БИОФИЗИКА, 2009, том 54, вып.6, с. 1144-1150
ХРОНИКА =
УДК 541.128.7+579.26
ОТ ПЕР ИОДИЧЕСКОЙ ХИМИЧЕСКОЙ Р ЕАКЦИИ К ДИНАМИКЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ СООБЩЕСТВ
© 2009 г. В.А. Вавилин
Институт водных проблем РАН, 119333, Москва, ул. Губкина, 3 Поступила в р едакцию 01.12.08 г.
Памяти А .М. Жаботинского
П р едставлен анализ пер вых работ А.М. Жаботинского. П р оведено сравнение периодических химических р еакций - Белоусова-Жаботинского и Б р ея-Либавского. Показано, что современный анализ поведения сообщества микроорганизмов, разлагающего органическое вещество, включает тр адиционные измер ения химических компонентов, молекуляр но-биологические методы и математическое моделирование. Предложено уравнение, описывающее аккумуляцию изотопа в продуктах реакции и микробной клетке.
Ключевые слова: реакции Белоусова-Жаботинского и Брея-Либавского, деструкция органического вещества, сообщество микроорганизмов, математическое моделирование, аккумуляция изотопа в микробной клетке.
С Толей (Анатолием Марковичем) Жабо-тинским я познакомился на кафедре биофизики Физического факультета МГУ в 1963 г. В то время Жаботинский был аспирантом и сразу поразил меня глубокой научной эрудицией. Это и предопределило, что он стал р уководителем моей дипломной работы. Разница в возрасте была небольшой, и поэтому я всегда называл его Толей. Это не мешало мне относиться к нему с большим научным почтением.
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ХИМИЧЕС КАЯ РЕАКЦИЯ Б РЕЯ-ЛИБАВСКОГО
В 1964 г. А.М. Жаботинским были опубликованы две первые работы в российских академических журналах [1-2], посвященные колебательной химической реакции каталитического окисления лимонной кислоты броматом калия, открытой Б.П. Белоусовым [3]. К этому времени уже была известна и другая жидко-фазная периодическая реакция Брея [4] - разложение перекиси водорода иодатом калия, где было обнаружено периодическое выделение кислорода. Всего было зафиксировано лишь несколько периодов сильно затухающих колебаний. Представлялось интересным сравнить механизм реакций Белоусова и Б рея. В моей дипломной работе Жаботинским была поставлена задача обнаружить колебания в системе Б рея с помощью непрерывной спектрофотометриче-ской регистрации концентрации иода. В какой-
то мере он проверял, смогу ли я самостоятельно сделать это.
Лишь через полгода безуспешных попыток мы зарегистрировали такие устойчивые колебания при относительно высокой температуре (60°С). Они происходили синхронно с колебаниями скорости выхода кислорода из системы и окислительно-восстановительного потенциала. Сейчас можно сказать, что нам сопутствовала удача: слишком узкой была в этой системе область существования колебаний и гораздо вероятнее - ее монотонное поведение. Было показано, что увеличение интенсивности освещения (видимая область спектра) приводит к уменьшению периода и амплитуды колебаний.
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ХИМИЧЕС КАЯ РЕАКЦИЯ БЕЛОУСОВА-ЖАБОТИНСКОГО
Между двумя гомогенными периодическими реакциями Брея и Белоусова сразу же возникла своего рода «конкуренция». В частности, какое-то время Жаботинский вообще высказывал сомнение в гомогенном характере реакции Брея, а я приводил аргументы в пользу гомогенности. Только после подтверждения моей научной состоятельности, уже будучи стажером-исследователем Института биофизики РАН, я стал проводить эксперименты, позволяющие сравнить механизмы реакций Белоусова и Брея. В первую очередь, были определены области существования колебаний в пространстве концентраций реагентов и изучены типичные колебательные
Рис. 1. А. М. Жаботинский (слева), выступающий на пер вом в сесоюзном симпозиуме «Колебательные пр оцессы в биологических и химических системах». За столом - Д. А. Франк-Каменецкий.
р ежимы в закр ытой системе, в котор ой после расходования реагентов колебания затухали. Оказалось, что в р еакции Белоусова диапазон начальны х концентр аций реагентов, в котор ом пр оисходят колебания, со ставляет два-тр и пор ядка, но для р еакции Б р ея он менее одного. В дальнейшем, легкое во спр оизведение резуль -татов и красивые визуальные эффекты нашли у реакции Белоусова больше приверженцев, и она получила широкую известность (реакция Белоусова стала называться реакцией Белоусо -ва-Жаботинского, а реакция Брея - реакцией Б р ея-Либавского).
В марте 1966 г. со стоялся Пер вый всесоюзный симпозиум «Колебательные пр оцессы в биологических и химических системах» (рис. 1), в трудах которого появилось сразу шесть статей А .М. Жаботинского с соавтор ами [5-10]. Сам процесс написания моих первых научных статей совместно с А.М. Жаботинским стал хорошей школой, когда лаконичность и четкость изложения, не говоря уже о новых научных результатах, были обязательны. После пр очтения статьи Б р ея, опубликованной в 1921 г., мне казалось, что это было так давно. Сейчас, наверное, новое поколение исследователей думает также о наших первых работах, появившихся в 60-е годы.
