TRIBUNA NOASTRA
NR. 57, aprilie - iunie 2007

MATERIA INSTABILA

Stabilitatea si instabilitatea materiei

Materia este in general stabila. In lipsa unui factor extern, un obiect oarecare isi pastreaza caracteristicile lui proprii - forma, greutatea, culoarea, etc. - un timp indeterminat, cel putin in principiu. Ce se poate spune despre moleculele si atomii care il compun?

Dupa legile fizicii clasice, atomii - si deci moleculele - isi pastreaza identitatea lor la infinit. Fizica moderna arata contrariul. In imensa majoritate de cazuri, responsabilul este nucleul atomic care nu este intotdeauna stabil. Exemplul cel mai cunoscut este radioactivitatea, cand de pilda un nucleu de radium emite o particula alfa schimbandu-si astfel identitatea. Un alt exemplu este fiziunea nucleara, cand nucleul unui element greu ca uraniumul se sparge in doua fragmente de marime aproape egala. Al treilea exemplu este fuziunea  nucleara care are loc in Soare. Aceste fenomene, interesante in sine pentru cei care studiaza structura nucleelor atomice, prezinta cateva caracteristici ce pot interesa si publicul in general.

Radioactivitatea

Radioactivitatea este un fenomen natural, observat prima data de Becquerel, in 1896. Acesta a constatat ca sarurile de uranium aveau capacitatea de a impresiona placile fotografice intr-un intuneric total, ceea ce exclude oricare posibilitate de fluorescenta produsa de lumina.

Dupa numeroase experiente facute dupa aceea de savanti - printre care celebra Marie Curie care a consacrat termenul de radioactivitate – s-a ajuns la concluziile urmatoare, valabile inca si  azi:

• radioactivitatea provine din nucleul atomic;

• in general, nucleii elementelor grele sunt cei care emit radiatiile observate;

• activitatea unei substante radioactive (adica numarul de particule emise pe secunda) descreste in mod exponential in timp, cu o viteza care este o caracteristica a acestei substante; mai precis, se intrebuinteza expresia “perioada” pentru a caracteriza durata de timp dupa care nu mai ramane decat jumatate din cantitatea initiala;

• exista trei feluri de radiatii, de natura diferita: particulele alfa ce sunt nuclei de helium (deci cu sarcini pozitive) ; particulele beta ce sunt electroni (sarjati deci cu electricitate negativa); si raze gama ce sunt fotoni de mare energie (neutri);

• particulele radioactive au o putere de patrundere foarte diferita intre ele. Pentru aceeasi energie, o particula alfa este oprita in 10 cm de aer sau de o simpla foaie de hartie, o particula beta poate traversa mai multi milimetri de aluminium, pe cand o particula gama poate traversa mai multi metri de acelasi metal.

• deseori, nucleul rezidual este la randul sau radioactiv ceea ce poate produce o cascada sau o familie de elemente radioactive.

a) razele alfa

Nucleul atomic este compus din protoni si neutroni, in continua agitare. Din cand in cand, cu ocazia unei intalniri intre doi protoni si doi neutroni, se formeaza o particula alfa. Aceasta particula are ocazia sa loveasca suprafata interioara a nucleului de nenumarate ori in scurta sa viata. In principiu, particula nu are destul de multa energie ca sa poata invinge atractia celorlalte particule din nucleu care o «tin cu forta» in interiorul nucleului, ca un prizonier intr-o curte inconjurata de pereti inalti. Conform mecanicii clasice, particula n-are suficienta energie ca «sa sara» peste perete. Conform mecanicii cuantice insa, o particula poate sa violeze principiul conservarii energiei cu conditia ca aceasta violare sa nu dureze mai mult decat o anumita valoare, invers proportionala cu cantitatea de energie «imprumutata». Totul se petrece atunci ca si cand ar exista un «tunel» in perete prin care particula ar putea «evada».  Particula poate deci sa treaca prin tunel cu conditia ca s-o faca foarte repede…        

Mecanica cuantica nu poate prezice care nucleu individual va emite o particula pentru ca fenomenul este complet intamplator dar poate calcula cu precizie perioda elementului  radioactiv.

b) razele beta

Razele beta provin din transformarea neutronilor in protoni. Aceasta transformare se face concomitent cu o emisiune de electroni (pentru ca sarcina electrica sa ramana constanta). Un neutron liber este radioactiv (cu o perioada de cca. 13 minute). Din aceasta cauza nu exista neutroni liberi in natura. In interiorul nucleului, prezenta protonilor franeaza si in general impiedica aceasta transformare. Din nou, fenomenul nu poate fi explicat decat cu ajutorul mecanicii cuantice; el se datoreste existentei fortelor slabe (Vezi articolul Structura materiei in Tribuna Noastra no 52).

c) razele gama

Imediat dupa o emisiune alfa sau beta, se produce o rearanjare a nucleonilor (protoni + neutroni) in nucleul rezidual. Aceasta rearanjare are ca scop minimizarea energiei totale a nucleului. Surplusul de energie este degajat sub forma unei raze electromagnetice de 10 - 100 de ori mai intensa decat energia razelor X. Este deci vorba de un fenomen secundar (adica ulterior) in care nucleul nu-si schimba natura.

