Η μαγεμένη αντίδραση Belousov-Zhabotinsky – PETER COVENEY & ROGER HIGHFIELD

Η αντίδραση Belousov-Zhabotinsky έχει μια ιστορία τόσο παράξενη όσο και το όνομά της. Ο Art Winfree, ένας από τους εξέχοντες αμερικανούς ειδικούς επί της αντίδρασης, περιγράφει πως ο Boris Pavlovitch Belousov πραγματοποίησε το αποφασιστικής σημασίας έργο του πάνω σ' αυτή τη χημική αντίδραση ενώ ήταν επικεφαλής του εργαστηρίου βιοφυσικής που υπαγόταν στο σοβιετικό Υπουργείο Υγείας, στις αρχές της δεκαετίας του 1950. Κατά τη διάρκεια των ερευνών του παρασκεύασε ένα παράξενο χημικό μείγμα που να μοιάζει στον κύκλο του Krebs, ώστε να ρίξει λίγο φως σε κάποιες όψεις του. Ο εν λόγω κύκλος αποτελεί μια κρίσιμη μεταβολική οδό, μέσω της οποίας τα ζωντανά κύτταρα αποσυνθέτουν οργανικές τροφές παράγοντας ενέργεια (με τη μορφή μορίων που ονομάζονται τριφωσφορική αδενοσίνη, ΑΤΡ) και αέριο διοξείδιο του άνθρακα.

Η καρικατούρα του κύκλου του Krebs που έφτιαξε ο Belousov περιλάμβανε κιτρικό οξύ που περιέχεται στον κύκλο. Περιείχε επίσης βρωμικό κάλιο, για να μιμηθεί το βιολογικό ισοδύναμο της καύσης του κιτρικού οξέος (οξείδωση), θειικό οξύ, και έναν καταλύτη από ιόντα δημητρίου, που πίστευε ότι θα είχαν την προσήκουσα ομοιότητα με τον λειτουργικό σκοπό πολλών ενζύμων (πολλά ένζυμα έχουν συχνά ένα φορτισμένο άτομο μετάλλου στην «ενεργητική πλευρά» τους, όπου διεκπεραιώνονται οι χημικές αντιδράσεις). Προς μεγάλη του έκπληξη, το διάλυμα άρχισε να έχει περιοδικές διακυμάνσεις ανάμεσα σε μια άχρωμη εμφάνιση και μια κίτρινη απόχρωση – που αντιστοιχούσε σε δύο διαφορετικές μορφές του φορτισμένου ιόντος δημητρίου – με κανονικότητα ρολογιού. Υπάρχουν μαρτυρίες ότι κατά τη διάρκεια της διερεύνησης που ακολούθησε, παρατήρησε επίσης το σχηματισμό μορφωμάτων στο χώρο. Έτσι ο Belousov μας έδωσ την πρώτη αληθινή χημική αντίδραση που υποστήριζε την ιδέα της αυτοοργάνωσης, μέσα από δίδυμες μη αντιστρεπτές διαδικασίες αντίδρασης και διάχυσης, (όπως είχε προβλέψει θεωρητικά ο Turing περίπου τον ίδιο καιρό). Ο Winfree έγραψε πρόσφατα: «Η αντίδραση δεν έμοιαζε με τίποτε από όσα προβλέφθηκαν στα τριάντα χρόνια που αφιερώθηκαν στο ζήτημα από θεωρητικούς χημικούς και βιολόγους».

Το δυστύχημα για τον Belousov ήταν ότι η αντίδραση ήταν τόσο ιδιόμορφη, ώστε είχε μεγάλο πρόβλημα να πείσει την επιστημονική καθεστηκυία τάξη πως ήταν αληθινή. Το 1951 απορρίφθηκε ένα άρθρο του για τη δουλειά του αυτή. Ο εκδότης του περιοδικού είπε ότι η «υποτιθέμενη επιτευχθείσα ανακάλυψη» ήταν μάλλον αδύνατη. Έξι χρόνια αργότερα ο Belousov υπέβαλε προς δημοσίευση μια περιεκτικότερη ανάλυση αλλά ο εκδότης του πρότεινε να δημοσιεύσει μόνο μια βάρβαρα κομμένη εκδοχή της, με τη μορφή σύντομης ανακοίνωσης. Το έργο του Belousov δημοσιεύτηκε τελικά σαν μια σκοτεινή ανακοίνωση στα πρακτικά ενός συμποσίου ακτινολογικής ιατρικής. Ήταν δύο σελίδες που είχαν τοποθετηθεί πριν από κάποια άλλη δημοσίευσή του.

