Сказка о химике Белоусове, который изготовил жидкие часы

Ник. Горькавый
Сказка о химике Белоусове, который изготовил жидкие часы

Ума палата

Ник. Горькавый.

СКАЗКА О ХИМИКЕ БЕЛОУСОВЕ, КОТОРЫЙ ИЗГОТОВИЛ ЖИДКИЕ ЧАСЫ

Рассказы о науке

Другие научные сказки Ник. Горькавого см. «Наука и жизнь» № 11, 2010 г., с. 80, № 12, 2010 г., с. 81 и № 1, 2011 г., с. 83.

Борис Павлович Белоусов (1893- 1970) - военный химик. В 1951 году открыл первую колебательную химическую реакцию, известную сейчас как реакция Белоусова - Жаботинского.

Музыканты и композиторы живут в мире мелодий. Они понимают душу скрипки и саксофона, виолончели и рояля. В слаженных звуках оркестра музыканты-виртуозы слышат гораздо больше, чем обычные люди.

Но виртуозы встречаются не только среди скрипачей и пианистов. В России, например, жил виртуоз-химик. Он разбирался в загадочном и интереснейшем мире химических реакций: понимал душу металлов и кислот, катализаторов^* и энзимов^**. Он знал, как они друг к друг относятся, как враждуют и дружат, как соединяются и разъединяются. Он понимал их устремления и способности, красоту и темперамент. Звали этого человека Борис Павлович Белоусов. Судьба ему выпала такая, что никакой писатель-фантаст не смог бы выдумать.

[^* Катализаторы - вещества, ускоряющие химическую реакцию. Сам катализатор не расходуется в ходе реакции.

^** Энзимы (ферменты) - обычно белковые молекулы, которые ускоряют химические реакции в живых организмах.]

В 12 лет Борис стал революционером. Вместе со своими старшими братьями он изготавливал бомбы для участников восстания 1905 года. Братьев Белоусовых арестовали и приговорили к ссылке или эмиграции. Семья вынуждена была эмигрировать. Она обосновалась в Швейцарии. Цюрихскую квартиру Белоусовых посещали многие видные русские революционеры, включая Ульянова-Ленина, с которым Борис играл в шахматы. В Цюрихском университете молодой человек прослушал полный курс химии и познакомился с Альбертом Эйнштейном. Диплома Белоусов не получил, потому что за него нужно было заплатить слишком много денег. Семья такой суммой не располагала.

Вернуться в Россию Борису удалось только в 1914 году. Он стал работать вместе со знаменитым химиком - академиком В. Н. Ипатьевым в области военной химии. Есть химики, которые разрабатывают боевые отравляющие вещества. Отдел, где работал Борис, занимался не ядами, а противоядиями. Молодой ученый был в числе тех, кто создавал противогазы и противорадиационные лекарства. А кому из вас не прижигали ссадины «зеленкой», или бриллиантовой зеленью? Так вот, промышленный выпуск этого препарата наладили в конце 1930-х годов благодаря исследованиям молодого ученого Белоусова.

Борис Павлович много лет преподавал химию. Сначала в военно-химической школе, потом в Академии химической защиты и даже дослужился до звания генерал-майора. Во время Второй мировой войны Белоусов работал начальником отдела в одном из научных институтов.

Вот так меняет цвета раствор, в котором протекает реакция Белоусова - Жаботинского.

Если вылить раствор на плоскую поверхность, то по ней поползут удивительные волны (данное изображение сгенерировано компьютерной программой моделирования реакции Белоусова - Жаботинского).

После войны для ученого наступили трудные времена. Пришли к нему чиновники-бюрократы и потребовали показать диплом о высшем образовании.

Но профессор и генерал Белоусов в свое время, как вы знаете, не смог выкупить заслуженный диплом Цюрихского университета. Бюрократы заявили, что без диплома ученый не может занимать должности выше старшего лаборанта.

Белоусов перешел на зарплату старшего лаборанта, оставаясь при этом начальником отдела, - других ученых с такой высокой квалификацией в институте не было, хотя химиков с дипломами - сколько угодно. В конце концов руководство института добилось письменного разрешения Сталина на возвращение ученому прежней зарплаты.

Но деньги Белоусова волновали мало - он был слишком занят своими химическими реакциями. В ходе многолетних поисков лекарств, которые могут спасти клетку от радиации, химик-виртуоз наткнулся на следы терра инкогнита^* - «неизвестной земли» в мире химических реакций.

[^* «Терра инкогнита» - в переводе с латинского «неизвестная земля» - так на географических картах XVII-XIX веков обозначались еще не исследованные территории.]