Existenta substantelor radioactive naturale si crearea ulterioara de substante radioactive artificiale - realizate cu acceleratoare de particule sau cu surse radioactive naturale - a antrenat multe aplicatii utile. Cele mai cunoscute se gasesc in domeniul medical (radioterapie), in domeniul agro-alimentar (sterilizare de alimente), in domeniul industrial (gamagrafie) si in domeniul arheologic (datare cu carbon radioactiv). Pe de alta parte, substantele radioactive produse in reactoarele nucleare, daca nu sunt strict controlate, pot prezenta un pericol de sanatate publica.

Este interesant de stiut ca daca Pamantul isi pastreaza caldura, milioane de ani dupa formarea lui, acest fapt este datorit radioactivitatii sale interne. 

Fiziunea

Fiziunea consista in separatia in doua a unui nucleu de masa ridicata ca de exemplu uraniumul (U). In natura, uraniumul se gaseste sub forma a trei isotopi: U-238 (99,3%), U-235 (0,7%) si U-236 (urme), cifra calificativa indicand numarul de nucleoni in nucleii respectivi. Acesti nuclei  vibreaza si se deformeaza pana aproape de punctul de ruptura. Cel mai instabil isotop este U-235. Este deci suficient ca o particula exterioara, un neutron de pilda, sa atinga acest nucleu pentru a produce fiziunea lui. Separatia in doua are loc cu o diminuare a masei totale. Daca o masa m dispare, apare atunci o energie E conform faimoasei ecuatii a lui Einstein E = mc² unde m este masa disparuta si c² viteza luminii la patrat. Aceasta energie este enorma, de un milion de ori mai mare decat energia produsa de un exploziv chimic clasic, de aceeasi masa.

O caracteristica importanta a fiziunii este faptul ca ea este intovarasita de o producere simultana de neutroni (in medie 2,5 neutroni pentru o fiziune), ceea ce creaza conditiile necesare pentru a antrena o reactie in lant, fie exploziva ca in bombele atomice, fie controlata, ca in reactoarele nucleare.

In sfarsit, fragmentele produse sunt extrem de radioactive si formeaza numeroase familii radioactive de perioade foarte diferite (de la cateva milisecunde, la cateva milioane de ani). Inca o data, caracteristicile fiziunii nu se pot explica decat prin mecanica cuantica.

Fuziunea

Contrar fiziunii, fuziunea este o reactie nucleara care are loc intre particule usoare, mai exact intre isotopi ai hidrogenului. Exemplul cel mai simplu este fuziunea totala intre doi nuclei de deuterium (isotop al hidrogenului ce contine un proton si un neutron) care produce un nucleu de helium. Cum masa nucleului de helium este mult mai mica decat cea a nucleilor de deuterium, diferenta de masa apare sub forma de energie. Pe unitate de masa, energia de fuziune este mult mai mare decat cea de fiziune.

In natura, fuziunea nu are loc decat in Soare si in stelele luminoase. La temperaturile care se pot crea pe Pamant, nucleii unui gaz de deuterium (pozitivi) nu au destul de multa energie cinetica pentru a invinge respingerea electrica intre particule de aceeasi sarcina si pentru a se putea apropia deci la distanta la care fortele nucleare ar putea declansa fenomenul de fuziune. In stele insa, temperatura poate usor depasi cateva milioane de grade, atunci cand particulele ating o viteza suficienta pentru a se ciocni intre ele si a declansa astfel reactia de fuziune, fenomen ce se poate autointretine.

Altele

Instabilitatea materiei se manifesta deasemeni in afara nucleilor atomici. Trei cazuri interesante merita sa fie mentionate:

• reactiile explozive: exista produse instabile care se pot inflama in mod spontan, cu o degajare importanta  de energie, ca de exemplu nitroglicerina sau pulberea de cereale;

• reactiile fizice sau chimice foarte lente: sub efectul presiunii, temperaturii sau al unui amestec, substantele se pot modifica in timp, de exemplu gheata ce isi modifica  structura cristalografica, vinul ce-si schimba  gustul, sau un amestec de hidrocarburi;

• mutatiile genetice naturale: moleculele de ADN (acid desoxiribonucleic), purtatoare de geni, au o  structura chimica deosebit de complexa in care anumite componente sunt legate intre ele prin atomi de hidrogen; aceste legaturi prezinta instabilitati aleatorii care pot duce, in anumite cazuri, la schimbari structurale transmisibile, deci la mutatii genetice.