Η επιστημονική καθεστηκυία τάξη ήταν τόσο αποβλακωμένη με την απλοϊκή ερμηνεία του Δεύτερου Νόμου – η τάξη που ομοιόμορφα αποσυντίθεται σε αταξία – ώστε ουδείς ήταν προετοιμασμένος να δεχτεί τις αναφορές του Belousov για την αυθόρμητη εμφάνιση αυτοοργανωνόμενων χαρακτηριστικών σε ένα χημικό σύστημα. Πίστευαν πως ο Δεύτερος Νόμος λέει ότι μια χημική αντίδραση οδεύει πάντοτε προς την εκφυλισμένη ισορροπία. Ένα χημικό ρολόι που μεταλλάσσει ανάμεσα σε δύο χρώματα συνεπάγεται ότι η αντίδραση επιστρέφει κατά κάποιον τρόπο στον εαυτό της, μια παρωδία του Δεύτερου Νόμου. (Στην πραγματικότητα ο Belousov δεν ήταν ο πρώτος που έπεσε θύμα αυτής της παρερμηνείας. Η ανακάλυψη μιας περιοδικά κυμαινόμενης χημικής αντίδρασης κατά τη μετατροπή του υπεροξειδίου του υδρογόνου σε νερός από τον William Bray του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ, το 1921, απορρίφθηκε ως τέχνασμα οφειλόμενο στις αδυναμίες της πειραματικής διαδικασίας).

Το πραγματικό ενδιαφέρον για την αντίδραση εμφανίστηκε μόνο όταν ο Anatoly Zhabotinsky μελέτησε την ταλαντούμενη συνταγή του Belousov. Στην αρχή το ενδιαφέρον ήταν μικρό, επειδή περιοριζόταν πίσω από το «σιδηρούν παραπέτασμα». Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1960, όταν ήταν επί πτυχίω φοιτητής της βιοχημείας στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας, ο Zhabotinsky άλλαξε με μια σειρά τρόπους τη βασική αντίδραση του Belousov. Αντικατέστησε για παράδειγμα το ιόν του δημητρίου με αντιδραστήριο σιδήρου, το οποίο έδωσε μια πολύ πιο καθαρή αλλαγή του χρώματος από κόκκινο σε μπλε. Έτσι κατάφερε τελικά να αιχμαλωτίσει τη φαντασία των συντηρητικών συναδέλφων του. Με τη μελέτη αυτού του εκπληκτικού συστήματος άρχισαν να ασχολούνται και άλλοι. Τα τελευταία είκοσι χρόνια η μελέτη των αυτοοργανωνόμενων χημικών αντιδράσεων αναπτύχθηκε και έγινε ένα μοντέρνο πεδίο έρευνας. Πιστοποιητικά για τη σημασία του έργου ήρθαν το 1979 από επιστήμονες απ' όλο τον κόσμο, και ένα χρόνο μετά οι Belousov και Zhabotinsky τιμήθηκαν με το βραβείο Λένιν, μαζί με τους Valentin Israelovitch Krinsky, Gernik Ivanitsky και Albert Zaikin. Δυστυχώς ο Belousov πέθανε το 1970, πριν από την καθυστερημένη διεθνή αναγνώριση της δημιουργικής συνεισφοράς του.

Η ανακάλυψη του Belousov και οι πολλές παραλλαγές που αναπτύχθηκαν στη συνέχεια έχουν γίνει γνωστές ως αντίδραση Belousov-Zhabontinsky (BZ). Η παρασκευή της είναι απλή και μπορεί να της έχει κανείς εμπιστοσύνη (ο επίδοξος πειραματικός πρέπει να συμβουλευτεί την εργασία του Winfree που παρατίθεται στη βιβλιογραφία αυτού του κεφαλαίου, αν θέλει κάποιες οδηγίες). Μ' αυτό το φαινομενικά μαγικό μείγμα μπορούν να συνδεθούν κάθε είδους όμορφα φαινόμενα. Μια επιλογή μαυρόασπρων εικόνων δείχνει την αντίδραση ΒΖ, καθώς εξελίσσεται.

