Ритм вселенной. Как из хаоса возникает порядок - Стивен Строгац

Допустим теперь, что вы создадите две химические волны в двух разных точках чашки Петри. Голубые круги начнут шириться и приближаться друг к другу. Когда они столкнутся, они не начнут проникать друг в друга или складываться между собой: они взаимно уничтожатся. Это произойдет в силу той же самой причины, по которой горение сухой травы прекращается в результате запуска встречного огня: два пожара – один естественный, а другой искусственный – взаимно уничтожаются, поскольку по обе стороны огня не остается ничего, кроме золы, которая не может гореть. В использованной мною метафоре зола соответствует области истощения, «мертвой» зоне, образующейся позади волны. Химической среде требуется какое-то время для восстановления, прежде чем она снова сможет стать возбужденной.

Во многих отношениях эта химическая среда ведет себя подобно сексуальной реакции человека. Сексуальное возбуждение и возвращение к норме зависят от свойств нервной ткани, которая, подобно супу Жаботинского, принадлежит к общему классу систем, называемых возбудимыми средами. Нейрон может пребывать в трех состояниях: покой, возбуждение и резистентность (абсолютная невозбудимость).

Обычно нейрон пребывает в покое. При недостаточно сильном воздействии он демонстрирует слабую реакцию и возвращается в состояние покоя. Но при достаточно сильном воздействии нейрон возбуждается и приводится в действие. Затем нейрон становится резистентным (в течение какого-то времени его невозможно возбудить) и наконец возвращается в состояние покоя. Параллели с химическими волнами распространяются на потенциалы действия – электрические волны, которые движутся вдоль нервных аксонов. Они также перемещаются, не ослабляясь, а когда две такие волны сталкиваются между собой, они взаимно уничтожаются. Вообще говоря, все эти утверждения относятся в равной мере к электрическим волнам в другой возбудимой среде – сердце. В этом и заключается прелесть данной абстракции: качественные свойства одной возбудимой среды распространяются на все возбудимые среды. Все эти возбудимые среды можно изучать одним махом. Родственная схожесть между супом Жаботинского, нервной тканью и сердечной мышцей сохраняется вплоть до структуры математических уравнений, которые управляют их нелинейной динамикой, – весьма глубокая аналогия.

Однако суп Жаботинского обеспечивает ряд преимуществ, особенно важных для начинающего экспериментатора. Не требуется приносить в жертву животных. Не приходится иметь дело с анатомическими сложностями, наподобие запутанного клубка нейронных сетей или архитектуры сердечной мышцы со скрученными волокнами. Самое главное – эти волны можно наблюдать невооруженным глазом, причем движутся они довольно медленно, а потому отпадает необходимость использования сложного записывающего оборудования. Напротив, визуализация волн на сердце сопряжена с колоссальными техническими проблемами (по крайней мере на сегодняшний день) даже для лабораторий, располагающих внушительным бюджетом, поскольку для этого требуются потенциалочувствительные красители, многоэлектродные системы и прочие новейшие технологии.

С помощью супа Жаботинского ученые начали раскрывать тайны распространения волн в возбудимых средах. В частности, именно с помощью супа Жаботинского удалось открыть новый вид волн – вращающуюся самоподдерживающуюся волну, имеющую форму спирали. Хотя ее геометрия выглядит весьма элегантно, ее последствия носят деструктивный характер. Вращающиеся спиральные волны на сердце – это причина тахикардии и, в самом плохом случае, вентрикулярной фибрилляции, сопровождаемой внезапной смертью от сердечного приступа.

Открытие супа Жаботинского и его впечатляющих спиральных волн – это история догмы, разочарования и окончательного обоснования[210]. Разумеется, термин «суп Жаботинского» – это название, которым предпочитал пользоваться сам Уинфри. В наши дни суп Жаботинского называют «BZ-реакцией» в честь Белоусова и Жаботинского, российских ученых, которые, соответственно, изобрели и усовершенствовали его.