ATI AUZIT VORBINDU-SE DE CITOCHINE ?

Ati auzit vorbindu-se de citochine (in englezeste « cytokines »?  Probabil ca nu, pentru ca nu este un termen deseori intalnit.  Eu am dat de el intr-un articol recent publicat in Scientific American*. Articolul, pasionant, trata felul in care celulele facand parte din sistemul imunitar « comunica » intre ele. Autorul rezuma cunostintele actuale in acest domeniu si arata cateva superbe fotografii in culori aratand momentul in care doua celule lipite intre ele « impartasesc informatii » inainte de a trece la actiune. Era vorba de o celula imunitara de tip B (celule produse de maduva oaselor si numite B de la « Bone »), pe care se gasesc molecule MHC (de la « Major Histocompatibility Complex »), purtatoare de antigeni (substante straine), si care transmite aceasta informatie unei alte celule imunitare, de tip T (produse de timus, o glanda situata in partea inferiora a gatului), care trebuie repede sa decida : a nu face nimic, a ataca singura antigenii, a-si intari actiunea inmultindu-se sau a face apel la alte celule imunitare mai puternice.

Aceasta transmitere de informatii ia loc in mai multe etape, intr-un « balet » a carui coreografie este semnata de moleculele ADN ale genilor din cele doua celule : la primul contact, proteinele de pe suprafata celulelor in zona de contactat (numite proteine CD45 si care au ca misiune sa impiedice contacte indezirabile) se indeparteaza formand o zona circulara exterioara; in interiorul acestei zone, alte

molecule, care au proprietati adezive, « lipesc » membranele celor doua celule, intr-o zona circulara intermediara; si, in sfarsit, in interiorul acestei zone intermediare, citochinele primei celule intra in contact direct cu organele receptoare ale celei de a doua celule, intr-o zona centrala, de transmitere de informatii. Cele trei zone sunt clar vizibile gratie noilor tehnice de ameliorare a contrastelor imaginilor fotografice redate in culori vii, diferite intre ele.  Depinzand de conditiile experientelor conduse, stabilirea contactului, formarea zonei de transmisie de informatii, transmiterea si tratarea acestor informatii, si revenirea la stadiul initial pot sa dureze minute sau zeci de minute.    

Cel mai interesant aspect al acestui fenomen este analogia cu functionarea sistemului nervos, mai exact cu contactul intre doua celule nervoase.  In acest ultim caz, zona contactului este numita « sinapsa » (Vezi, articolul Structura creierului din Tribuna Noastra no 54) pe cand moleculele care stabilesc contactul intre cele doua celule nervoase si care transmit impulsiunile electricice sunt numite « neurotransmitatori ».  In cazul celulelor imunitare, se intrebuinteaza, prin analogie termenul de « sinapsa imunitara » iar substantele transmitatoare de informatii sunt denumite « citochine». Bineinteles, intre cele doua sisteme de comunicatie, exista o mare diferenta : durata contactului intre doua celule nervoase se masoara in ani sau zeci de ani, pe cand contactul intre doua celule imunitare se masoara in minute sau zeci de minute.

In ceea ce priveste citochinele, este stiut ca sunt proteine solubile, ca sunt fabricate de celule imunitare ca leucocitele (globulele albe), ca exista un mare numar de tipuri deosebite (peste 20 cunoscute astazi) si ca au proprietati din cele mai remarcabile : ele actioneaza numai in prezenta celulelor care au o zona sensibila la existenta lor – o zona specifica pentru fiecare citochina, ca ficare citochina are una sau mai multe functii biologice, ca mai multe citochine au functii comune, ca aceste diferite functii depind de mediul ambiant, etc. Cel mai surprizator lucru este insa faptul ca citochinele au alte functiuni in afara sistemului imunitar !  

Astfel, citochinele, in plus de a regula raspunsurile sistemului imunitar, reguleaza deasemeni formarea globulelor rosii ale sangelui (hematopoieza), contribuie la procesul de inflamatie al zonelor infectate si la multe alte functiuni mai mult sau mai putin cunoscute ale corpului uman, intre care activarea creierului in caz de stres pentru a produce schimbari de natura neurochimica, neuroendocrina si chiar comportamentala !

N-ati auzit inca vorbindu-se de citochine?  Sunt sigur ca in curand vor deveni la moda…

Ca lectura, recomand, din cele peste 4 milioane de intrari din Google, « Cytokines » in Enciclopedia Wikipedia si in cursuri oferite de C. F. Cuff si de Universitatea din Arizona.

______________________

*Daniel M. Davis, « Intrigue at the Immune System », Scientific American, Vol. 294, no 2, 2006.

CORECTII DE ADUS LA TEXTUL DESPRE
ENERGIILE DE MAINE SI DE POIMAINE,
aparut in numarul 56 din martie 2007