Юный техник, 2014 № 10

НОВАЯ ЖИЗНЬ СТАРЫХ ИДЕЙ Химические часы

Увлечение химией у 12-летнего москвича Бориса Белоусова началось при довольно странных обстоятельствах. В 1905 году вместе с тремя старшими братьями он попал в тюрьму за производство взрывчатки.

Взрывчаткой этой начиняли гранаты, которые использовали боевики на восставшей Пресне. Причем ребята производили небезопасные (во всех смыслах) опыты на чердаке большого дома, в котором проживала семья Белоусовых.

Семейство было благополучным. Отец работал банковским служащим. И, тем не менее, в деле по производству взрывчатки непосредственно участвовали четверо из пяти братьев Белоусовых.

Самый же старший брат, семнадцатилетний Александр, который, собственно, и подвиг своих родственников на производство взрывчатки для революционных целей, сумел скрыться от полиции. Шестнадцатилетний Сергей при аресте назвался чужим именем. Он считал, что товарищ, которого он таким образом прикрыл от преследований полиции, более нужен революционному делу. И пошел вместо него по этапу, а потом и погиб где-то в Сибири.

Несовершеннолетних Владимира и Бориса Белоусовых тоже полагалось выслать в Сибирь. Однако жандармы предложили матери юных революционеров еще один вариант — покинуть Россию. Семья выехала в Швейцарию.

Борис Белоусов в молодости.

В советское время легенду о том, что Борис Белоусов, живя в русской эмигрантской колонии в Цюрихе, играл в шахматы с В. И. Ульяновым-Лениным, рассказывали с великим почтением. Однако сам Борис к своему партнеру особого пиетета не испытывал. Рассказывал, что Ленин играл азартно и, когда начинал проигрывать, не брезговал психологическим прессингом — ругал противника на чем свет стоит. То ли по этой причине — кому нравится, когда его ругают, да еще по пустячному, в общем-то, поводу? — то ли к тому времени он уже имел иные соображения, но Борис Белоусов на том свою революционную деятельность закончил. В большевистскую партию он не вступал ни до 1917 года, ни после.

А поступил он в знаменитый Цюрихский политехнический институт. Причем поскольку платить за полноправное обучение у него не было возможности, то Борис воспользовался возможностью обучаться бесплатно, но без диплома, со справкой о прослушанных лекциях.

Закончив таким образом курс по химии, с началом Первой мировой войны Борис вернулся в Россию. Хотел пойти в армию добровольцем, но его не взяли — говорят, очень худому новобранцу не хватило веса до принятой тогда нормы. Тогда Борис Белоусов поступил на работу в химическую лабораторию металлургического завода Гужона (в советское время завод «Серп и Молот») и стал заниматься военной химией. Он разрабатывал способы борьбы с отравляющими веществами, думал над особыми составами для противогазов.

После революции Белоусов был зачислен в ряды Рабоче-крестьянской Красной армии, с 1923 года по рекомендации академика П. П. Лазарева преподавал химию командирам в Высшей военно-химической школе РККА, читал курс лекций по общей и специальной химии в школе усовершенствования командного состава РККА, а в 1933 году стал старшим преподавателем Военно-химической академии имени К. Е. Ворошилова.

Однако главным делом жизни Борис Павлович Белоусов считал научные исследования. Он автор множества научных статей. Впрочем, в силу их секретности, ни одна из публикаций не увидела свет в открытой печати. Материалы исследований печатались в виде закрытых инструкций под грифом «совершенно секретно».

Изменение цвета раствора в мензурке показывает течение реакции Белоусова-Жаботинского.

Графическая схема механизма реакции Белоусова-Жаботинского.

В секретном же отзыве академика Александра Николаевича Теренина отмечается, что «Б. П. Белоусовым открыто совершенно новое направление газового анализа, заключающееся в изменении цвета пленочных гелей при сорбции ими активных газов. Задача заключалась в создании специфических и универсальных индикаторов на вредные газообразные соединения, с обнаружением их в исключительно малых концентрациях».

На основе исследования Белоусова был разработан ряд оптических приборов, позволяющих быстро производить качественный анализ воздуха на вредные газы. Кроме этих исследований, Б. П. Белоусову принадлежит ряд столь же оригинальных научных работ, за которые академик предложил присудить талантливому специалисту степень доктора химических наук без защиты диссертации. Однако до этого дело по ряду причин не дошло. За свои заслуги Белоусов лишь получил звание комбрига, что ныне эквивалентно чину генерал-майора.

Но военная карьера его интересовала слабо. И в 1935 году Белоусов запросился в отставку. Борис Павлович стал работать в секретном медицинском институте, где занимались опять-таки в основном токсикологией. Сначала был заведующим лабораторией. Потом спохватились, что у него нет университетского диплома, и перевели на должность старшего лаборанта, не освободив, впрочем, и от обязанностей заведующего лабораторией.

Все эти сложности и условности раздражали Белоусова. У него и в молодости характер был непростой, а с годами стал совсем сложный. Недругов у него всегда было хоть отбавляй. Однако директор института понимал, с кем имеет дело. И написал письмо на имя И. В. Сталина. Дескать, в нашем секретном учреждении работает очень талантливый человек, но зарплата у него низкая, как у старшего лаборанта, поскольку он не имеет диплома о высшем образовании, а на самом деле он заведует лабораторией. На этом письме синим карандашом Сталин начертал резолюцию: «Платить, как заведующему лабораторией, доктору наук, пока занимает должность». Недруги примолкли — со Сталиным не поспоришь.

Такое счастье, правда, длилось недолго. Сталин вскоре умер. Из завлабов пришлось уйти. Но Белоусов нашел себе новое занятие. Начались испытания ядерного оружия, появились первые облученные. И Белоусов сделал несколько замечательных разработок в области противолучевых препаратов.

В то время в биохимии были открыты циклические реакции — одно вещество превращается во второе, второе в третье, третье в четвертое, потом в пятое, а из него образуется опять первое. Борис Павлович подумал, что это замечательное явление надо исследовать получше.

Он вспомнил, что в 1905 году делал взрывчатку из подручных веществ. И вскоре нашел свой вариант циклической реакции. Стал окислять серную кислоту неким аналогом бертолетовой соли. Чтобы ускорить реакцию, Борис Павлович добавил в раствор соли церия в качестве катализатора. В итоге раствор сначала окрасился в желтый цвет, потом обесцветился, затем вдруг окрасился снова… Так была открыта колебательная химическая реакция в растворе неорганических веществ. Это открытие, принесшее ему мировую известность, Б. П. Белоусов совершил в 58 лет. Случай в науке редкий.

В биохимии уже были известны так называемые колебательные реакции. Борис Павлович придумал такую же колебательную реакцию, но протекающую с неорганическими веществами.

Ее было проще осуществить и проще изучить. Выглядела же она просто волшебно, особенно если проводить реакцию в тонком слое жидкости, например, в чашке Петри. По поверхности при этом бегут волны изменения концентрации, образуя причудливые, все время изменяющиеся узоры.

Однако на статьи, которые в начале 50-х годов ХХ века Борис Павлович разослал в солидные химические журналы, рецензенты дали ответы, суть которых была примерно такова: «Этого не может быть, потому что не может быть никогда!»

Генерал Белоусов счел ниже своего достоинства доказывать, что он не верблюд. Неизвестно, чем бы закончилось дело, если бы об удивительном открытии Б. П. Белоусова случайно не узнал профессор С. Э. Шноль. Он принялся искать первооткрывателя, что было делом совсем не простым — ведь Белоусов работал в «закрытом» институте. Наконец, Шноль нашел автора уникальной работы и получил от него листок бумаги с рецептом, как осуществить реакцию.

Обиженный Б. П. Белоусов от сотрудничества и продолжения работ отказался. Тогда С. Э. Шноль предложил заняться этой проблемой физику и математику, ставшему волею случая еще и химиком, — Анатолию Марковичу Жаботинскому.

А. М. Жаботинский.

А. М. Жаботинский с сотрудниками разработал математическую модель химических процессов, происходящих в ходе реакции Б. П. Белоусова, физические приборы для регистрации этих процессов и даже применил компьютеры для обработки результатов и вычисления кинетических коэффициентов реакции, что выглядело в те годы весьма необычно. Ведь компьютеры назывались тогда ЭВМ — электронно-вычислительными машинами — и выглядели, как множество стальных шкафов, от которых во все стороны разбегались кабели и провода. Информация вводилась с перфокарт или с перфолент, а выводилась на длинные бумажные «простыни» распечаток.

Так что применение ЭВМ для моделирования сложной химической реакции тогда было новинкой. Тем не менее, в 1964 году вышла статья А. М. Жаботинского, в которой подводились итоги выполненных исследований и закреплялся приоритет советской науки в области колебательных химических реакций. Через год эта тема стала очень модной, и статьи о новых работах посыпались как из рога изобилия. Реакция Белоусова-Жаботинского стала всемирно известной. По-английски ее называют BZ-реакцией.

В принципе, открытие колебательных реакций вполне было достойно Нобелевской премии. Однако шведские академики рассудили иначе. Хорошо уже и то, что в 1980 году нескольким ученым была вручена Ленинская премия. Борис Павлович Белоусов был включен в число лауреатов посмертно.

После награждения в СМИ прошла еще одна волна публикаций по данной теме. К некоторым из них причастен и ваш покорный слуга, напросившийся на интервью к Анатолию Марковичу Жаботинскому, от которого и узнал кое-какие подробности не только о самой реакции, но и о жизни и судьбе Белоусова.

Статьи, а потом и книги были опубликованы. Было выяснено, что подобные реакции могут быть полезны для изучения некоторых процессов в живом организме — например, деятельности сердечной мышцы. Созданы были и модели химических часов — ведь реакции идут со строгой периодичностью.

Так, например, инженер-химик Е. Н. Москалянова вместе с коллегами провела свыше 16 000 реакций в различных городах Советского Союза — от Владивостока до Таллинна — и выяснила, что периодическая реакция на основе триптофана обладает четкостью приличного секундомера. Стали поговаривать о выпуске химических часов без механизма. Но на том все, по существу, и кончилось.

В СССР начался развал экономики, многие ученые, в том числе и А. М. Жаботинский, уехали работать за границу.

Однако ныне мы являемся свидетелями новой волны интереса к подзабытым было реакциям. Японский исследователь Такахиро Ямагучи из Института исследования наносистем при токийском Национальном институте технических наук, разработал биополимер, в котором тоже протекают периодические реакции. По словам профессора Ямагучи, созданная им полимерная система сокращается как однородная среда, которая сначала равномерно расширяется во все стороны, а затем сжимается. Один цикл занимает несколько секунд, а общая продолжительность сокращений может достигать нескольких суток.

Профессор Т. Ямагучи.

Японский ученый подчеркнул, что основа нового материала и используемые реактивы нетоксичны. Значит, такой полимер можно использовать в медицине. Он предполагает, что разработка окажется полезной для создания микроскопических устройств, так называемых lab-on-chip (микросхемы полного анализа — микроприборы, которые позволяют осуществить один или несколько биохимических процессов на одном чипе). Кроме того, аналогичные полимеры возможно использовать и в качестве искусственных мускулов для роботов, для приведения в действие иных приборов и устройств.

Таким образом, химический процесс, долгое время бывший лишь своеобразной забавой юных химиков (реакция Белоусова-Жаботинского — часто встречающаяся тема на химических олимпиадах школьников), может, наконец, получить реальное практическое применение.