Дело в том, что многие биологические процессы цикличны: сердце ритмично бьется, легкие равномерно дышат. Даже полоски на шкуре тигра и жирафа отражают периодические процессы, протекающие под кожей. В популяциях рысей и зайцев охотники тоже заметили колебания: звериного поголовья становится то больше, то меньше. Математики даже составили уравнения для этих периодических изменений числа хищников и травоядных.

В основе биологических процессов, носящих периодический характер, лежат химические превращения. Но вот что странно: ни одной периодической или колебательной реакции в химии до середины ХХ века не было открыто. Поиск периодической химической реакции выглядел в то время как издевательство над законами термодинамики, ведь уголь сгорает и железо ржавеет необратимо. Казалось, невозможно представить себе химическую реакцию, которая периодически меняет свое направление.

Но Белоусов понимал, что в мире химических взаимодействий должна найтись неизвестная, неисследованная область - основа циклических процессов в клетках живых организмов. Знания, опыт и интуиция подсказывали Белоусову, где нужно искать периодические реакции.

В 1937 году немецкий химик Ганс Кребс открыл цикл окисления лимонной кислоты. Открытие важное - недаром Кребс получил за него Нобелевскую премию. Цикл Кребса - ключевая реакция, лежащая в основе кислородного дыхания, энергоснабжения и роста клетки.

Белоусов напряженно размышлял: можно ли получить более простой, в идеале - неорганический, аналог сложного цикла Кребса? Это позволило бы промоделировать сложные процессы, протекающие в живой клетке простой химической реакцией, которую легче изучить и понять.

Что будет, если воздействовать на лимонную кислоту раствором бертолетовой соли и добавить в раствор еще соли церия^*? Но ведь нужен окислитель, притом такой, который действует в присутствии катализатора…

[^* Церий - серебристый металл из группы лантанидов, редкоземельных элементов.]

Химик- виртуоз досконально продумал будущую реакцию, сопоставил окислительный потенциал бертолетовой соли с валентностью ионов железа и церия. В трехвалентном состоянии ионы церия бесцветны, а в четырехвалентном -желтые. Это означает, что изменение валентности можно будет наблюдать своими глазами. Распад лимонной кислоты будет виден по выделению углекислого газа.

Прежде чем химик начал сливать растворы вместе, он проделал немало расчетов, сопоставлений и прикидок. Действовать вслепую - значит, зря терять время. Нужна хорошо проду манная гипотеза, которую потом можно проверить и в пробирке.

Много вариантов реакций перебрал Белоусов, провел сотни опытов и нашел-таки свою «терра инкогнита»!

Реакция Белоусова - Жаботинского настолько сложна, что до сих пор ученые пытаются установить взаимодействие различных компонент реакции и катализаторов.

Маршрут, вернее рецепт, таков. Если соединить в одной колбе в нужных пропорциях раствор серной кислоты, бромат и бромид натрия, лимонную кислоту, сульфат церия и краску фенантролин, то возникает чудо. Раствор начинает менять цвет с голубого до оранжевого и обратно с периодом колебания от долей секунды до десятков минут. А в плоской посуде по мелкому слою раствора поползут волны разного цвета. После нескольких десятков колебаний нужно подлить свежие растворы, чтобы поддержать химическую реакцию, - совершенно так же, как нужно питать живой организм.

Полосы на шкуре тигра вызваны близкими к реакции Белоусова - Жаботинского колебательными биохимическими реакциями с диффузией, существование которых предположил математик Алан Тьюринг. Фотография Джона и Карен Холлингсворт.

Периодическая реакция, открытая Борисом Павловичем Белоусовым, в каком-то смысле простой аналог жизни - неравновесная химическая пульсация, похожая на сердцебиение.

В лабораторию Белоусова, где «тикали» жидкие химические часы или, если угодно, билось «химическое сердце», потянулись друзья и сотрудники.

Белоусов сел писать статью о своем открытии. Печатных трудов и патентов у химика было много, но в академических журналах он не публиковался и с нравами тамошних рецензентов знаком не был. Увы, рецензенты научных журналов не были виртуозами. Это неформальное звание редко кому удается заслужить.

В 1951 году статья Белоусова об открытии удивительной реакции попала в журнал Академии наук СССР. И быстро вернулась с отказом в публикации. Рецензент завернул статью, категорически утверждая, что такая химическая реакция невозможна.

Обычно немногословный Белоусов с горечью заметил, что нынешние ученые утратили уважение к фактам.