Η χημεία αυτής της σημαντικής και πολύπλοκης αντίδρασης μελετήθηκε σε βάθος από πολλούς επιστήμονες και ολόκληρα βιβλία αφιερώθηκαν σ' αυτήν. Πιστεύεται ότι στη συνολική αντίδραση συμμετέχουν περίπου τριάντα διακριτά χημικά είδη, συμπεριλαμβανομένων των ενδιαμέσων σύντομης διάρκειας που λειτουργούν ως συνδετικοί κρίκοι ανάμεσα στους διαφόρους αλληλένδετους κύκλους χημικών αντιδράσεων. Όλα τούτα τα διατύπωσε περιληπτικά μια ομάδα του Πανεπιστημίου του Όρεγκον (οι Richard Field, Endre Koros και Richard Noyes), σε ένα μηχανισμό χημικής αντίδρασης, με ένδεκα στάδια, κάτι αρκετά πιο πολύπλοκο από τα τέσσερα βήματα του Brusselator. Αν ερευνήσει κανείς τα ένδεκα στάδια θα μπορέσει να βρει μια διαδικασία όπου μια χημική ουσία επηρεάζει την ίδια την παραγωγή της. Έτσι έχουμε αυτοκατάλυση, το βασικό συστατικό στοιχείο της ανάδρασης και της μη γραμμικότητας. Από την πληθώρα των πολύπλοκων ενδιαμέσων, η ομάδα του Όρεγκον πρότεινε ένα αρκετά απλοποιημένο αλλά σημαντικό μοντέλο που περικλείει πέντε διαφορετικά βήματα, το οποίο η επιστημονική κοινότητα το βάφτισε «Oregonator». Το μοντέλο του Oregonator είναι μια θεωρητική αναπαράσταση της κατάστασης πραγμάτων στην εξελισσόμενη αντίδραση ΒΖ: είναι σε θέση να περιγράψει από πολλές σκοπιές τη συμπεριφορά των πειραματικών λύσεων τύπου ρολογιού, όπως τους ελκυστές οριακού κύκλου οι οποίοι δημιουργούν τις χημικές περιοδικές διακυμάνσεις.

Αν κάποιος επιμένει να κατακερματίζει τη γνώση, τότε θα έπρεπε μάλλον να πει ότι η μαγεμένη αντίδραση ΒΖ βρίσκεται στην περιοχή της χημικής επιστήμης που είναι γνωστή ως «ανόργανη» χημεία. Η λεπτομερής κατανόηση της αντίδρασης αποτέλεσε αντικείμενο έμπνευσης για τους χημικούς ώστε να ελέγξουν ακόμα περισσότερο τον ανόργανο κόσμο. Για παράδειγμα, ο Thomas Briggs και ο Warren Rauscher του Galileo High School Lux Laboratory ανακάλυψαν περιοδικές διακυμάνσεις σε μείγματα υπεροξειδίου του υδρογόνου, μηλονικού οξέος, ιωδικού καλίου, θειικού μαγγανίου και υπερχλωρικού οξέος τα οποία μεταλλάσσουν περιοδικά από μπλε σε κίτρινο χρώμα. Ο αριθμός τέτοιων περιοδικών αντιδράσεων αυξάνεται διαρκώς, και μάλιστα οι γενικές αρχές που τις διέπουν είναι πλέον αρκετά κατανοητές. Εν συνεχεία εμφανίστηκαν και άλλα μοντέλα τέτοιων χημικών ρολογιών – υπάρχει ένα «μοντέλο Κ» (Κ από το Κυότο), ένα «Iuator» που προέρχεται από το Indiana University oscillator (ταλαντωτής του Πανεπιστημίου της Ιντιάνα) και ένα «Bubbleator», ένα μοντέλο το οποίο περιγράφει μια χημική αντίδραση που παράγει κύματα από αεριούχο αφρό.

Μια ουσιαστική πλευρά της αντίδρασης ΒΖ είναι η αποκαλούμενη «διεγερσιμότητα» - υπό την επίδραση διεγερτών, αναπτύσσονται μορφώματα εκεί όπου αλλιώς θα υπήρχε ένα απολύτων παθητικό διάμεσο. Μερικές αντιδράσεις τύπου ρολογιού, όπως οι αντιδράσεις Briggs-Rauscher και ΒΖ που χρησιμοποιούν ως καταλύτη τη χημική ουσία διπυριδικό ρουθήνιο, είναι δυνατό να διεγερθούν σε δραστηριότητα αυτοοργάνωσης με την επίδραση του φωτός. Η ιδιότητα της διεγερσιμότητας, η οποία δείχνει με ποιο τρόπο μπορεί να εξωθηθεί σε δράση η αντίδραση ΒΖ, ήταν σχεδόν άγνωστη στον Turing, ακόμα και σήμερα δε οι θεωρητικοί συχνά την παραβλέπουν. Πράγματι, η διεγερσιμότητα παραμένει μια κάπως θολά ορισμένη έννοια.

