23. Колба, которая отбивает время

Раствор в колбе пожелтел, потом обесцветился, потом снова пожелтел, будто кто-то щёлкал выключателем. Колбу при этом никто не трогал. Шёл 1951 год, и стояла она в Москве, у химика Бориса Белоусова, который работал в медицинском институте над защитой от радиации. Он хотел собрать в пробирке простую модель цикла лимонной кислоты, одного из главных кругов обмена веществ в клетке. Для этого он смешал в серной кислоте лимонную кислоту, бромат и соль церия, а получил смесь, которая мигает.

Статью с записями колебаний отклонили: редактор ответил, что такое открытие невозможно. Через шесть лет второй журнал соглашался только на урезанную заметку, и Белоусов забрал статью. Одна страница вышла через восемь лет после колбы, в ведомственном сборнике по радиационной медицине, где химики её почти не видели. Отказывали ему не из вредности. Химия твёрдо знала, что реакция в однородном растворе катится к равновесию, как камень под гору, и назад не поворачивает.

Ту же стену за тридцать лет до Белоусова встретил Уильям Брей в Беркли. У него перекись водорода, разлагаясь в присутствии иодата, выпускала кислород толчками. Это была первая описанная колебательная реакция в однородном растворе, но другие химики решили, что виноваты пыль, примеси и пузырьки, а не сама реакция. Всерьёз её признали только после Белоусова.

Биофизик Симон Шноль из Московского университета разыскал рецепт Белоусова и в начале шестидесятых отдал его аспиранту Анатолию Жаботинскому. Тот заменил лимонную кислоту малоновой и добавил ферроин, вещество, которое меняет цвет вместе с ходом реакции, и раствор стал переключаться между красным и синим так ярко, что видно с другого конца комнаты. В 1970 году Жаботинский и Заикин налили смесь тонким неподвижным слоем в чашку Петри. Из точек, которых никто не касался, одно за другим поползли синие кольца, как круги от камня, которого никто не бросал. Ползёт такое кольцо медленнее, чем конец минутной стрелки на настенных часах. Два кольца при встрече не проходят друг сквозь друга, как волны на пруду, а гаснут, потому что за каждой волной остаётся полоса, где гореть пока нечем. Два года спустя американец Артур Уинфри показал, что если кольцо разорвать, его концы закручиваются в спирали и вертятся, пока есть топливо.

Белоусов умер в 1970 году, через несколько месяцев после статьи о кольцах. Ещё через десять лет Ленинскую премию за открытие волн, которые бегут сами, получили пятеро исследователей, и Белоусов был среди них посмертно. Шноль, который когда-то разыскал рецепт и отдал его ученику, себя в список не вписал.

Части здесь прежние: молекулы в растворе. Бромат и органическая кислота служат топливом, рядом катализатор и несколько промежуточных веществ. В вихре у опоры моста сквозь форму текла вода. Здесь на глаз не течёт ничего: смесь перемешана и стоит, течёт только превращение одних молекул в другие.

У смеси появилось время. Она меняет цвет раз в несколько десятков секунд, так что каждую смену можно спокойно проследить глазами. Ни одна молекула не колеблется. Атом церия не знает, который час: он отдаёт или забирает электрон, когда рядом оказывается подходящий сосед. Ритм есть только у смеси целиком.

Держит ритм петля. Одно из промежуточных веществ, бромистая кислота, ускоряет собственное производство: чем её больше, тем быстрее её становится ещё больше, как проценты на проценты. Такой шаг называют автокатализом. Разгоняясь, она окисляет катализатор, окисленный катализатор разрушает органическую кислоту, и при этом выходит бромид, который глушит разгон. Когда бромид израсходован, всё начинается сначала. Получается костёр, который, разгоревшись, сам сыплет на себя песок, а когда песок сдуло, вспыхивает снова. В начале семидесятых эту петлю по шагам расписали три химика в Орегоне.

Вечного двигателя тут нет. Туда-сюда ходят только промежуточные вещества, а запас топлива всё время убывает. В закрытой колбе часы останавливаются, когда топливо выгорает, и смесь приходит к тому же равновесию, к которому пришла бы и без колебаний, только дорогой с петлями. Если подливать свежие реактивы, часы тикают сколько угодно. Это то же правило, что держало вихрь: порядок живёт, пока его кормит поток.

Химия с разгоном и тормозом умеет рисовать и неподвижное. Математик Алан Тьюринг в 1952 году вывел на бумаге, что два вещества сами нарисуют пятна и полосы, если одно разжигает и ползёт медленно, а другое гасит и убегает далеко. Где разгорелось первое, оно выпускает второе, и тормоз расползается вокруг, не давая соседям вспыхнуть; следующее пятно встанет только там, где тормоз ослаб. Химики увидели это почти через сорок лет, в Бордо, и не в реакции Белоусова, а в другой, с хлоритом и иодидом. Её поставили в полоске геля, куда с двух краёв подавали свежие реактивы, а крахмал в геле цеплял разжигающий иодид, и тот полз медленнее тормоза. В середине полоски встали пятна и больше никуда не бежали.

Белоусов искал модель обмена веществ и нашёл часы. Часы самого обмена веществ как следует разглядели через тринадцать лет после его колбы, и не в цикле лимонной кислоты, а в соседнем пути, расщеплении сахара. Гхош и Чанс светили на дрожжи ультрафиолетом и видели, как одно из веществ этого пути, которое светится в ответ, то прибывает, то убывает. Позже в Копенгагене дрожжи держали в проточной кювете, куда всё время подавали сахар, и миллионы клеток мигали в такт, не затухая. Каждая клетка выпускает в общий раствор ацетальдегид, и по нему клетки подстраиваются друг под друга. А в дрожжевом соке, где целых клеток уже не осталось, брожение тоже идёт и тоже мигает.

С автокатализом на дереве впервые появляется химия, которая умножает саму себя: рост без всякой жизни. Бутлеров за девяносто лет до Белоусова получил сахаристые вещества из формальдегида в известковой воде. Эта реакция сначала идёт вяло, а потом разгоняется, потому что её продукты сами её подстёгивают. Биолог Стюарт Кауфман предположил, что в достаточно богатой смеси найдётся замкнутый круг молекул, где каждая помогает сделать другую. Была ли такая петля предком обмена веществ до первой клетки, спорят до сих пор: круги Кауфмана остаются моделью, а реакция Бутлерова, предоставленная сама себе, даёт бурую смолу из сотен сахаров, а не аккуратный цикл.

Отсюда растёт клетка: обмен веществ соберёт такие петли в сеть. По дороге отходят и боковые ветви. Уинфри от химических спиралей перешёл к сердцу: когда оно вместо ударов беспорядочно трепещет, по мышце крутятся спирали возбуждения, подчинённые тем же правилам, что в чашке. Механизм Тьюринга, судя по всему, рисует часть пятен и полос на коже животных. А самый дальний побег тянется к цепочкам, которые будут умножать уже не просто вещество, а порядок своих звеньев. Одного у этих часов нет — края. Волна бежит по чашке, пока не упрётся в стекло, а стекло поставил химик.