CC BY
131
11 Шустер Г. Детерминированный хаос. М., 1998.
12 См.: Кудрявцев И.К. Введение в теорию неравновесный химических систем. М., 2000; Он же. Химические нестабильности. М., 1987.
ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 7. ФИЛОСОФИЯ. 2005. № 6
А.А. Печенкин
МИРОВОЗЗРЕНЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ*
1. Предварительные замечания
Обычно химические реакции протекают непрерывно и монотонно. Тем не менее примерно с середины XIX в. стала накапливаться информация о колебательных химических реакциях. Долгое время, правда, эта информация оттеснялась на периферию химической науки. Химики видели в этих реакциях что-то нетипичное, экзотическое и даже, возможно, ошибочное. Однако именно исследованиям в области колебательных реакций суждено было изменить место химии в системе естественных наук и сыграть свою роль в развитии научного мировоззрения. Почти весь XX в. химия рассматривалась как нефундаментальная наука, опирающаяся на физику и прикладную математику. Такие центральные химические понятия, как валентность, межатомная связь, межмолекулярное взаимодействие, трактовались в своих основаниях как физические. В начале 70-х гг., однако, в науке уже обозначилась позиция, ставящая колебательные химические реакции и, стало быть, химические процессы вообще в число явлений, причастных к переднему краю исследования. Химические осцилляторы стали рассматриваться как парадигмальные примеры сложных систем, находящихся в центре внимания современной науки. Они получили статус базовых моделей в учебниках по синергетике, термодинамике и нелинейной динамике.
В настоящей статье не будут описываться какие-либо онтологические импликации теории колебательных реакций. Тем более мы далеки от каких-либо натурфилософских обобщений. По нашему мнению, мировоззренческую значимость имеет сам путь, который прошло учение о колебательных химических реакциях от середины XIX в. до наших дней. Мы рассмотрим следующие
Статья представляет результаты исследования, поддержанного грантом РФФИ № 05-06-80251а.
вопросы: 1) специфическую культуру «научной периферии», в русле которой долгое время шли исследования колебательных реакций; 2) феномен международной научной школы, сыгравший большую роль в этих исследованиях; 3) сдвиги в идеологических и институциональных отношениях между физикой, химией и биологией на протяжении интересующей нас истории.
2. «Научная периферия»
Итак, начиная с середины XIX в. и примерно по 70-е гг. XX в., исследования колебательных химических процессов шли на «периферии» науки: они не несли исследователям каких-либо степеней и грантов, более того, часто имели характер хобби, увлечения, которое может себе позволить ученый, вовлеченный в практически важные задачи. Эти исследования отличала концептуальная рыхлость, но в то же время и романтизм, чувство причастности к тайнам мироздания.
Историю колебательных реакций часто начинают с немецкого химика и отчасти натурфилософа Фридлиба Фердинанда Рунге (1794—1867). В 1850 и 1855 г. он последовательно выпустил две книги с названиями «К химии цвета. Образцы для друзей прекрасного» и «Вещество в стремлении к формированию». Последнее название «Der Bildungstrieb der Stoffe» содержит термин «Bildungstrieb», восходящий к немецкому биологу Иоганну Блю-менбаху (1752—1840) и присутствовавший в «Критике способности суждений» И. Канта и в «Философии природы» Шеллинга. В книгах были описаны красочные периодические структуры, возникающие на фильтровальной бумаге, когда на нее наливают один за другим растворы различных веществ. Собственно «Der Bildungstrieb...» представляла собой «альбом с наклеенными листами фильтровальной бумаги, на которой были произведены соответствующие реакции. Например, фильтровальная бумага пропитывалась раствором медного купороса 1:12, затем просушивалась и вновь пропитывалась раствором фосфорнокислого алюминия 1:8 и, наконец, на нее в середину наносились капли железисто-синеродистого калия 1:32... После нанесения капель... начиналось образование периодических наслоений»1.
После Рунге в историю колебательных реакций вступает потомственный фотограф, путешественник, специалист по коллоидной химии Рафаэль Лизеганг (1869—1947). В 1896 г. он опубликовал свои опыты с ритмическими структурами (кольцами Лизеганга), получающимися при отложении осадка бихромата серебра в желатине. Лизеганг наливал на стеклянную пластину нагретый раствор желатина, содержащий бихромат калия. Когда раствор застывал, он наносил в центр пластины каплю раствора азотнокислого серебра. Осадок бихромата серебра выпадал не
сплошным пятном, а концентрическими окружностями, похожими на годовые кольца, что видны на срезе дерева.
