Белоусов Борис Павлович. Открытие периодических химических реакций

Борис Павлович Белоусов родился 7 (19) февраля 1893 года в Москве в многодетной семье банковского служащего. В 12 лет был арестован за революционную деятельность, эмигрировал с семьей в Швейцарию. В Цюрихе прослушал полный курс химии в университете, но не получил диплома из-за отсутствия средств. В 1914-м вернулся в Москву, работал в химической лаборатории завода Гужона (ныне завод «Серп и молот»). С 1923 года преподавал химию в Высшей военно-химической школе Рабоче-Крестьянской Красной Армии. С 1933 года — старший преподаватель Военной академии химической защиты им. С. К. Тимошенко. В 1938-м ушел в отставку, работал в закрытом медицинском институте, который покинул незадолго до смерти (12 июня 1970 года). Ленинскую премию за открытие периодических реакций получил посмертно спустя 10 лет.

Открытие Борисом Павловичем Белоусовым периодических реакций поставило точку в многолетних поисках повторяющихся режимов в химических процессах. В результате была подтверждена теория о том, что периодичность, то есть регулярное повторение чего-либо во времени или пространстве, — одно из глобальных природных явлений, которое лежит у истоков мироздания. Как часто бывает в науке, периодичность в химических процессах «искали» с большим скептицизмом, а найдя — признавали неохотно. БЖ-реакции (Белоусова — Жаботинского), как еще называют периодические реакции, — тому подтверждение. Открытие, которое входит в золотой фонд науки XX века, наглядно демонстрирует трудность восприятия очевидного. «Вы смотрите на стакан с красно-лиловой жидкостью, а он вдруг становится ярко-синим. А потом снова красно-лиловым. И снова синим. И вы невольно начинаете дышать в такт колебаниям. А когда жидкость налита тонким слоем, в ней распространяются волны изменения окраски . Образуются сложные узоры, круги, спирали, вихри, или все приобретает совершенно хаотический вид», — описывал в 1990-е годы колебательную химическую реакцию профессор Симон Эльевич Шноль, который сыграл значительную роль в спасении от забвения этого открытия.

Данные химические реакции характеризуются периодическим изменением некоторых параметров, например цвета раствора, концентрации компонентов, температуры и других. В большинстве случаев эти изменения можно легко наблюдать визуально. Первая периодическая реакция была открыта случайно, что не редкость в науке. В 1951 году Белоусов занимался разработкой способов борьбы с отравляющими веществами и созданием препаратов, снижающих воздействие радиации на организм, и в ходе исследований провел окисление лимонной кислоты броматом калия в присутствии катализатора сульфата церия. В процессе реакции обнаружились периодические изменения концентраций разных форм ионов церия. Заметить это было очень легко: цвет раствора изменялся от бесцветного (что обусловливалось ионами церия Ce3+) к желтому (за это отвечали ионы церия Ce4+), а затем — обратно. При добавлении индикатора ферроина эффект был еще более заметен. Так и была открыта всемирно известная колебательная реакция Белоусова — Жаботинского. Сообщение ученого о том, что были открыты периодические явления в химических системах, не вызвало отклика у научного сообщества, статью даже не опубликовали. Только спустя восемь лет появилась небольшая заметка в выходившем скромным тиражом сборнике научных работ, однако это не помешало ей впоследствии стать одной из самых цитируемых в данной области. Таким образом и произошло признание открытия, хотя и по стечению обстоятельств. В 1958 году на семинаре в Институте химической физики АН СССР молодой физик Шноль, рассказывая о биоритмах, выдвинул смелую гипотезу. Смысл ее заключался в том, что биологическими часами, которые, как известно, являются периодическим процессом, управляют химические реакции .

Для такой смелой идеи требовалось как минимум найти хотя бы реальный пример химических колебаний. Однако таких примеров в  аудитории не знал никто… кроме случайно попавшего на семинар аспиранта — двоюродного внука Бориса Павловича Белоусова, который открыл колебания в химических системах за семь лет до описываемых событий. С того времени периодические реакции постоянно находились под пристальным вниманием ученых. Химик Анатолий Маркович Жаботинский возглавил изучение механизма реакции Белоусова.

Группа под его руководством провела подробные исследования реакции и ее варианты, составила первую математическую модель, а также сделала ряд открытий. Одним из наиболее значимых было обнаружение так называемых волн концентраций, которые появляются в ходе периодической реакции, если реагирующую смесь нанести тонким слоем. Несмотря на огромную работу, проведенную исследователями, до сих пор не до конца ясен механизм повторяющихся реакций, так как количество промежуточных стадий в некоторых из них может достигать сотен. Попытка математически объяснить эти процессы привела к неожиданным результатам. Выяснилось, что модель данных явлений такая же, как и для описания экологических процессов, в частности периодического изменения численности жертв и хищников в экосистемах. Скорее всего, это совпадение неслучайно: оно характеризует общность фундаментальных законов природы. Если колебательные химические реакции описать в терминах «хищник» и «жертва», то можно представить следующую модель. Роль хищников (например, волков) в данном случае выполняют продукты промежуточных стадий (ингибиторы), которые замедляют или блокируют их. Роль жертв (например, зайцев) играют катализаторы, которые ускоряют ход реакции. Взаимодействие «волков» и «зайцев» в реакции идет по хорошо известной схеме: увеличение числа хищников ведет к уменьшению популяции жертв, и наоборот. Как известно, молекулы катализаторов и ингибиторов не расходуются в реакции, однако в данном случае соотношение их концентраций изменяется по схеме «хищник — жертва». Такая обратная связь обеспечивает существование периодических реакций. Энергией, которая служит «батарейкой» для повторяющейся реакции, является трава — пища для зайцев. Роль «травы», если брать первоначальный вариант БЖ-реакции, играл процесс окисления лимонной кислоты. После того как окисление проходило, периодическая реакция заканчивалась. Открытие повторяющихся реакций послужило катализатором развития многих разделов современной науки. В ходе фундаментальных исследований были обнаружены и поразительные аналогии — выяснилось, что в основе некоторых природных явлений (образования галактик, смерчей, циклонов) лежат сходные механизмы. Кроме научного такие реакции имеют и практический интерес — на их основе разрабатываются альтернативные средства обработки информации, изучаются особенности полимеризации.