В начале 1950-х годов Борис Белоусов пытался воссоздать в пробирке модель цикла Кребса – метаболический процесс, который происходит в живых клетках. Когда он смешал лимонную кислоту и ионы бромата в растворе серной кислоты (в присутствии цериевого катализатора), он, к немалому своему удивлению, наблюдал, как эта смесь сначала пожелтела, затем, примерно через минуту, стала бесцветной, затем, еще через минуту, снова стала желтой, затем снова бесцветной и т. д. Эти осцилляции повторились несколько десятков раз, пока наконец (примерно через час) не было достигнуто состояние равновесия.

Сегодня уже никого не удивляет тот факт, что химические реакции могут самопроизвольно осциллировать; такие реакции стали стандартной демонстрацией на лекциях по химии. Но во времена, когда Белоусов сделал свое открытие, самопроизвольная осцилляция химических реакций оказалась такой неожиданностью, что в ее возможность отказывались верить. В то время считалось, что, вследствие действия законов термодинамики, все растворы химических реагентов должны монотонно продвигаться к состоянию равновесия. Научные журналы один за другим отмахивались от статьи Белоусова. В письме с отказом опубликовать статью Белоусова один из редакторов даже не удержался от ехидного высказывания в адрес автора, который «вполне возможно, открыл открытие».

Удрученный таким отношением к своему открытию, Белоусов решил никогда не упоминать о нем в разговорах со своими коллегами. Все же он опубликовал краткое резюме своей статьи в материалах одной из медицинских конференций Советского Союза. Впрочем, поначалу никто в научном мире не обратил внимания на эту публикацию. Тем не менее в конце 1950-х годов слухи о его открытии упорно циркулировали среди московских химиков, а в 1961 г. научный руководитель аспиранта, которого звали Анатолий Жаботинский, посоветовал ему ознакомиться с этой статьей. Жаботинский подтвердил, что в эксперименте, поставленном Белоусовым, нет никакой ошибки и что дело обстоит именно так, как изложено в резюме к его статье. Более того, Жаботинский ознакомил с работой Белоусова участников международной конференции, состоявшейся в Праге в 1968 г. и оказавшейся одной из тех редких возможностей, когда западные и советские ученые имели шанс непосредственно пообщаться друг с другом. В то время ученые проявляли повышенный интерес к биологическим и биохимическим осцилляциям, а BZ-реакция рассматривалась как весьма перспективная модель для изучения более сложных систем.

Аналогия с биологией оказалась на удивление тесной. В начале 1970 г. Альберт Николаевич Заикин и Жаботинский обнаружили распространяющиеся волны возбуждения в тонких, невзболтанных слоях BZ-реакции. Эти волны напоминали концентрические окружности; при столкновении такие волны взаимно гасились, водобно электрическим волнам в нейронной или сердечной ткани. Казалось даже, что они возникают из чего-то похожего на задатчики ритма, разбросанные в произвольном порядке точки, которые самопроизвольно порождали волны.

Изучив эту работу, Уинфри отправил Жаботинскому (с которым он познакомился на пражской конференции двумя годами ранее) письмо, чтобы выяснить, встречались ли ему какие-либо другие картины волн, помимо концентрических колец. В своих собственных лабораторных экспериментах с некоторыми видами плесени Уинфри наблюдал спиральные волны[211], но это была гораздо более сложная система, состоящая из живых организмов, которым были присущи циркадные циклы. Уинфри хотел выяснить, наблюдались ли спирали в гораздо более простой химической системе Жаботинского. Он сомневался в этом, исходя из ряда математических соображений; он полагал, что мог бы доказать, что волны должны иметь форму именно замкнутых колец. Однако ответа от Жаботинского ждать пришлось очень долго. Почта из Советского Союза, особенно переписка между учеными, в то время шла очень долго (наверное, службы безопасности с обеих сторон усердно занимались перлюстрацией). Вынужденная приостановка работы выводила Уинфри из терпения. Он самостоятельно состряпал какое-то подобие рецепта, которым пользовались Заикин и Жаботинский, и рецепт, придуманный Уинфри, оказался удачным: спирали появлялись повсюду. Уинфри не знал об этом, но Жаботинский тоже наблюдал эти волны в 1970 г. при подготовке своей диссертации, а Валентин Кринский из г. Пушкино полагал, что такие волны должны возникать в любой возбудимой среде, в том числе и в сердечной мышце. В настоящее время является общепризнанным фактом то, что спиральные волны присущи всем химическим, биологическим и физическим возбудимым средам.