Борис Павлович Белоусов и его вклад в науку
Открытие Борисом Павловичем Белоусовым периодических реакций поставило точку в многолетних поисках повторяющихся режимов в химических процессах. В результате была подтверждена теория о том, что периодичность, то есть регулярное повторение чего-либо во времени или пространстве, — одно из глобальных природных явлений, которое лежит у истоков мироздания. Как часто бывает в науке, периодичность в химических процессах «искали» с большим скептицизмом, а найдя — признавали неохотно. БЖ-реакции (Белоусова — Жаботинского), как еще называют периодические реакции, — тому подтверждение. Открытие, которое входит в золотой фонд науки XX века, наглядно демонстрирует трудность восприятия очевидного.
«Вы смотрите на стакан с красно-лиловой жидкостью, а он вдруг становится ярко-синим. А потом снова красно-лиловым. И снова синим. И вы невольно начинаете дышать в такт колебаниям. А когда жидкость налита тонким слоем, в ней распространяются волны изменения окраски. Образуются сложные узоры, круги, спирали, вихри, или все приобретает совершенно хаотический вид»,
— описывал в 1990-е годы колебательную химическую реакцию профессор Симон Эльевич Шноль, который сыграл значительную роль в спасении от забвения этого открытия.
И действительно, периодические реакции зачастую настолько наглядны, что, засмотревшись, порой забываешь, какой фундаментальный смысл скрыт в них.
Данные химические реакции характеризуются периодическим изменением некоторых параметров, например, цвета раствора, концентрации компонентов, температуры и других. В большинстве случаев эти изменения можно легко наблюдать визуально. Первая периодическая реакция была открыта случайно, что не редкость в науке. В 1951 году Белоусов занимался разработкой способов борьбы с отравляющими веществами и созданием препаратов, снижающих воздействие радиации на организм, и в ходе исследований провел окисление лимонной кислоты броматом калия в присутствии катализатора сульфата церия. В процессе реакции обнаружились периодические изменения концентраций разных форм ионов церия. Заметить это было очень легко: цвет раствора изменялся от бесцветного (что обусловливалось ионами церия Ce3+) к желтому (за это отвечали ионы церия Ce4+), а затем — обратно. При добавлении индикатора ферроина эффект был еще более заметен. Так и была открыта всемирно известная колебательная реакция Белоусова — Жаботинского.
Сообщение ученого о том, что были открыты периодические явления в химических системах, не вызвало отклика у научного сообщества, статью даже не опубликовали.
Только спустя восемь лет появилась небольшая заметка в выходившем скромным тиражом сборнике научных работ, однако это не помешало ей впоследствии стать одной из самых цитируемых в данной области. Таким образом и произошло признание открытия, хотя и по стечению обстоятельств. В 1958 году на семинаре в Институте химической физики АН СССР молодой физик Шноль, рассказывая о биоритмах, выдвинул смелую гипотезу. Смысл ее заключался в том, что биологическими часами, которые, как известно, являются периодическим процессом, управляют химические реакции.
Для такой смелой идеи требовалось как минимум найти хотя бы реальный пример химических колебаний.
Однако таких примеров в аудитории не знал никто… кроме случайно попавшего на семинар аспиранта — двоюродного внука Бориса Павловича Белоусова, который открыл колебания в химических системах за семь лет до описываемых событий!
С того времени периодические реакции постоянно находились под пристальным вниманием ученых. Химик Анатолий Маркович Жаботинский возглавил изучение механизма реакции Белоусова.
Группа под его руководством провела подробные исследования реакции и ее варианты, составила первую математическую модель, а также сделала ряд открытий. Одним из наиболее значимых было обнаружение так называемых волн концентраций, которые появляются в ходе периодической реакции, если реагирующую смесь нанести тонким слоем. Эти волны видны невооруженным глазом, и зрелище поистине впечатляющее.
Несмотря на огромную работу, проведенную исследователями, до сих пор не до конца ясен механизм повторяющихся реакций, так как количество промежуточных стадий в некоторых из них может достигать сотен.
Попытка математически объяснить эти процессы привела к неожиданным результатам. Выяснилось, что модель данных явлений такая же, как и для описания экологических процессов, в частности периодического изменения численности жертв и хищников в экосистемах. Скорее всего, это совпадение неслучайно: оно характеризует общность фундаментальных законов природы. Если колебательные химические реакции описать в терминах «хищник» и «жертва», то можно представить следующую модель. Роль хищников (например, волков) в данном случае выполняют продукты промежуточных стадий (ингибиторы), которые замедляют или блокируют их. Роль жертв (например, зайцев) играют катализаторы, которые ускоряют ход реакции. Взаимодействие «волков» и «зайцев» в реакции идет по хорошо известной схеме: увеличение числа хищников ведет к уменьшению популяции жертв, и наоборот. Как известно, молекулы катализаторов и ингибиторов не расходуются в реакции, однако в данном случае соотношение их концентраций изменяется по схеме «хищник — жертва». Такая обратная связь обеспечивает существование периодических реакций. Энергией, которая служит «батарейкой» для повторяющейся реакции, является трава — пища для зайцев. Роль «травы», если брать первоначальный вариант БЖ-реакции, играл процесс окисления лимонной кислоты. После того как окисление проходило, периодическая реакция заканчивалась.
Открытие повторяющихся реакций послужило катализатором развития многих разделов современной науки.
В ходе фундаментальных исследований были обнаружены и поразительные аналогии — выяснилось, что в основе некоторых природных явлений (образования галактик, смерчей, циклонов) лежат сходные механизмы.
Кроме научного такие реакции имеют и практический интерес — на их основе разрабатываются альтернативные средства обработки информации, изучаются особенности полимеризации.
Краткая биография
Борис Павлович Белоусов родился 7 (19) февраля 1893 года в Москве в многодетной семье банковского служащего. В 12 лет был арестован за революционную деятельность, эмигрировал с семьей в Швейцарию. В Цюрихе прослушал полный курс химии в университете, но не получил диплома из-за отсутствия средств. В 1914-м вернулся в Москву, работал в химической лаборатории завода Гужона (ныне завод «Серп и молот»). С 1923 года преподавал химию в Высшей военно-химической школе Рабоче-Крестьянской Красной Армии. С 1933 года — старший преподаватель Военной академии химической защиты им. С. К. Тимошенко. В 1938-м ушел в отставку, работал в закрытом медицинском институте, который покинул незадолго до смерти (12 июня 1970 года). Ленинскую премию за открытие периодических реакций получил посмертно спустя 10 лет.
