15
Плазма и… немного биологии
А.МИНЕЕВ
КАЗАЛОСЬ БЫ, ЧТО ОБЩЕГО МЕЖДУ ФИЗИ- кой плазмы (а именно с ней связала профессиональная деятельность автора статьи – прим. ред.) и биологией? Однако, если присмотреться повнимательнее, поражает множество сходных в обеих науках идей и возникающих аналогий.
Плазма
Слово «плазма» часто встречается в нашей жизни. Плазменные панели телевизоров и осветительные приборы – в быту, разряды молнии и полярные сияния – в природе. Излучение Солнца, обеспечивающее нам жизнь, также обязано реакциям, происходящим в плазме. Если взглянуть немного шире, за пределы Земли, то в состоянии плазмы находится более 90% вещества во Вселенной. Там это естественное состояние. Любое вещество переходит в состояние плазмы, если его нагреть до ионизованного состояния, когда атомы распадаются на составляющие – электроны и ионы. Температура, при которой это происходит, может составлять тысячи градусов – тогда речь идет о низкотемпературной плазме или многие миллионы градусов – в случае высокотемпературной плазмы. Так, характерная температура в центре звезд (типа Солнца) – десятки миллионов градусов, при этом происходит интенсивное протекание реакций синтеза легких ядер. А вот несколько терминов из биологии, близких плазме по написанию: g плазма крови (желтоватая полупрозрачная составляющая крови, без эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов), g протоплазма (жидкое содержимое живой клетки), g плазматическая мембрана (клеточная мембрана, окружающая протоплазму), g плазмодии (это, простите, паразиты, обитающие в эритроцитах млекопитающих). Как можно видеть, смысл биологических «плазменных» словообразований совсем другой. К тому же и диапазоны температур существования биологических объектов и плазмы совершенно различны. Однако рассмотрим поподробнее ряд более общих аналогий между биологией и физикой плазмы.
Похожие зависимости
При нагревании твердого тела оно претерпевает ряд фазовых переходов: твердое тело ® жидкость ® газ ® плазма, что качественно изображено на рисунке 1.
Рис.1. Характерная зависимость температуры вещества от подводимой энергии (количества теплоты)
Из рисунка следует, что в ходе фазового перехода температура тела остается постоянной (вся подводимая энергия тратится на перевод вещества в новое фазовое состояние), а между фазовыми переходами сохраняется монотонная зависимость температуры от подводимой энергии. Приведем пример подобной зависимости из физики плазмы. Как известно, материальными стенками (из обычного вещества) длительно удерживать плазму невозможно. За пределами Земли (в звездах) плазма удерживается силами гравитации, а на Земле уменьшить уход энергии горячей плазмы на стенки можно только при использовании магнитного поля. Наибольшие успехи в нагреве и удержании горячей плазмы достигнуты на тороидальных магнитных установках типа ТОКАМАК, идея которых была предложена в начале 1950-х годов И.Е.Таммом и А.Д.Сахаровым. (Более подробно об особенностях таких систем можно прочитать в книге Г.С.Воронова «Штурм термоядерной крепости» – М.: Наука, серия «Библиотечка «Квант», выпуск 37.) В нашей стране были построены и первые токамаки, после впечатляющих результатов на которых установки такого типа стали строить во всем мире. А недавно, в 2006 году, принято решение о сооружении первого международного экспериментального реактора типа токамака – ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) с участием России, Европы, США, Китая, Индии и Южной Кореи. Казалось бы, с момента появления идеи токамаков прошло уже около 60 лет, а исследования по удержанию и нагреву горячей плазмы продвигаются очень медленно. Однако это впечатление обманчиво. На рисунке 2 приведена эволюция так называемого интегрального параметра токамаков (здесь n и Т – концентрация и температура плазмы, в единицах