Р. Лизеганг, знакомый с книжками Рунге, первоначально склонялся к натурфилософскому и организмическому объяснению полученного им периодического процесса. Однако он положительно реагировал на физическое объяснение своих «колец», данное в 1898 г. крупнейшим химиком, почитаемым в качестве создателя физической химии, Вильгельмом Оствальдом (1853— 1932). Объяснение, данное Оствальдом, базировалось на понятии о метастабильном состоянии — неравновесном состоянии, обладающем тем не менее некоторой устойчивостью. Это объяснение вошло в историю как теория пересыщения. Оствальд предположил, что у Лизеганга образовывался пересыщенный раствор бихромата серебра, находящийся в метастабильном состоянии, который с повышением концентрации давал осадок и переходил в лабильное состояние. В дальнейшем взаимодействие бихромата калия и азотнокислого серебра переводит его снова в метаста-бильное состояние и т.д.
В 1905 г. Лизеганг отверг объяснение Оствальда, исходя из эмпирических оснований. Однако впоследствии, проведя новые эксперименты, он стал ревностным сторонником оствальдовской теории пересыщения. Все же эта теория не выдержала проверки временем. Сам же Лизеганг продолжал публиковать статьи по периодическим химическим эффектам, уточняя свои эксперименты и предлагая новые. Первая его статья была опубликована в «Архиве фотографической химии», учрежденном им самим. Впоследствии он публиковал свои работы в «Журнале коллоидной химии» и в «Nature».
Вильгельм Оствальд не только занимался теорией колец Лизеганга, он сам исследовал колебательные химические процессы. В 1899—1900 гг. он проводил эксперименты с явлением, названным им самим «осциллирующим хромом». Он исследовал ритм выделения водорода, сопровождающего растворение хрома в кислотах. Оствальду также принадлежит понятие автокатализа, важное с точки зрения теории колебательных реакций. Автокатализ — это катализ продуктом реакции, противоречащий классическому принципу Ле Шателье—Брауна.
Надо, однако, заметить, что в глазах современных ему химиков и последующих поколений ученых Вильгельм Оствальд был знаменит не химическими колебаниями. В 1909 г. он получил Нобелевскую премию за исследования в области катализа. В своей обзорной книге, известной в России под названием «Эволюция основных проблем химии», Оствальд не упоминает о колебательных реакциях. В книге Н.И. Родного и Ю.И. Соловьева2, единственной книге об Оствальде на русском языке, также
ничего не говорится о колебательных реакциях. Историки и философы науки стали отмечать интерес В. Оствальда к периодическим химическим явлениям лишь в конце XX в., когда в центре их внимания оказались концепции самоорганизации3.
До сих пор речь шла не о собственно колебательных химических реакциях, а скорее о периодических физико-химических процессах: химическое превращение в них сопровождалось фазовым переходом (выпадение осадка, растворение металла в кислоте). Ближе к собственно химическим колебаниям подошел советский физик и физикохимик Давид Альбертович Франк-Каменец-кий (1910—1970). Д.А. Франк-Каменецкий был главным образом специалистом по физике плазмы. С 1946 по 1956 г. он работал по атомной проблеме в Арзамасе-16, а в 1956 г. перешел из Института химической физики АН СССР, где были выполнены его важнейшие работы, в Институт атомной энергии (ныне — Российский научный центр «Курчатовский институт»), где возглавил исследования взаимодействия волн с плазмой.
Д.А. Франк-Каменецкий начал публиковать свои опыты о химических колебаниях с 1939 г. Он описал периодические явления при окислении углеводородов: если, например, через турбулентный реактор пропускать смеси высших углеводородов, то наблюдаются периодические вспышки (пульсации) холодного пламени (типа пламени свечи). Монография Д.А. Франк-Каме-нецкого «Диффузия и теплопередача в химической кинетике», выдержавшая три издания (1947, 1967 и 1987), завершалась главой о периодических реакциях, которая перерабатывалась от издания к изданию.
