Реакция Белоусова-Жаботинского

В 1951 г. Б. П. Белоусов, изучая простую реакцию между броматом калия и лимонной кислотой в присутствии катализатора, обнаружил, что она идет не монотонно, как обычные реакции. Окраска реакционной смеси изменялась от исходной бесцветной до конечной желтой — и обратно! Белоусов наблюдал несколько десятков периодов колебаний. В открытие не сразу поверили, поскольку это была первая открытая реакция, которая в однородной смеси сама по себе идет в колебательном режиме.

Аналогично явлению Бенара, реакция Белоусова не стала фундаментальным химическим открытием, то есть таким, которое заставляет создавать новую теорию. А. М. Жабо­тин­ский показал, что колебательный режим реакции допускается обычными уравнениями химической кинетики, если хотя бы одна из промежуточных стадий реакции является авто­ка­та­ли­ти­чес­кой, то есть если какой-то из ее продуктов ее же ускоряет.

Значение открытия Белоусова-Жаботинского заключается в том, что оно продемонстрировало самоорганизацию в простейшей химической системе. Периодичность — один из видов упорядоченности. Спонтанные химические колебания — это упорядоченная структура, неоднородность, только развернутая не в пространстве, а во времени.

В 1970 г. Жаботинский и Заикин обнаружили, что в системе Белоусова-Жа­бо­тин­ского возможна не только временная, но и пространственная самоорганизация. Они отказались от традиционного перемешивания раствора и просто налили его тонким слоем в чашку Петри. Оказалось, что реакция не идет синхронно по всей чашке. Изменение окраски сначала происходит в какой-то одной точке — так называемом ведущем центре, от которого затем распространяется во все стороны. Форма линии раздела между областями, окрашенными по-разному, представляет собой фрагмент спирали. Формируется спиральная волна, вращающаяся вокруг ведущего центра со скоростью порядка одного оборота за несколько минут.

Тем временем в объеме раствора могут возникнуть еще несколько ведущих центров, вокруг каждого из которых формируется своя спиральная волна. Периоды разных ведущих центров несколько отличаются друг от друга. Благодаря этому наблюдается еще одно замечательное явление — синхронизация.

Дело в том, что при столкновении двух спиральных волн они не проходят друг сквозь друга, как обычные волны на поверхности жидкости, а взаимно аннигилируют (уни­ч­тожаются), причем аннигиляция в большей степени затрагивает более медленную из них. В результате фронт более быстрой спиральной волны постепенно продвигается в сторону ведущего центра, порождающего медленную волну, уничтожает его и устанавливает единую частоту колебаний во всем объеме (явление синхронизации).

Спиральные волны — распространенная форма самоорганизации в системах различной природы. Они наблюдаются, например, при образовании колоний коллективных микроорганизмов. Сложный характер сокращений сердечной мышцы обусловлен тем, что по ней безостановочно бежит спиральная волна возбуждения.