Οι λεπτές αποχρώσεις της αντίδρασης ΒΖ παραμένουν αντικείμενο μελέτης των μαθηματικών, των φυσικών και των βιολόγων. Και υπάρχουν σοβαροί λόγοι γι' αυτό. Γιατί, όπως σύντομα θα αρχίσουμε να διακρίνουμε, δεν είναι δυνατό να παραβλέψουμε τη σχέση της αντίδρασης με μεγάλο τμήμα της οργάνωσης του ζώντος κόσμου με την οποία είμαστε εξοικειωμένοι. Τα σπειροειδή κύματα που σχηματίζονται σε χημικά ρολόγια έχουν κάτι παραπάνω από μια φευγαλέα ομοιότητα με εκείνα που σχηματίζονται στις καρδιακές προσβολές, τους πρωτόγονους βλενομύκητες (βλ. τη σειρά των μαυρόασπρων εικόνων), τους σπειροειδείς γαλαξίες και τους τυφώνες. Πράγματι, ο Winfree διατείνεται το εξής: «Μολονότι [η αντίδραση ΒΖ] στερείται κάποιου πράγματος σαν το γενετικό σύστημα, μέσω του οποίου θα μπορούσε να υποστεί μεταλλάξεις και να εξελιχθεί, έχει πολλά από τα χαρακτηριστικά που καθιστούν ενδιαφέροντα τα ζωντανά συστήματα: τον χημικό μεταβολισμό (οξύδωση οργανικών οξέων σε διοξείδιο του άνθρακα), την αυτοοργανωνόμενη δομή, τη ρυθμική δραστηριότητα, τη δυναμική ευστάθεια μέσα σε κάποια όρια, τη μη αντιστρεπτή διάλυση πέρα απ' αυτά τα όρια, και μια φυσιολογική διάρκεια ζωής». Η μελέτη των χημικών ρολογιών, λοιπόν, βοήθησε, με την πραγματική έννοια, να εμφυσηθεί ζωή στην ανόργανη χημεία, ένα ζήτημα που η κατανόησή του συχνά περνούσε επικίνδυνα σε δεύτερη μοίρα, ενώ κυριαρχούσε αυτό που για τον χημικό είναι το ισοδύναμο της συλλογής γραμματοσήμων – η συσσώρευση τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων.

Τα ανόργανα αυτοοργανωνόμενα συστήματα αποτελούνται από ορισμένα απλά χημικά είδη. Η πραγματική χημεία όμως είναι κάπως τυχαία – υπάρχουν πολύ λίγες ιδιαιτερότητες, επειδή τα μόρια που περιφέρονται μέσα στη «σούπα» ενδέχεται να αντιδρούν όλα μεταξύ τους σε κάποιο βαθμό. Όπως θα δούμε, οι ζωντανοί οργανισμοί έχουν την τάση να βρίσκονται στο άλλο άκρο του φάσματος των δυνατοτήτων. Εκεί η (βιο)χημεία είναι και πολύπλοκη και καλά συντονισμένη: κάθε αντίδραση είναι εξαιρετικά ειδική και προχωρεί με εκπληκτική αποδοτικότητα. Οι Prigogine και Stengers παρατήρησαν: «Είναι απίθανο να πρόκειται για ατύχημα. Εδώ συναντάμε ένα αρχικό στοιχείο που σημαδεύει τη διαφορά ανάμεσα σε φυσική και βιολογία. Τα βιολογικά συστήματα έχουν παρελθόν. Τα μόρια που τα συνιστούν είναι αποτέλεσμα της εξέλιξης. Επελέγησαν για να συμμετάσχουν στους αυτοκαταλυτικούς μηχανισμούς, για να δημιουργήσουν πολύ ειδικές μορφές αυτοοργάνωσης». Πρόκειται για χημεία με στόχους. Είναι το θαύμα της ζωής.

PETER COVENEY & ROGER HIGHFIELD

ΤΟ ΒΕΛΟΣ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ ΤΑΣΟΣ ΚΥΠΡΙΑΝΙΔΗΣ

ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΑΤΟΠΤΡΟ 1991