ЗМІСТ
ЗМІСТ
ВСТУП
ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ РЕАКЦІЇ
ЗНАЧЕННЯ РЕАКЦІЇ БІЛОУСОВА
ВИСНОВОК
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
ВСТУП
Автоколивальні реакція Бєлоусова-Жаботинського дуже широко відома не тільки в науковому світі. Її знають як школярі і студенти, так і просто допитливі люди. Стакан з червоно-ліловою рідиною раптом стає яскраво-синім, а потім знову червоно-ліловим. І знову синім. А коли рідина налита тонким шаром, у ній поширюються хвилі зміни забарвлення. Утворюються складні візерунки, кола, спіралі, вихори, або все набуває зовсім хаотичний вид.
Ця реакція відома вже більше 40 років. Її відкрив в 1951 році Борис Павлович Білоусов [1,2].
Анатолію Марковичу Жаботинському належить вирішальний внесок у вивчення цієї реакції, в те, що це чудове явище стало загальнонаукових надбанням [3]. Реакція іменується почесним чином двома ініціалами: BZ-reaction (Belousov - Zhabotinsky).
Відкриття Б.П. Білоусова практично завершило майже 150-річний пошук коливальних режимів у хімічних процесах. Періодичні процеси взагалі-одна з основ для побудови теорій в самих різних галузях. Періодичність-регулярне повторення чогось у часі і (або) у просторі переконує нас в пізнаваності світу, в причинному обумовленості явищ. По суті, періодичність основа світогляду детермінізму. Розуміння її природи дозволяє передбачати події, скажімо, затемнення або поява комет. А такі передбачення головний доказ сили науки.
Історія реакції Білоусова-Жаботинського - яскрава ілюстрація старої загадки: що було раніше курка чи яйце? Що первинне: феномен, що вимагає теоретичного пояснення, або теорія, пророкує появу невідомого раніше феномена? Насправді, це "порочне коло". Ми помічаємо і оголошуємо феноменом лише те, що розуміємо, для чого вже існує теорія. Але для побудови теорії повинен бути "замовлення" - наявність непоясненого феномена.
Розрив цього порочного кола вимагає величезних інтелектуальних і моральних зусиль дослідника першопрохідника. Інерція "здорового глузду" причина безлічі трагічних доль, сумною "традицією посмертної слави", коли чудові відкриття виявляються передчасними, не визнаними за життя їх авторів.
Відкриття Білоусова в цьому ряду. Воно наочно демонструє цю трудність сприйняття "очевидності", того, що в буквальному сенсі слова видно очам і, тим не менш, не бачиться оточуючими.
ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ РЕАКЦІЇ
Стара Москва, кінець минулого століття. Сім'я банківського службовця: батько, Павло Миколайович, і мати, Наталя Дмитрівна, виховують шістьох синів. Старший, Олександр, 17 років, вже революціонер. Плани захоплюючі: підривати, стріляти, переховуватися. Він просякнутий Марксом і наполегливо його вивчає.
Саша Бєлоусов, натхненний ідеєю світової справедливості, знайшов прекрасну аудиторію у своїх братів, всіх втягнув у революційну роботу, у тому числі і 12-річного Бориса. А революційна робота, очевидно, була пов'язана з хімією. Хімія - найкраща наука для повалення існуючого ладу вчить робити бомби. Лабораторію спорудили прямо на горищі московського будинку на Малій Поляні. Брати були захоплені по-справжньому. Робити бомби в 12 років це ж насолода! Та ще випробовувати їх! І щоб не знала мама!
У 1905 році, під час 1-ї російської революції, Саша Бєлоусов, пов'язаний з верхівкою більшовицької фракції, очолив бригаду бойовиків. Коли революція була задавлена, Олександру вдалося сховатися. Він був заарештований через рік, але зумів втекти із сибірського заслання.
