Валерий Полищук - Пути в незнаемое

Дольше всего не удавалось подобрать другой, не цериевый катализатор. А потом оказалось, что тот же железо-фенантролин может работать и катализатором: сине-красные волны прекрасно возникают без всякого церия.

Забегая вперед, скажу, что необязательным оказалось и органическое вещество. В 1982 году ухитрились обнаружить колебательный режим в белоусовской реакции без лимонной кислоты. Зафиксировать это явление было исключительно трудно: интервал концентраций, при котором улавливаются колебания, чрезвычайно узок. Результат 1982 года подтвердил некоторые теоретические выкладки о природе реакции, которая теперь представляет собой лишь один из образцов колебательной реакции некоего класса. А всего таких классов то ли четыре, то ли еще больше.

Имеются в виду только превращения, происходящие в колбах или пробирках. Что же касается природы — как живой, так и неживой, — то один перечень обнаруженных в ней колебательных химических процессов занял бы немало страниц. Ограничусь лишь некоторыми.

Колебания нередко происходят при передаче нервного импульса (интересно, что это было предсказано еще полвека назад в результате опытов с «железным нервом»). Причина — в том, что клеточные мембраны способны время от времени менять свою проницаемость для ионов натрия и калия. Какие вещества управляют этим, пока не установлено, однако мембрана нервной клетки в иных случаях сама способна играть роль периодически действующего физико-химического генератора. Вероятно, это связано с тем, что и концентрация этих неизвестных веществ колеблется.

Колебательными реакциями сопровождается гликолиз, важнейший для живых организмов путь добывания энергии в условиях недостатка или отсутствия кислорода. Доказана активность одного из ключевых ферментов, управляющих гликолизом (в свое время Шноль предполагал, что такое поведение свойственно ферментам, — об этом уже упоминалось). Примечательно, что в активности системы гликолиза есть и другие колебания — медленные, совпадающие с суточным ритмом.

Колебательные стадии обнаружены в еще одном жизненно важном процессе — делении оплодотворенных яйцеклеток. Этими стадиями управляет обратная связь, организуемая с помощью неких белков, концентрация которых колеблется так же, как концентрация ионов церия в белоусовской реакции.

Колебания, происходящие, как говорят биологи, на молекулярном уровне, порождают другие — на уровне организмов и целых популяций.

Рост культур некоторых грибков и плесеней происходит от центра к периферии периодически, причем образуются концентрические круги, очень похожие на кольца Лизеганга. Это явление обнаружила еще три десятка лет назад профессор Беккер (помните, именно ей была подарена книга, на которой Белоусов надписал памятные слова Сократа). Как рассказывает Зинаида Эрнестовна, она предъявляла культуры Белоусову, и тот уверенно сказал: это результат периодических реакций.

Культуры бактерий также развиваются неравномерно. Если измерять скорость их роста, нередко получается синусоида, похожая на ту, что отражает колебания маятника. Результатом таких колебаний оказываются, в частности, периодически повторяющиеся вспышки некоторых болезней. Так, известно, что заболеваемость малярией достигает максимума каждые три года. Причина — борьба между размножающимися в организмах малярийных комаров паразитами, носителями болезни, и антителами, порождаемыми этими же паразитами. Вступает, стало быть, в действие схема Вольтерры.

А вот примеры совсем другого характера.

На химических предприятиях временами случается, что реакция, происходящая в аппарате, выходит из-под контроля. Как говорят технологи, идет в разгон. Реактор перегревается, приключаются порой и взрывы, и прочие неприятности. Испокон века считалось, что разгон — результат небрежности, нечеткого соблюдения технологического режима. Теперь установлено, что, хотя чаще всего причина действительно такова, иной раз бывает по-другому. Рабочий поддерживает и температуру, и давление, и прочее, что положено, строго в установленных рамках — но начинаются в аппарате колебательные реакции с нарастающей амплитудой; концентрация каких-то опасных промежуточных соединений, обычно очень скромная, достигает в определенный момент критической величины. Результат — необъяснимая авария.

Другой пример, не столь печальный. С начала 50-х годов в промышленности применяются реакции окисления ароматических углеводородов воздухом. Впервые такой процесс внедрили советские химики, разработавшие чрезвычайно оригинальный способ одновременного получения фенола и ацетона. Так вот, четверть века спустя выяснилось, что ключевая стадия процесса — окисление воздухом углеводорода кумола, происходящее при катализе солями кобальта, — тоже колебательная реакция. Правда, не гомогенная, а происходящая на поверхности катализатора. Но теперь это различие уже стерлось. Теоретики доказали, что основания и у тех, и у других — общие.

Еще пример из области техники. Колебательный режим горения, известный свыше сорока лет, нашел неожиданное практическое применение. Химики из Института катализа, что в Академгородке под Новосибирском, заметили, что интервал между вспышками зависит, при прочих равных условиях, от строения молекул углеводородного горючего. Построили график — оказалось, что период прямо связан с октановым числом топлива. Так это число, известное каждому, кому случается сидеть за рулем автомобиля, теперь и измеряют — с секундомером в руке. Раньше требовалось куда более хитрое оборудование.

Но довольно перечислять, вернемся к событиям, происходившим на кафедре биофизики МГУ и в Институте биофизики.

Реакции Белоусова повезло. Она попала в хорошие руки. Московская школа физиков традиционно сильна в исследовании всевозможных волновых процессов. Физический факультет университета, можно сказать, насыщен теорией колебаний — еще бы, здесь работают ученики Мандельштама и Тамма! Едва трудности с наблюдением автоволн были преодолены, результаты пошли косяком.

Пришло время разъяснить, почему к словам «колебания» и «волны» иногда приклеивают приставку «авто». Дело в том, что система, в которой колеблющийся элемент (например, маятник) подкармливается энергией (падающей гирьки, батарейки — помните?), называется автоколебательной, колебательным контуром. А возникающие в ней устойчивые волны — автоволнами. Колебательные контуры чрезвычайно распространены, причем некие общие системные их свойства не зависят от природы входящих в их состав элементов. Например, движение импульсов по замкнутому контуру подчиняется одним и тем же закономерностям независимо от того, представляет ли собой этот контур часть схемы радиоприемника или входит в состав нервной системы.