Опытным путем. Эксперименты, изменившие мир

Продолжаем знакомить читателей с книгами, вошедшими в длинный список премии «Просветитель» 2020 года. 17 сентября станут известны восемь книг, которые продолжат борьбу за премию.

Издательство «Наука» представляет книгу Алексея Капанадзе «Опытным путем. Эксперименты, изменившие мир».

В книге рассказывается об основных вехах в развитии экспериментальных методов в самых разных областях наук о природе, человеке и обществе — физике, химии, астрономии, биологии, физиологии, медицине, археологии, социологии, психологии, экономике. Охвачен период с античных времен до наших дней. Читатель узнает о знаменитых и малоизвестных опытах, оказавших огромное влияние на формирование наших представлений о мире и о нас самих. Большое внимание автор уделяет не только истории приборов и технологий, но и истории идей. Затрагиваются проблемы отличия классического эксперимента от наблюдения (когда опыт «ставит» сама природа), преемственности технических инноваций, влияния общественного климата на работу экспериментатора, роли случайности в этой работе.

Предлагаем прочитать одну из глав книги.

1968

«Мигающая» реакция Белоусова–Жаботинского

Борис Павлович Белоусов (1893–1970), Алан Мэтисон Тьюринг (1912–1954), Анатолий Маркович Жаботинский (1938–2008)

Классические химические реакции развиваются во времени более или менее предсказуемо: реагенты постепенно расходуются, продукты реакции постепенно накапливаются, причем повышение температуры и/или введение катализатора зачастую может ускорить этот процесс, а понижение температуры и/или введение ингибитора — замедлить его. А вот с реакцией Белоусова–Жаботинского дело обстоит совсем не так. Это самый известный процесс в классе так называемых осциллирующих («мигающих») реакций, которые, словно раскачиваясь туда-сюда, «вылетают» за пределы состояния химического равновесия дальше, чем обычные химические взаимодействия, и это повторяется, пока процесс наконец не остановится.

В 1951 году советский химик Борис Павлович Белоусов, пытаясь найти что-то вроде неорганического аналога цикла Кребса (циклического биохимического процесса, играющего важнейшую роль в дыхании клеток: в нем задействована, в частности, лимонная кислота), проводил реакцию окисления лимонной кислоты броматом калия в кислотной среде (разбавленной серной кислоте), используя в качестве катализатора ионы церия Ce³⁺ (их источником в системе служил сульфат церия (IV)). Экспериментатор обнаружил в этой системе очень странное и необычное явление – автоколебания: раствор становился то бесцветным (когда церий находился в виде ионов Ce³⁺), то желтым (когда церий восстанавливался до Ce⁴⁺), причем эти изменения периодически повторялись. Так происходит из-за того, что органическая кислота восстанавливает ионы Ce³⁺ до ионов Ce⁴⁺, а затем эти ионы окисляются броматом до Ce³⁺ (и далее всё повторяется). Но это очень упрощенное описание процесса.

Борис Павлович Белоусов (1893–1970)

Если проводить реакцию Белоусова–Жаботинского в обычной колбе при перемешивании, цвет раствора будет долго претерпевать периодические изменения. Если ее проводить в плоской химической чашке без перемешивания, можно увидеть расходящиеся по раствору цветные волны и спирали: их узор чем-то напоминает минералы в разрезе, колонии бактерий, маскировочную раскраску животных. Эти эффекты впервые наблюдал Жаботинский.

Белоусов открыл основные сочетания компонентов таких реакций в течение 1950-х годов, но далеко не сразу (лишь в 1959 году в маленькой заметке-реферате «Периодически действующая реакция и ее механизм») ему удалось опубликовать свои результаты, поскольку в них трудно было поверить и их трудно было объяснить: во всяком случае, сам он был не в состоянии дать объяснение, которое удовлетворило бы придирчивых редакторов серьезных советских научных изданий. (Правда, уже в 1951 году его заметка под таким же названием вышла в сборнике «Автоволновые процессы с диффузией», выпущенном издательством Горьковского государственного университета, но на нее мало кто обратил внимание.)

Сам Белоусов так описывал открытую им реакцию:

«Нижеприведенная реакция замечательна тем, что при ее проведении в реакционной смеси возникает ряд скрытых, упорядоченных в определенной последовательности окислительно-восстановительных процессов, один из которых периодически выявляется отчетливым временным изменением цвета всей взятой реакционной смеси. Такое чередующееся изменение окраски от бесцветной до желтой и наоборот наблюдается неопределенно долго (час и больше), если составные части реакционного раствора были взяты в определенном количестве и в соответствующем общем разведении. Так, например, периодическое изменение окраски можно наблюдать в 10 мл водного раствора следующего состава: лимонная кислота 2,00 г, сульфат церия 0,16 г, бромат калия 0,20 г, серная кислота (1:3) 2,00 мл. Воды до общего объема 10 мл».

В 1961 году советский химик Анатолий Маркович Жаботинский, в ту пору еще аспирант, занялся исследованием механизма этой реакции (сам Белоусов отказался принять участие в этой работе, хотя и одобрил проведение таких изысканий), но долгое время она оставалась известной лишь в некоторых коллективах отечественных химиков, пока в 1968 году он не представил ее краткое описание на одной конференции. Группа Жаботинского разработала первую математическую модель колебательных процессов, идущих в этой системе.

Даже сейчас ученые лишь в общих чертах представляют, что лежит в основе этой реакции: бром проходит через различные степени окисления, давая различные частицы, и реакции идут в том или ином направлении в зависимости от локальных концентраций реагентов и промежуточных продуктов. В системе всегда имеется другой реагент, который постепенно расходуется, поскольку данная реакция, разумеется, не нарушает законов термодинамики: как и положено, в определенный момент она скатывается вниз по энергетическому склону, просто этот путь у нее более «ухабистый», чем у большинства других химических процессов. Процесс включает в себя как минимум 18 стадий и 21 химическую частицу, так что полностью уяснить себе картину протекания реакции непросто: во всех подробностях этот механизм не выяснен до сих пор, хотя предложено уже несколько его возможных схем.

Сегодня известно немало реакций, принадлежащих к такому классу. В качестве катализатора в них могут использоваться, помимо ионов Ce³⁺, ионы марганца Mn²⁺, а также комплексы железа Fe²⁺ и рутения Ru²⁺. Органическими восстановителями служат не только лимонная кислота, но и яблочная, малоновая и т. п. Окислителями являются броматы, иодаты и некоторые другие соединения.

Сходство узоров, которые можно увидеть в ходе этой реакции, с узорами природными отнюдь не случайно. В 1952 году выдающийся британский математик и информатик Алан Тьюринг, хорошо известный благодаря решающей роли во взломе кодов немецкой шифровальной машины «Энигма» во время Второй мировой войны, разработал теорию возникновения таких биологических узоров (в частности, структур, построенных по принципу пчелиных сот), которая предсказывала существование процессов, подобных реакции Белоусова–Жаботинского. В частности, Тьюринг предположил, что такая периодичность строения — следствие периодического распределения какого-то вещества (морфогена), влияющего на рост клеток.

Сам Жаботинский в своей монографии выражал надежду, что изучение этих взаимодействий поможет «понять механизм ряда биологических периодических процессов», в том числе механизм действия разного рода «биологических часов». Он подчеркивает, что многие процессы, идущие в живой клетке, во многом сводятся именно к циклическим изменениям концентрации тех или иных веществ (как правило, эти процессы ускоряются благодаря воздействию разного рода катализаторов — в частности, ферментов). Сходные изменения происходят и на уровне клеточных сообществ (тогда речь идет уже о концентрациях самих клеток), и на уровне тканей (когда, скажем, речь идет о распространении спиральных волн в активных тканях сердца), и на уровне целых экосистем (тогда имеет смысл рассматривать изменение плотности распределения видов животных или растений на той или иной территории). Эта реакция, ставшая одной из самых знаменитых в современном естествознании, сегодня служит своего рода моделью самых разных химических, физических, биологических, математических систем, где протекают аналогичные «псевдохаотические» процессы.

Литература

Жаботинский А.М. Концентрационные колебания. М.: Наука, 1974. 179 с.

Boeing G. Visual analysis of nonlinear dynamical systems: Chaos, fractals, self-similarity and the limits of prediction // Systems. 2016. Vol. 4, № 4. P. 37.

Lister L. Classic chemistry demonstrations // The Roy. Soc. of Chem. London: Educ. Div., 1995. P. 3–4.

Ранее в рубрике «Медленное чтение» были представлены следующие книги, вошедшие в длинный список премии «Просветитель» 2020 года.

1. Вихрев Никита. Рассказы о двукрылых с обзором основных семейств отряда. — М.: Фитон XXI, 2019
2. Воскобойников Олег. Средневековье крупным планом. — М.: Бомбора, 2020.
3. Губайловский Владимир. Искусственный интеллект и мозг человека. — М.: Наука, 2019.
4. Долинин Александр. «Гибель Запада» и другие мемы: Из истории расхожих идей и словесных формул. — М.: Новое издательство, 2020.
5. Егоров Виталий. Люди на Луне: Главные ответы. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.
6. Кандаурова Ляля. Как слушать музыку. — М.: «Альпина Паблишер», 2020.
7. Космарский Артём. Третий рейх. 16 историй о жизни и смерти. — М.: Аванта, 2020.
8. Кукушкин Николай. Хлопок одной ладонью. Как неживая природа породила человеческий разум. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.
9. Лосева Полина. Против часовой стрелки. Что такое старение и как с ним бороться. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.
10. Никифорович Григорий. От оргазма до бессмертия. Записки драг-дизайнера. — Минск: Дискурс, 2019
11. Соколов Александр. Странная обезьяна. Куда делась шерсть и почему люди разного цвета. — М.: Альпина нон-фикшн
12. Пальцев Михаил, Кветной Игорь. Путешествие по миру медицины: от древних времён до наших дней. — СПб: Молодая мама, 2020.
13. Попов Сергей. Все формулы мира. — М.: Альпина нон-фикшн, 2019.
14. Радаев Вадим. Миллениалы. Как меняется российское общество. — М. Издательский дом Высшей школы экономики, 2020.
15. Ревзин Григорий. Как устроен город. — М.: Strelka Press, 2019.
16. Чупринин Сергей. Оттепель: События. Март 1953 — август 1968 года. — М.: Новое литературное обозрение, 2020.
17. Яблоков Илья. Русская культура заговора. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.