Матері незабаром запропонували: або всіх зійшли до Сибіру, або відправляйтеся в еміграцію. Природно, вона віддала перевагу Швейцарії. Виїхали до більшовицької колонію, адже брат був більшовиком. Борис опинився в оточенні більшовиків там, де "у важких умовах еміграції" вони готували те, що потім влаштували.
Олександр Павлович став економістом. Під час війни він завершував роботу над книгою з економіки, залишаючись в Ленінграді. І помер в блокаду, а книга його загинула.
У Цюріху Борису треба було платити за навчання. Була інша можливість навчатися безкоштовно, але без диплома, з довідкою про прослухані курси. Не збереглося ніяких документальних підтверджень, але, як я зрозумів, у цей час його головне захоплення, як і раніше, хімія. Коли почалася світова війна, він приїхав до Росії добровільно призиватися до армії. Але його не взяли - не вистачило ваги.
Залишалася хімія. Зараз кажуть, в Росії було три великих хіміка: Ломоносов, Менделєєв і Іпатов. Іпатов, творець теоретичних основ промислової хімії, у 30-му році, передбачаючи арешт, зумів виїхати за кордон і оселився в США. У Америці йому присвячені праці, симпозіуми тощо У Росії ж його майже не знають. Бєлоусов поступив на роботу в хімічну лабораторію металургійного заводу Гужон (за радянських часів завод "Серп і Молот"), ідейно керованої Іпатьєву. Вступити до Іпатьєву в лабораторію означало зайнятися військової хімією. Борис Павлович удосконалив там свою освіту і став справжнім військовим хіміком.
Ще до революції він розробляв способи боротьби з отруйними речовинами, думав над особливими складами для протигазів. Після революції став військовим, з 23-го року за рекомендацією академіка П. П. Лазарєва викладав хімію командирам Червоної Армії у Вищій Військово-хімічної школі РККА, читає курс лекцій з загальної та спеціальної хімії в школі Удосконалення командного складу РСЧА, а в 1933 році стає старшим викладачем Військово-хімічної академії імені К.Є. Ворошилова. Однак основний зміст його життя - наукові дослідження. Він автор багатьох наукових праць. Але в силу їх специфіки жодного рядка праць Білоусова, навіть їх короткого викладу, ніколи і ніде не було опубліковано. Все йшло у вигляді закритих інструкцій, наказів з грифом "цілком таємно". У секретному відкликання академіка Олександра Миколайовича Теренін зазначається, що: "... Б. П. Бєлоусовим розпочато совершеннно новий напрямок газового аналізу, що полягає у зміні кольору плівкових гелів при сорбції ними активних газів. Завдання полягало у створенні специфічних і універсальних індикаторів на шкідливі газоподібні сполуки, з виявленням їх у винятково малих концентраціях. Це завдання було блискуче виконано ... був розроблений ряд оптичних приладів, що дозволяють автоматично або напівавтоматично виробляти якісний аналіз повітря на шкідливі гази ... У цій групі робіт Б. П. Бєлоусов проявив себе як вчений, по-новому ставить проблему і вирішальний її цілком оригінальним шляхом. Крім цих досліджень, Б. П. Бєлоусову належить ряд настільки ж оригінальних і цікавих наукових робіт, які не залишають сумніву в тому, що він безумовно заслуговує присудження йому ступеня доктора хімічних наук без захисту дисертації ".
Його зробили в комбриг високе для хіміка військове звання, еквівалентну званню генерал-майора. У період масових репресій 1937-38-го років були арештовані і вбиті дуже багато кадрові військові у званнях від майора і вище, загинуло багато товариші по службі і друзі Білоусова. Його не заарештували, може бути, тому, що ще в 35-му він пішов з армії в довгострокову відпустку, а після 1938 р. у відставку?
Борис Павлович став працювати в секретному медичному інституті, де займалися, в основному, токсикологією. Спочатку був завідувачем лабораторією. Потім схаменулися, що немає університетського диплома, і перевели на посаду старшого лаборанта, не звільнивши від обов'язків завідуючого лабораторією. За багатьма якостями він залишався військовою людиною. Дратувала нове середовище, складні взаємини, з емоціями, почуттями, образами. Характер у нього завжди був непростий, а з роками став дуже складний.