Видимо, рецензент забыл про высказывание знаменитого естествоиспытателя, создателя микроскопа Антони ван Левенгука: «Следует воздержаться от рассуждений, когда говорит опыт». Борис Павлович взялся за дальнейшее исследование новой реакции. Пять лет он проводил измерения и анализы. В это время наука не стояла на месте. В 1952 году английский математик Алан Тьюринг высказал предположение о том, что сочетание химических реакций с процессами диффузии^* может объяснить целый класс биологических явлений, в частности периодические полоски на шкуре тигра. Русский физик и химик Илья Романович Пригожин в 1955 году пришел к выводу, что в неравновесных термодинамических системах, к которым относятся и все биологические системы, возможны химические колебания.

[^* Диффузия - процесс переноса вещества (газа, жидкости и т.д.) из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.]

Ни Тьюринг, ни Пригожин даже не подозревали, что обсуждаемый ими феномен уже открыт, просто статья на эту тему не опубликована.

Наконец, Белоусов отправляет новый вариант своей работы в другой научный журнал. Статья снова возвращается с отказом в публикации! Рецензент предложил автору сократить ее до пары страниц. Такой наглости Белоусов не выдержал - он выбросил статью в мусорную корзину и навсегда прекратил общение с академическими журналами.

Племянник Белоусова, уже ставший студентом-химиком, предлагал дяде принести колбу в редакцию - пусть сами увидят химические часы в действии! Генерал Белоусов сердито отказался: «Что я им - клоун?»

Прошло восемь лет после открытия колебательной реакции - но по-прежнему о ней никто, кроме сотрудников и друзей Белоусова, не знал. Правда, по Москве поползли слухи о необычном стакане, в котором бьется цветное «химическое сердце». Химик из Московского университета Симон Шноль, услышав об этой реакции, загорелся и стал искать ее открывателя - но безуспешно. У Шноля даже вошло в привычку, выступая на научных семинарах, расспрашивать присутствующих химиков о неизвестном авторе колебательной реакции.

Осенью 1958 года после очередного семинара к Шнолю подошел студент и сказал, что эту реакцию открыл его двоюродный дед - Борис Павлович Белоусов. Шноль взял номер телефона Белоусова у студента и позвонил химику.

Борис Павлович был сух, от встречи отказался, но рецепт реакции продиктовал. Симон Шноль рецептуру полностью выдержать не смог, ярких цветов не достиг, но все-таки получил колебания желтоватого цвета и был восхищен ими. В лабораторию Шноля любопытные сотрудники устроили паломничество, и вскоре весть о чудесной реакции разнеслась по Москве.

Шноль был обеспокоен: любая печатная работа, посвященная циклической реакции, представлялась ему неэтичной, потому что не было возможности сослаться на печатную работу автора открытия.

Симон Эльевич снова позвонил Белоусову, долго уговаривал его и вскоре получил сборник трудов радиационной медицины, в котором Борис Павлович опубликовал краткое описание колебательной реакции. Никаких рецензентов у сборника не было, зато его составители отлично знали и глубоко уважали Белоусова и молниеносно опубликовали его краткую заметку.

Трехстраничная заметка 1959 года стала единственной печатной работой Белоусова об открытой им циклической реакции. Но этот маленький камушек вызвал лавину. Шноль поручил своему аспиранту Анатолию Марковичу Жаботинскому детально исследовать колебательный химический феномен. Вскоре в изучении этой реакции участвовали уже десятки людей. Они публиковали сотни статей, получали кандидатские и докторские степени. Белоусов в этой деятельности не участвовал. Ему было глубоко за семьдесят, и он продолжал работать в своем институте. А потом какой-то бюрократ все-таки добрался до химика-виртуоза и отправил его на пенсию. Оставшись без работы, Борис Павлович вскоре умер.

Открытая им знаменитая химическая реакция, носящая сейчас имя Белоусова - Жаботинского, оказалась поворотным пунктом в современном мировоззрении, основанном на понятиях самоорганизации, открытых систем, колебательных реакций и структурообразующих неустойчивостей. Думается, эта работа заслуживала Нобелевской премии. Но лишь спустя десять лет после кончины Бориса Павловича Белоусова ему посмертно была присуждена Ленинская премия.

И все же химик-виртуоз получил нечто гораздо большее, чем медаль и денежная награда, - ни с чем не сравнимое наслаждение нового открытия.

Что важнее - открыть Америку или получить за это награду? Возможно, кто-нибудь и задумается над ответом, но только не такой человек, как Борис Павлович Белоусов, химик-виртуоз и счастливый первооткрыватель периодической реакции поразительной красоты и важности. Сейчас она вошла в золотой фонд науки ХХ века.

«Наука и жизнь» № 2, 2011.