В системе Белоусова в ходе колебаний реакция окисления цер ия (Се3+) бр оматом калия (стадия I) чер едуется с р еакцией его восстановления (Се4+) малоновой кислотой (стадия II). Пер еклю -чателем, обеспечивающим смену реакций [11], служит концентр ация бр омид-иона (Бг-) (р ис. 2). И сследование кинетики и стехиометр ии ключевой автокаталитической стадии I позволили
[Се4+] вг
I
Р ис. 2. Автоколебания концентр ации цер ия и пр и-нудительная смена стадий I и II.
создать первую кинетическую схему реакции, в котор ой пер иод индукции (лаг-фаза) в зна -чительной мере зависит от равновесной концентр ации Бг- - сильного ингибитор а стадии I [12-13]. Источником Бг- служат бромпроиз-водные малоновой кислоты. Стадия II индуцирует р азложение бр омпр оизводных малоновой и уксусной кислот с выделением Бг- [14]. Фактически, схема химических реакций стадии I, впервые предложенная нами, была использована в полном механизме реакции Белоусова, известном сейчас как схема ФКН (Филдса-Фе-р еша-Нойеса), в котор ой ключевую р оль играют взаимоотношения активатор-ингибитор, влияющие на чередование реакций окисления и восстановления катализатор а - ионов металла . Системы активатор-ингибитор открыты и для других периодических химических реакций [15].
В пр оточном р еакто р е непр ер ывного пер е-мешивания были получены незатухающие колебания, что позволило изучать тонкие стороны механизма автоколебаний, в частности зависимость пер иода и амплитуды колебаний от интенсивно сти ультрафиолетового излучения. В таком р еактор е был зар егистр ир ован и режим пр ер ывистой генер ации [16]. А .М. Жаботинский р евно стно относился к до стовер но сти и воспроизводимости получаемых результатов, так же как и надлежащем их офор млении. Так уж случилось, что чемодан с километрами лент самописца был непонятным обр азом утерян. X отя обр аботанные р езультаты и о стались в р абочем жур нале, по настоянию Жаботинского, мне пр ишлось вновь повтор ять часть экспер и-ментов. Лишь спустя годы я согласился с таким непростым в то время для меня решением. Любой научный результат должен быть надлежащим обр азом документир ован.
Рис. 3. На фотографии А. М. Жаботинский (справа) и автор.
П РОСТРАНСТВЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ
В пер вых своих р аботах А.М. Жаботинский для наблюдения химических волн начал применять в качестве реакционного сосуда трубку (одномерный реактор), используя церий как катализатор. Мы заменили церий катализатор ами типа ферроина [17], что позволило изучать поведение периодической реакции в тонком слое раствор а (чашке Петри). Движение волны возбуждения в реакции Белоусова-Жаботинского сопровождается достаточно медленными (мм/мин) локальными изменениями цвета раствор а - от красного к синему и наоборот. До исчерпания химических реагентов (бромата, малоновой кислоты) в чашке Петри может пройти до 100 отдельных автоволн. Перенос возбуждения от одного элемента среды к другому обусловлен диффузией реагентов. В распределенной системе возбуждение (автокаталитическая стадия I) подавляется выделяющимся ингибитором Бг-. Спустя некотор ое время после уменьшения концентрации Бг-, система вновь готова к возбуждению. Волна движется по среде без затухания, сохраняя форму и амплитуду.
В мировой литературе экспоненциальный рост числа публикаций по колебательным химическим реакциям начался с середины 60-х годов после публикации первых работ Жабо-тинского. Сейчас уже во многих статьях упоминание реакции Белоусова-Жаботинского не сопровождается литературной ссылкой. Ее называют сокращенно БЖ (Б7)-реакцией. В 1988 г. на русском языке вышел перевод английского издания книги «Колебания и бегущие волны в химических системах» [15]. Наиболее полный анализ динамики научных знаний о периодических реакциях, становление различных научных школ, проведенны х конференциях, влияние
наиболее значимых статей на творческий процесс был проведен М. Бургер и Э. Буйдошо [18]. В качестве индикатора развития использовались такие показатели, как число публикуемых статей в ведущих научных жур налах и их цитируемость, число активно работающих учены х, количество жур налов, публикующих работы в данной области и др. Фактически, реакция Белоусова-Жаботинского стимулировала появление новой области науки, а экспериментальные исследования инициировали развитие современной теории нелинейных динамических систем.
В настоящее время статья А.М. Жаботин-ского с хронологическим изложением основных результатов исследований реакции Белоусова-Жаботинского размещена в Интернете в энциклопедии открытого доступа БсЬо1агреё1а. C 2007 г. она посещалась около 1000 раз. Самая известная работа Жаботинского (совместно с А.Н. Заикиным), где было зарегистрировано возникновение ведущих центров периодической химической реакции, была опубликована в 1970 г. в журнале Nature [19]. Согласно поисковой системе Бсорее8, с 1996 г. она была процитирована более 500 раз. С 2005 г. в качестве характеристики продуктивности ученого используется критерий Хирша (й-шёех). Ученый имеет индекс h, если h из его N статей цитируется как минимум h раз каждая, в то время как оставшиеся N-h статей цитируются менее чем h раз каждая. Индекс Хирша Анатолия Марковича Жаботинского
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.