Директор інституту, проте, розумів, з ким має справу. Зараз цього не збагнути, але тоді всі головні, і не дуже головні, папери мали підпис Сталіна. Синім товстим олівцем. На це ж ім'я було написано лист про те, що в секретному нашій установі працює заслужена людина, зарплата у нього низька, як у старшого лаборанта, оскільки не має диплома про вищу освіту, а насправді він завідує лабораторією. На цьому листі Сталін написав: "Платити, як завідувачу лабораторією, доктору наук, поки займає посаду". Толстим синім олівцем. Недруги примовкли: сам Сталін велить платити. Тривало це, правда, недовго, Сталін невдовзі помер. У ці роки головною стала променева проблема, протипроменевих кошти. У Білоусова були чудові відкриття в області протипроменевих препаратів.
У цей час в біохімії були відкриті циклічні реакції: одна речовина перетворюється в друге, друге в третє, третє в четверте, потім в п'яте, а з нього утворюється знову перше. Борис Павлович подумав, що це чудова річ і треба її досліджувати, що добре б зробити хімічну аналогію біохімічних циклів.
Ось тут-то і починається "хімія дитинства". Це тільки "живий" хімік може відразу придумати. Згадати, що в 1905 році він брав бертоллетову сіль, що її аналог KBrO3: там хлор, а тут бром. Можна влаштувати реакцію, в якій вихідний компонент циклу Кребса лимонна кислота буде окислюватися цим аналогом бертоллетовой солі. Бром пофарбований, тому він буде видно, коли виділиться під час реакції. Це була удача.
Щоб прискорити реакцію, Борис Павлович додав в розчин каталітичні кількості солі церію. Церій елемент змінної валентності, він каталізує окислення, переходячи з чотирьох в тривалентне стан. У розчині, у досить концентрованої сірчаної кислоти, спочатку дійсно з'явилася жовте забарвлення, але потім чомусь зникла і раптом виникла знову, а потім знову зникла ... Так була відкрита коливальна хімічна реакція в розчині. (А жовтий колір, як пізніше показав Жаботинський, не від брому, а від церію).
ЗНАЧЕННЯ РЕАКЦІЇ БІЛОУСОВА
Чи справді Б. П. Бєлоусов першим відкрив хімічні коливальні реакції? Лауреат Нобелівської премії І. Пригожин вважає роботу Бориса Павловича науковим подвигом ХХ століття. Деяким же авторам популярність BZ-reaction здається несправедливою, а роль Білоусова перебільшеною.
Всі спостерігалися до цього випадки коливань в хімічних реакціях можна було пояснити просторовими ефектами, наприклад, перепадом температури на стінках колби або дифузійними обмеженнями швидкостей реакції.
Але головною перешкодою було ... знання рівноважної термодинаміки. Не міг освічена людина уявити собі в хаотичному тепловому русі величезного числа молекул макроскопічну упорядкованість, всі молекули то в одному, то в іншому стані! Ніби визнати існування вічного двигуна. Цього бути не може. І справді не може цього бути. Не може бути поблизу стану рівноваги, а тільки його й розглядала термодинаміка тих років. Однак ніяких обмежень на складні, у тому числі коливальні, режими немає для нерівноважних хімічних систем, коли реакції ще не завершилися, і концентрації реагентів не досягли рівноважного рівня. Але ця обставина вислизало від уваги хіміків.
Всім ясно, термодинаміка не просто розділ фізики. Тріумф рівноважної термодинаміки, створеної гігантами Карно, Майєром, Гельмгольцем, Больцманом, Планком, Гіббсом, Нернстом, визначив світогляд кількох поколінь дослідників.
