Fyzika plazmy

Klasická plazma je iónovo-elektrónový plyn, prípadne zriedený neutrálnymi časticami (prísne povedané, fotóny sú tam vždy prítomné, ale pri miernych teplotách ich možno ignorovať). Ak stupeň ionizácie nie je príliš nízky (spravidla stačí jedno percento), tento plyn vykazuje mnohé špecifické vlastnosti, ktoré bežné plyny nemajú. Je však možné vyrobiť plazmu, v ktorej nebudú vôbec žiadne voľné elektróny a ich povinnosti prevezmú negatívne ióny.

Pre jednoduchosť uvažujeme iba elektrón-iónovú plazmu. Jeho častice sa priťahujú alebo odpudzujú v súlade s Coulombovým zákonom a táto interakcia sa prejavuje na veľké vzdialenosti. To je presne to, čo ich odlišuje od atómov a molekúl neutrálneho plynu, ktoré sa navzájom cítia len na veľmi malé vzdialenosti. Keďže častice plazmy voľne lietajú, sú ľahko premiestňované elektrickými silami. Aby bola plazma v rovnovážnom stave, je potrebné, aby sa priestorové náboje elektrónov a iónov navzájom plne kompenzovali. Ak táto podmienka nie je splnená, vznikajú v plazme elektrické prúdy, ktoré obnovujú rovnováhu (ak sa napríklad v niektorej oblasti vytvorí nadbytok kladných iónov, okamžite sa tam rozbehnú elektróny). Preto v rovnovážnej plazme sú hustoty častíc rôznych znakov prakticky rovnaké. Táto najdôležitejšia vlastnosť sa nazýva kvázi-neutralita.

Takmer vždy sa atómy alebo molekuly bežného plynu zúčastňujú iba párových interakcií - navzájom sa zrážajú a odletujú. Ďalšia vec je plazma. Keďže jeho častice sú viazané ďalekonosnými Coulombovými silami, každá z nich je v poli blízkych a vzdialených susedov. To znamená, že interakcia medzi časticami plazmy nie je párová, ale viacnásobná – ako hovoria fyzici, kolektívna. Z toho vyplýva štandardná definícia plazmy – kvázi-neutrálneho systému veľkého počtu nabitých častíc opačných mien, demonštrujúcich kolektívne správanie.

Výkonné urýchľovače elektrónov majú charakteristickú dĺžku stoviek metrov a dokonca kilometrov. Ich rozmery sa dajú výrazne zmenšiť, ak sa elektróny urýchľujú nie vo vákuu, ale v plazme – „na hrebeni“ rýchlo sa šíriacich porúch v hustote plazmových nábojov, takzvaných brázdiacich vĺn, excitovaných pulzmi laserového žiarenia.

Plazma sa líši od neutrálneho plynu svojou reakciou na vonkajšie elektrické a magnetické polia (bežný plyn ich prakticky nevníma). Naopak, častice plazmy cítia svojvoľne slabé polia a okamžite sa dajú do pohybu, generujúc vesmírne náboje a elektrické prúdy. Ďalšou dôležitou vlastnosťou rovnovážnej plazmy je skríning náboja. Vezmite časticu plazmy, povedzme kladný ión. Priťahuje elektróny, ktoré tvoria oblak záporného náboja. Pole takéhoto iónu sa správa v súlade s Coulombovým zákonom len v jeho blízkosti a pri vzdialenostiach presahujúcich určitú kritickú hodnotu veľmi rýchlo inklinuje k nule. Tento parameter sa nazýva Debyeov polomer skríningu podľa holandského fyzika Petra Debyeho, ktorý tento mechanizmus opísal v roku 1923.

Je ľahké pochopiť, že plazma si zachováva kvázi-neutralitu iba vtedy, ak jej lineárne rozmery vo všetkých rozmeroch výrazne presahujú Debyeov polomer. Je potrebné poznamenať, že tento parameter sa zvyšuje, keď sa plazma zahrieva, a klesá, keď sa zvyšuje jej hustota. V plazme plynových výbojov sa rádovo rovná 0,1 mm, v zemskej ionosfére - 1 mm, v slnečnom jadre - 0,01 nm.

riadená fúzia

Dnes sa plazma používa vo veľkom množstve technológií. Niektoré z nich pozná každý (plynové lampy, plazmové displeje), iné sú predmetom záujmu úzkych odborníkov (výroba odolných ochranných filmových náterov, výroba mikročipov, dezinfekcia). Najväčšie nádeje sa však do plazmy vkladajú v súvislosti s prácami na realizácii riadených termonukleárnych reakcií. To je pochopiteľné. Aby sa jadrá vodíka spojili do jadier hélia, treba ich priblížiť na vzdialenosť rádovo sto miliardtiny centimetra – a tam už budú pôsobiť jadrové sily. Takýto prístup je možný len pri teplotách desiatok a stoviek miliónov stupňov – v tomto prípade stačí kinetická energia kladne nabitých jadier na prekonanie elektrostatického odpudzovania. Preto riadená termonukleárna fúzia vyžaduje vysokoteplotnú vodíkovú plazmu.

Plazma je v okolitom svete takmer všadeprítomná – možno ju nájsť nielen v plynových výbojoch, ale aj v ionosfére planét, v povrchových a hlbokých vrstvách aktívnych hviezd. Toto je prostredie na realizáciu riadených termonukleárnych reakcií a pracovná tekutina pre vesmírne elektrické hnacie motory a oveľa, oveľa viac.

Pravda, tu nepomôže plazma na báze obyčajného vodíka. K takýmto reakciám dochádza vo vnútri hviezd, ale pre pozemskú energiu sú nepoužiteľné, pretože intenzita uvoľňovania energie je príliš nízka. Najlepšia plazma na použitie je zmes ťažkých izotopov vodíka deutéria a trícia v pomere 1:1 (prijateľná je aj čistá plazma deutéria, hoci poskytuje menej energie a vyžaduje vyššie teploty vznietenia).

Samotné zahrievanie však na spustenie reakcie nestačí. Po prvé, plazma musí byť dostatočne hustá; po druhé, častice, ktoré sa dostali do reakčnej zóny, by ju nemali opustiť príliš rýchlo - inak strata energie prevýši jej uvoľnenie. Tieto požiadavky môžu byť prezentované vo forme kritéria, ktoré v roku 1955 navrhol anglický fyzik John Lawson. V súlade s týmto vzorcom musí byť súčin hustoty plazmy a priemerného času zdržania častíc vyšší ako určitá hodnota určená teplotou, zložením termonukleárneho paliva a očakávanou účinnosťou reaktora.

Je ľahké vidieť, že existujú dva spôsoby, ako splniť Lawsonovo kritérium. Čas zadržania je možné skrátiť na nanosekundy stlačením plazmy, povedzme, na 100–200 g/cm3 (pretože plazma nemá čas expandovať, tento spôsob zadržania sa nazýva zotrvačné zadržiavanie). Fyzici na tejto stratégii pracovali od polovice 60. rokov; teraz Národné laboratórium v ​​Livermore pracuje na jeho najpokročilejšej verzii. Tento rok začnú experimenty s lisovaním miniatúrnych kapsúl berýlia (priemer 1,8 mm) naplnených zmesou deutéria a trícia pomocou 192 ultrafialových laserových lúčov. Projektoví manažéri veria, že najneskôr v roku 2012 sa im podarí nielen zapáliť termonukleárnu reakciu, ale aj získať pozitívny energetický výdaj. Možno sa podobný program v rámci projektu HiPER (High Power Laser Energy Research) v najbližších rokoch spustí aj v Európe. Avšak aj keď experimenty v Livermore plne odôvodňujú očakávania, ktoré sú do nich vložené, vzdialenosť k vytvoreniu skutočného termonukleárneho reaktora s inerciálnym obmedzením plazmy zostane stále veľmi veľká. Faktom je, že na vytvorenie prototypu elektrárne je potrebný veľmi vysokorýchlostný systém supervýkonných laserov. Mal by poskytnúť takú frekvenciu zábleskov, ktoré zapália deutérium-tríciové terče, ktoré tisíckrát presiahnu možnosti systému Livermore, pričom nie viac ako 5-10 výstrelov za sekundu. V súčasnosti sa aktívne diskutuje o rôznych možnostiach vytvorenia takýchto laserových zbraní, ale ich praktická implementácia je stále veľmi vzdialená.

Tokamaky: stará garda

Prípadne môžete pracovať so riedkou plazmou (hustota v nanogramoch na kubický centimeter), pričom ju podržíte v reakčnej zóne aspoň niekoľko sekúnd. Už viac ako pol storočia sa pri takýchto experimentoch využívajú rôzne magnetické pasce, ktoré pôsobením viacerých magnetických polí udržujú plazmu v danom objeme. Za najsľubnejšie sa považujú tokamaky - uzavreté magnetické pasce v tvare torusu, ktoré prvýkrát navrhli A.D. Sacharov a I.E. Tamm v roku 1950. V súčasnosti existuje asi tucet takýchto zariadení v rôznych krajinách, z ktorých najväčšie umožnili priblížiť sa k splneniu Lawsonovho kritéria. Tokamakom je aj medzinárodný experimentálny termonukleárny reaktor, známy ITER, ktorý vyrastie v obci Cadarache pri francúzskom meste Aix-en-Provence. Ak všetko pôjde podľa plánu, ITER po prvýkrát umožní získať plazmu, ktorá spĺňa Lawsonovo kritérium, a zapáliť v nej termonukleárnu reakciu.

„Za posledné dve desaťročia sme urobili obrovský pokrok v pochopení procesov, ktoré sa vyskytujú vo vnútri magnetických plazmových pascí, najmä tokamakov. Vo všeobecnosti už vieme, ako sa častice plazmy pohybujú, ako vznikajú nestabilné stavy prúdenia plazmy a do akej miery zvyšovať tlak plazmy, aby ju ešte udržalo magnetické pole. Vznikli aj nové vysoko presné metódy plazmovej diagnostiky, teda merania rôznych parametrov plazmy,“ povedal Ian Hutchinson, profesor jadrovej fyziky a jadrovej technológie na Massachusetts Institute of Technology, ktorý sa tokamakom venuje už vyše 30 rokov. povedal PM. „K dnešnému dňu najväčšie tokamaky dosiahli silu uvoľňovania tepelnej energie v plazme deutérium-trícium rádovo 10 megawattov počas jednej alebo dvoch sekúnd. ITER tieto čísla prekoná o niekoľko rádov. Ak sa nepomýlime, bude schopný dodávať aspoň 500 megawattov počas niekoľkých minút. Ak budete mať naozaj šťastie, energia sa bude generovať úplne bez časového obmedzenia, v stabilnom režime.“

Profesor Hutchinson tiež zdôraznil, že vedci teraz dobre rozumejú povahe procesov, ktoré musia nastať vo vnútri tohto obrovského tokamaku: „Dokonca poznáme podmienky, za ktorých plazma potláča svoje vlastné turbulencie, a to je veľmi dôležité pre riadenie prevádzky. reaktor. Samozrejme, je potrebné vyriešiť mnohé technické problémy - najmä dokončiť vývoj materiálov pre vnútorné obloženie komory, schopné odolať intenzívnemu bombardovaniu neutrónmi. Ale z pohľadu fyziky plazmy je obraz celkom jasný – aspoň si to myslíme. ITER musí potvrdiť, že sa nemýlime. Ak všetko pôjde takto ďalej, príde na rad tokamak ďalšej generácie, ktorý sa stane prototypom priemyselných termonukleárnych reaktorov. Teraz je však priskoro o tom hovoriť. Medzitým očakávame, že ITER bude funkčný do konca tohto desaťročia. S najväčšou pravdepodobnosťou bude môcť generovať horúcu plazmu najskôr v roku 2018, aspoň podľa našich očakávaní.“ Takže z hľadiska vedy a techniky má projekt ITER dobré vyhliadky.