Знадобилося надзвичайний інтелектуальна напруга, щоб вирватися з "залізних кайданів повного знання" і досліджувати поведінку систем далеко від рівноваги, щоб створити термодинаміку нерівноважних процесів. У цьому життєвий подвиг Онсагера і Пригожина. До цього часу вже існувала загальна доказ можливості коливань в однорідному, гомогенної системи, коли просторові неоднорідності несуттєві. У 1910 році А. Лотка придумав систему рівнянь, що описує коливання концентрацій реагентів в системі повного перемішування, де можливий автокаталіз. У цій першій моделі Лотки коливання були загасаючими. Через 10 років він запропонував систему з двома послідовними автокаталітіческій реакціями і в цій моделі коливання вже могли бути незатухающими. Значить, коливання в гомогенному розчині в принципі можливі. Склалася характерна для життя нового знання ситуація: є сувора теорія Лотки-Вольтерри (коливання в гомогенних хімічних системах можливі), і є загальна думка, що вони неможливі, оскільки суперечать основам науки. Ось чому експериментальне, безперечний доказ існування коливальних режимів в гомогенних розчинах, в системах повного перемішування набуло такого великого значення. Тут слід зазначити корінне розходження позицій фізиків і хіміків. Одне з найбільш яскравих досягнень фізики і математики XX-го століття створення теорії коливань. Великі, загальновизнані заслуги належать тут радянським фізикам школі академіка Л. І. Мандельштама. У 28-му році аспірант Мандельштама А.А. Андронов виступив на з'їзді російських фізиків з доповіддю "Граничні цикли Пуанкаре і теорія автоколивань". Він не сумнівався в можливості хімічних реакцій коливальних і був ініціатором спрямованого пошуку таких реакцій в експерименті.
На початку 30-х років в Інституті хімічної фізики Академії наук були виявлені коливання світіння в "холодних пламенах", аналогічні коливальної люмінесценції парів фосфору, які зацікавили чудового фізика Д.А. Франк-Каменецького. У 1939-му він пояснив ці коливання на підставі кінетичної моделі Лотки 20-го року. У 1941-му в статті в журналі "Успіхи хімії" він спеціально розглянув можливість коливальних режимів в гомогенних хімічних системах, хоча "холодні пламена", строго кажучи, не можна віднести до гомогенним хімічним реакціям. Причини ті ж: перепади температури і просторові градієнти концентрації.
Механізмом коливань в цій складній системі разом з Франк-Каменецьким зайнявся вихованець Андронівська школи І. Є. Сальников, і в 1947-м представив до Інституту хімічної фізики дисертацію, яка називалася "До теорії періодичного протікання гомогенних хімічних реакцій". Але дисертацію відкинули! Хто був найбільш непримиренним зберігачем непорушних істин, найбільш освіченою людиною в аудиторії? Невідомо. Спрацювала "інерція попереднього знання". Бар'єр "здорового глузду" хіміків подолана не був.
Сальников успішно захистив цю дисертацію в наступному році в Горькому в інституті Фізики, керованому А. А. Андроновим.
У 1951 році генерал Бєлоусов послав статтю про відкриту їм коливальної реакції в "Журнал загальної хімії" [1,2]. І отримав образливу негативну рецензію: "такого бути не може". У статті був описаний легко відтворений процес. Всі реактиви цілком доступні. Але якщо ви твердо переконані в неможливості результату, то перевіряти його марна трата часу. Онук Бориса Павловича, Борис Смирнов, умовляв діда: "Візьми реактиви, їдь до редакції покажи їм ..." Генерал вважав все це образливим, не відповідає нормам наукової етики, і не поїхав.
А Бєлоусов продовжував вивчати свою чудову реакцію. Коливання - жовтий-безбарвний були не дуже яскраві. Учень і співробітник Бориса Павловича А. П. Сафронов порадив йому додати в розчин комплекс заліза з фенантроліном. Забарвлення різко змінилася. Лілово-червона переходила в яскраво-синю. Це було чудово.
Чудовою особливістю робіт Жаботинського і утворилася навколо нього групи співробітників було поєднання хімічного експерименту, методів фізичної реєстрації та побудова математичних моделей. У цих моделях системах диференціальних рівнянь кінетичні константи підставлялися з експериментальних даних. Після цього можна було порівнювати експериментальні записи коливань з кривими, які виходили при комп'ютерному моделюванні.
Комп'ютери тоді були громіздкі і незручні, дані вводилися на перфострічках або перфокартах. Але це не охолоджувало ентузіазму.
До 1963 року основний якісний етап вивчення реакції Білоусова був завершений. Аспіранту Жаботинському потрібно було написати статтю. І він написав чудову першу статтю [3]. Виник природне запитання про авторів.
Стаття вийшла за підписом одного Жаботинського. Стаття справила такий несподіваний ефект, що захоплене людство назвало реакцію іменами Бєлоусова та Жаботинського.
"Наукове співтовариство" поступово переймалося свідомістю, що коливальні режими не тільки можливі, але навіть обов'язкові і досить поширені в хімії і біохімії. Особливо хотілося їх знайти в біохімії, щоб ними пояснити феномен біологічних годин.
З обгрунтуванням високу ймовірність коливальних біохімічних реакцій з точки зору теорії коливань на семінарі у Фізичному інституті АН СРСР в 59-му році виступив аспірант І. Є. Тамма Д. С. Чернавський. Тепер вже виникла ситуація, коли теорія, розуміння, випереджали феноменологію. Очікувалося відкриття коливань в біохімічних системах.
Восени 1964 року вийшла стаття Чанса про коливальної кінетиці фосфофруктозокіназной реакції. У біохімії почався бум досліджень коливальних режимів. З року в рік зростало число таких публікацій.
У 1966 році, в березні, був скликаний перший Всесоюзний симпозіум по коливальних процесів у хімії і біохімії. Це абсолютно історична подія в науці. Тому що коливальні процеси в біології: біологічні годинники, всякі процеси типу серцевої діяльності, перистальтики кишечника і навіть чисельність популяцій все це одні і ті ж диференціальні рівняння. Фізики знаходили це одним з головних досягнень нашого Пущинської центру та Інституту біофізики. Активну участь в роботі симпозіуму брав Д.А.Франк-Каменецький, робили доповіді І. Є. Сальников та Б. В. Вольтер, блищав Д. С. Чернавський і його колеги Ю. М. Романовський і Н. В. Степанова, представив свої перші роботи Е. Е. Сельков. Центральне місце займали доповіді А. М. Жаботинського і його співавторів М. Д. Корзухіна, В. А. Вавіліна. Борис Павлович Білоусов від участі в симпозіумі відмовився.
Уже в січні 1967-го вийшла книга "Коливальні процеси в хімічних і біологічних системах" [5].
Задовго до симпозіуму відбулася ще одна знаменна подія. Про реакцію Білоусова захотів дізнатися детальніше президент Академії наук СРСР Мстислав Всеволодович Келдиш. Він був відомий як людина зовсім особливих швидкостей сприйняття, феноменальною ерудиції. Зосереджений, похмурий, обличчя в таких левових зморшках.
Жаботинський коротко виклав суть: Келдиш шаленів, говорили довго. У склянці пішли коливання, ми думали, що Келдишу цього достатньо, але він зло подивився на склянку і сказав: "Ви від мене приховуєте найголовніше?" А найголовнішим були кольорові хвилі, які починалися у дна і йшли вгору. Келдиш був спеціалістом з просторовим ефектів коливань. Жаботинський просторові хвилі, звичайно, помітив, але ще цього не розібрався і вирішив не розповідати про них Келдишу. Але не тут-то було! Президент жахливо розсердився, порахувавши, що йому просто не хочуть розповідати ... Репліка була надзвичайної важливості. А потім ми дізналися, що це бачив і Білоусов. Навіть назвав колбу "зеброю". І вважав це найважливішим.
Після симпозіуму Жаботинський зосередився на дослідженні поширення хвиль. Роботу дуже ускладнювала мала оптична щільність розчину. В цей час до гурту приєднався А.Н. Заїкін, і вони вирішили використовувати телевізійну установку, здатну накопичувати слабкий сигнал за рахунок багаторазового сканування. Дістати промислову телевізійну установку не вдавалося. Робота застопорилася. І ніхто не згадав про залізо-фенантролиновую комплексі.
Просторові ефекти, поширення хвиль в активному середовищі відкрили нові чудові можливості і аналогії. Подібним же чином поширюється збудження в нерві, в серцевому сінцітіі, взагалі в "активних середовищах". BZ-реакція "вийшла на оперативний простір", увійшла в підручники і стала одним з яскравих об'єктів нової науки синергетики.
ВИСНОВОК
Отже, перебільшено Чи має значення відкритої Бєлоусовим реакції? Анітрохи. Справедлива його посмертна слава? Без сумніву. І вона анітрохи не применшує заслуг безлічі дослідників, протягом майже трьох століть вивчали ці проблеми.
Залишилося сказати, що поки людство дізнавалося про Бориса Павловича Білоусова, його вигнали з інституту ... "Оскільки він старий і часто хворіє". Він, справді, був старий, але його творча активність залишалася дуже високою. Він не виніс життя без лабораторії і помер 12 червня 1970 року.
Коли Жаботинський в 74-му захищав докторську дисертацію [6], його опонент, велика людина, академік Рем Вікторович Хохлов сказав: "За аналогією з автоколиваннями процес поширення хвиль в активному середовищі можна назвати автоволнових". Термін Хохлова прижився. Ця нова частина науки, присвячена, в основному, просторовим ефектів, з'єдналася з дослідженнями розповсюдження хвиль збудження в серці і взагалі в "активних середовищах" Крінского-Іваницького. Утворилася тісно взаємодіє команда: Жаботинський, Крінскій, Іваницький, Заїкін. І ця четвірка рухала справа далі.
Виникла ідея про Ленінської премії. У списку претендентів не було Білоусова. Але Ленінські премії, на відміну від Нобелівських, давали і посмертно. Борису Павловичу присудили Ленінську премію посмертно. Це було в 1980 році, через десять років після його смерті.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
Бєлоусов Б.П., "Періодично діюча реакція і її механізм" в Збірнику рефератів з радіаційної медицини за 1958 рік. - М. Медгиз, 1959, стор 145-147.
Бєлоусов Б.П., "Періодично діюча реакція і її механізм" в СБ «Автоволнових процеси в системах з дифузією» СБ науч. тр. Під ред. М. Т. Гріховний. Горький. Держ. Ун - т, Горький, 1981. стор 176-186.
Жаботинський А.М. «Періодичний хід окислення малонової кислоти в розчині (дослідження кінетики реакції Білоусова)», Біофізика, 1964, т.9 стор 306-311.
"Коливальні процеси в біологічних і хімічних системах". Праці Всесоюзного Симпозіуму з коливальним процесам в біологічних і хімічних системах. Пущино-на-Оке, 21-26 березня 1966 Изд. Наука, М. 1967
Жаботинський А.М, «Концентраційні автоколивання» М. Наука, 1974, 178 стор.22.
Anatol M. Zhabotinsky. A history of chemical oscillations and waves, CHAOS 1 (4), 1991, 379-385
Сальников І.Є., "Біля витоків теорії хімічних автоколивань", в сб. "Динаміка систем. Динаміка і оптимізація ". Міжвузівський збірник наукових праць. Нижній Новгород, 1992
Вольтер Б.В. "Легенда і бувальщина про хімічні коливаннях", Знання-Сила, 1988, № 4, стор 33-37.
Шноль С.Е., В. А. Коломбет, Н. В. Удальцова, В. А. Наміот, Н. Б. Бодрова "Про закономірності в дискретних розподілах результатів вимірювань. (Космофізичних аспекти)" Біофізика, 1992р., Том 34 , вип.3, С.467-488.