Франк-Каменецкого интересовали не только земные периодические процессы, но и небесные. Он работал в астрофизике и изучал звезды пульсирующей яркости (цефеиды). Он уделял внимание и философии науки — имеется его публикация о сути времени4. «Хотя об этом и не принято писать, — сказано в предисловии к третьему, посмертному изданию монографии Франк-Каменецкого "Диффузия и теплопередача в химической кинетике", написанном его старшим товарищем, в известном смысле учителем Я.Б. Зельдовичем, — напомним, что Давид Альбертович не был избран ни академиком, ни членом-корреспондентом Академии наук. Я убежден, что Давид Альбертович был вполне достоин этих званий. Он не получил их в значительной степени потому, что диапазон его работ был шире тематики тех отделений... на которые сегодня делится академия»5.
Вместе с Д.А. Франк-Каменецким над проблемой пульсации холодного пламени работал Израиль Евсеевич Сальников (1914 г. рожд.). И.Е. Сальников был командирован к Франк-Каменецко-му в Ленинград (тогда там находился Институт химической
физики) его научными руководителями по Горьковскому (теперь Нижегородскому) университету — Габриэлем Соломоновичем Гореликом (1906—1957) и Александром Александровичем Андроновым (1902—1952). Оба этих ученых — прямые ученики Леонида Исааковича Мандельштама (1889—1944), который создал школу теории колебаний во время своей работы в МГУ им. М.В. Ломоносова (с 1925 г.) ив Физическом институте АН СССР (с 1934 г.). А.А. Андронов, который совместно с другими учениками Л. И. Мандельштама внес большой вклад в разработку концептуального фундамента теории нелинейных колебаний, сформулировав понятие автоколебаний и сопряженные с ним понятия, в начале 30-х гг. перебрался в Горький (ныне Нижний Новгород), где фактически создал особую ветвь школы Л.И. Мандельштама, занятую вопросами радиотехники, теории автоматического регулирования и нелинейной динамики. Несколько позднее в Горький переехал и Г. С. Горелик. Оба, А.А. Андронов и Г. С. Горелик, были заинтересованы в распространении теории колебаний на химические явления, т.е. в исследовании химических колебаний. Этим и объясняется появление такого аспиранта, как И.Е. Сальников, получившего подготовку в области теории колебаний и ориентированного на химические проблемы.
Совместная работа И.Е. Сальникова с Франк-Каменецким над химическими колебаниями была, однако, вскоре прекращена как «не имеющая оборонного значения» (интервью автора с И.Е. Сальниковым, 24 мая 2004 г.). После войны И.Е. Сальников работал младшим научным сотрудником Института химической физики АН СССР, который к тому времени переехал в Москву. Он выступал на общеинститутском семинаре, но его результаты, касающиеся химических колебаний, не заинтересовали собравшихся. «Нам это не нужно, нам это неинтересно», — вспоминает И.Е. Сальников реакцию аудитории. И.Е. Сальников вернулся в Горький, там защитил диссертацию и получил ученую степень кандидата физико-математических наук (примерно в 1948 г.). Затем он работал доцентом в Водном институте.
В 1949 г. в «Журнале физической химии» была опубликована большая статья И.Е. Сальникова, подводящая итог его работе, начатой совместными исследованиями с Д.А. Франк-Каменец-ким. В этой статье было сформировано понятие о термокинетических колебаниях6. Это колебания, основу механизма которых составляют кинетические и термические взаимодействия. В ходе этих колебаний изменяется температура, и их необходимым условием является баланс между выделением тепла и его диссипацией в окружающую среду.
Все же самым весомым аргументом в пользу химических колебаний была статья Бориса Павловича Белоусова (1893—1970),
которую он дважды безуспешно пытался опубликовать — в 1951 г. и соответственно в 1955 г. Хотя термокинетические колебания протекают в гомогенных системах (в отличие, скажем, от систем Лизеганга или осциллирующего хрома), их обеспечивает физический (или физико-химический) процесс термокатализа — ускорения реакции тем теплом, которое реакция сама выделяет. Реакция же Б.П. Белоусова — чисто химическая колебательная реакция, ближе всего соответствующая тому виду целостности, которую Гегель называл химизмом.
История неприятия (и непризнания) открытия Б.П. Белоусова описана в двух очерках мемуарно-исторического характера. Один из них был опубликован в журнале «Новый мир»7, другой составляет главу в книге С.Э. Шноля «Герои и злодеи российской науки»8. Дополнительно можно упомянуть следующее: в 1929— 1935 гг. Б.П. Белоусов работал в Высшей химической школе Красной Армии, с 1935 г. — в ряде медицинских исследовательских институтов. Послевоенные годы застали его в Институте патологии и терапии интоксикаций Академии медицинских наук, из которого он в 1952 г. был переведен в Институт биофизики тоже Академии медицинских наук в связи со слиянием штатов этих институтов (потом этот институт перешел в ведомство Минздрава). В начале 50-х гг. (годы открытия колебательной реакции) Б.П. Белоусов занимался вопросами профилактики и лечения лучевой болезни. Его методология может быть названа редукционистской: он считал, что лучевую болезнь можно лечить так же, как в свое время предполагали лечить отравления боевыми газами, а именно путем подавления обмена веществ, т.е. метаболизма. Вопрос подавления метаболизма вывел его на цикл Кребса (Белоусов называл его циклом Кребса—Баха—Михлина), иначе называвшийся циклом лимонной кислоты. К циклу Кребса он также пришел, занимаясь вопросами выведения тяжелых металлов из организма.
Цикл Кребса обсуждается во всех современных учебниках по биохимии. Это один из ключевых процессов окисления питательных веществ в живом организме. Цикл Кребса не является колебательной химической реакцией, в нем нет временного ритма. Это логически замкнутая последовательность химических реакций, в которую поступают одни вещества, а другие удаляются. Циклом эту последовательность делает регенерация ряда кислот (лимонной, аконитовой, изолимонной, янтарной и др.), которые расходуются в последующих реакциях и образуются в предыдущих. Цикл Кребса является каталитическим в двух отношениях: во-первых, каждый отдельный этап цикла катализируется своим ферментом, во-вторых, возникает нечто подобное автока-
тализу — промежуточные продукты катализируют весь цикл химических превращений.
Моделируя (и упрощая) цикл Кребса, Б.П. Белоусов пришел к его знаменитой реакции. В его реакции происходит окисление лимонной кислоты до ацетондикарбоновой кислоты (в цикле Кребса имеет место аналогичный процесс образования оксикис-лоты). Но это окисление создает лишь условия для возникновения химических колебаний. Периодические изменения в окраске раствора обеспечивают колебания концентраций неорганических веществ — брома, бромида, трех- и четырехвалентных ионов церия. Белоусов обратил внимание на осцилляцию окисления и восстановления иона металла (железа), происходящую при действии фермента на одной из стадий цикла Кребса. Эта осцилляция, происходящая по схеме Fe++ О Fe+++ + электрон, существенна для ферментативного катализа. Аналогичная осцилляция трех- и четырехвалентного ионов церия (Ce+++ О Ce++++ + электрон) стала центральным звеном в его колебательной реакции. Белоусов подчеркнул каталитическую роль церия в его реакции.
По свидетельству В.В. Полещука9, Б.П. Белоусов владел техникой получения колец Лизеганга. По-видимому, он освоил эту методику при разработке индикаторов отравляющих веществ, в них также использовалось отложение осадка в желатине. Не исключено, что кольца Лизеганга стимулировали интерес Белоусова к ритмическим химическим процессам.
Последняя работа Белоусова в Институте биофизики состояла в создании противолучевого препарата, который впоследствии стал известен как хитозан. В 1966 г. Б.П. Белоусов, награжденный за свои работы в области токсикологии орденом Ленина и другими наградами, вышел на пенсию, а в 1970 г. умер. В 1980 г. ему за открытую им реакцию (она уже называлась реакцией Белоусова—Жаботинского) была посмертно присуждена Ленинская премия. В 1981 г. его статья, отвергнутая двумя журналами, была наконец-то опубликована10.
В 1950-е гг., однако, происходили и другие события, относящиеся к реакции Белоусова. Хотя статья Б.П. Белоусова была отвергнута, информация о его реакции распространялась на уровне научного фольклора. Одним из реципиентов этой информации оказался Симон Эльевич Шноль (1930 г. рожд.), мемуарная книга которого цитировалась выше. С.Э. Шноль уже тогда занимался периодическими процессами в биохимии11. Его интересовала природа химической периодичности. Получив в 1958 г. от Белоусова рукопись его статьи, Шноль стал экспериментировать с его реакцией. В 1961 г. он поручил своему аспиранту Анатолию Марковичу Жаботинскому (1937 г. рожд.) продолжить работу Б.П. Белоусова, и тот, проводя исследования сначала под руко-
водством Шноля, а потом независимо от него, внес решающий вклад в выяснение кинетики реакции Белоусова и в ее математическое моделирование. В результате эта реакция стала называться реакцией Белоусова—Жаботинского. Еще раньше С.Э. Шноль уговорил Белоусова все-таки опубликовать что-то о его реакции12. А в 1980 г. он добился того, чтобы имя Б.П. Белоусова было включено в уже подготовленный список номинангов на Ленинскую премию.
Работы А.М. Жаботинского уже не относятся к «периферии науки». Это уже передний край исследования, представленный в авторитетных научных журналах и на крупных научных конференциях.
3. Научная школа: трансляция научной традиции
В предыдущем параграфе уже были отмечены школа теории колебаний, созданная в Москве Л.И. Мандельштамом, и ее нижегородское ответвление, созданное А.А. Андроновым. Вклад этой школы в изучение химических колебаний не ограничивается работами И.Е. Сальникова, которые упоминались. А.М. Жабо-тинский, который с соавторами продолжил дело Б.П. Белоусова, в своей основной книге «Концентрационные автоколебания» (М., 1974) причислил себя к четвертому поколению учеников Л.И. Мандельштама. Он писал, что его основным учителем был его отец М.Е. Жаботинский, ученик С.П. Стрелкова, который в свою очередь в последние предвоенные годы был аспирантом Л.И. Мандельштама.
У А.М. Жаботинского был и другой учитель — его научный руководитель, уже упоминавшийся С.Э. Шноль, профессор биофизики МГУ, заметивший и принявший реакцию Белоусова тогда, когда ее многие не замечали и не признавали. Но причислять себя к школе Л.И. Мандельштама А.М. Жаботинский все же имел право. В своих работах он следовал той широкой и междисциплинарной трактовке теории колебаний, которая была у Л.И. Мандельштама и его учеников13. Мандельштамовский подход к колебаниям отнюдь не очевиден. Ведь в физике имеются различные достаточно самостоятельные области, занимающиеся колебательными задачами, — акустика, оптика, электромагнетизм. В каждой из этих областей есть свои специалисты. Л.И. Мандельштам и вслед за ним А.А. Андронов утверждали, что теория колебаний — это общефизическая теория, что существует единый «колебательный» язык, позволяющий общаться физикам различных специальностей и, кроме того, общаться физикам и нефизикам, занимающимся колебательными задачами.
В своей докторской диссертации и в книге «Концентрационные автоколебания» А.М. Жаботинский реализовал концепцию
автоколебаний, развитую А.А. Андроновым. Автоколебаниями А.А. Андронов называл незатухающие колебания в диссипативной (работающей с трением) системе, поддерживаемые за счет непериодического источника энергии. Это явление наблюдается в простейшем ламповом генераторе, часах и во многих других технических устройствах. Но это «техника». Базируясь на качественной теории дифференциальных уравнений, созданной А. Пуанкаре, А.А. Андронов выдвинул строгое математическое определение автоколебаний (предельный цикл Пуанкаре) и предложил теорию, позволяющую строго математически анализировать возникновение и развитие автоколебаний в технической системе17.
Следуя А.А. Андронову, А.М. Жаботинский с соавторами показал, что в реакции Белоусова реализуются автоколебания, определил тип этих автоколебаний и проследил их эволюцию. Это значит, что А.М. Жаботинский перевел вопрос о механизме реакции Белоусова в плоскость физико-математической теории колебаний. Он довел изучение механизма реакции до физико-математического уровня. Обычно в химической кинетике используются достаточно простые дифференциальные уравнения, связывающие скорость реакции с концентрациями реагирующих веществ. А.М. Жаботинскому пришлось значительно усложнить эти уравнения и, воспользовавшись развитыми А.А. Андроновым методами, исследовать природу этих усложненных уравнений. Это была не только математическая, но и химическая работа: А.М. Жаботинский с соавторами шаг за шагом уточняли механизм реакции Белоусова, математические приемы дополнялись ими методами химической кинетики, которые не просто применялись, но и модифицировались.
Интересно, что А.А. Андронов в своей первой фундаментальной статье об автоколебаниях (1929 г.) уже ссылался на химические автоколебания. Он имел в виду работы Альфреда Лотки, который начиная с 1910 г. публиковал свои математические модели химических колебаний (в статье 1929 г. А.А. Андронов ссылался на обзор)15. Но ссылка А.А. Андронова была чисто идеологическая. Лотка так и не построил математическую модель автоколебаний, т.е. периодических движений, отвечающих на фазовой плоскости предельному циклу Пуанкаре. А.А. Андронову хотелось бы, чтобы выдвинутое им понятие автоколебаний было применимо и в химии. Но строго показать это он в то время не смог. Это было показано лишь А.М. Жаботинским.
Химическими колебаниями занимался также другой ученик Л.И. Мандельштама — Александр Адольфович Витт (1902—1938). В начале 30-х гг. А.А. Витт публикует в соавторстве с А.А. Андроновым ряд классических работ по автоколебаниям, вместе с
Андроновым и Хайкиным он пишет монографию по теории колебаний16, но его имя было исключено из титульного листа, поскольку в 1936 г. он был арестован. Во второй половине 30-х гг. А.А. Витт стал сотрудничать с химиками и биологами в изучении колебательных явлений в химии и экологии. В 1935 г. он в соавторстве с Ф.М. Шемякиным опубликовал две статьи, в которых рассмотрел реакции, сопровождающиеся периодическим выделением осадка (типа реакции Лизеганга). Как и статьи Лотки, это были теоретические математические работы. В них не были описаны автоколебания, но статьи А.А. Витта и Ф.М. Шемякина содержали важную инновацию, в них учитывалась диффузия реагентов (уже в 1970 г. диффузионную модель реакции Белоусо-ва—Жаботинского выдвинули американские химики Р.Д. Филд и Р.М. Нойес).
Зададимся вопросом: что такое научная школа? Вообще говоря, это сообщество ученых, построенное по принципу «учитель—ученики» или «учитель—ученики—ученики учеников». Но школа Л. И. Мандельштама, о которой идет речь в настоящем параграфе, обеспечивала также ретрансляцию методологии на протяжении четырех поколений исследований. За ней стоит мощная традиция широкой междисциплинарной трактовки учения о колебаниях.
Школа Л. И. Мандельштама генетически связана с немецкой традицией бсИ'тощищвОеЬге (учения о колебаниях). Л. И. Мандельштам был учеником немецкого физика Фердинанда Брауна (1850—1918). Он учился у него в Страсбургском университете (1898—1903) и начинал под его руководством научную карьеру. Ф. Браун был ученым широкого профиля: он занимался радиотехникой, оптикой, электричеством и химией (принцип Ле Шате-лье—Брауна). В своей нобелевской речи (Ф. Браун получил Нобелевскую премию совместно с Э. Маркони за работы в области радио) он провозгласил единство колебательных областей физики.
Ф. Браун, по-видимому, не занимался колебательными химическими реакциями. Но ими занимался его учитель Герман Георг Квинке (1834—1924). Это тоже был ученый широкого профиля. Хотя его основной специальностью была физика, ему, например, принадлежит теория протоплазматического движения, отмеченная Лебом17. Г. Квинеке, заинтригованный структурами Рунге, экспериментировал с физико-химическими колебаниями18.
Итак, мы заметили трансляцию интереса к химическим колебаниям через шесть (!) поколений исследователей. В СССР эту трансляцию осуществляла школа Мандельштама.
4. Идеологические и организационные сдвиги в отношении физики, химии и биологии
Легитимация реакции Белоусова и последующие исследования А.М. Жаботинского с соавторами были обеспечены теми организационными и идеологическими изменениями в отношениях между физикой, химией и биологией, которые происходили в 50-е гг. Жаботинский начал свои исследования на кафедре биофизики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и продолжил их в Институте биофизики, находящемся в Пущино-на-Оке. Первая статья Жаботинского была опубликована в 1964 г. в журнале «Биофизика». Заметим, что еще в конце 50-х гг. биологические журналы не брали статьи о периодических химических реакциях. Так, например, Д.С. Чернявский рассказал автору настоящей статьи о своих безуспешных попытках опубликовать в биологических журналах статью о периодическом химическом процессе в фотосинтезе. В 1960 г. эта статья была опубликована в «Успехах физических наук» при помощи зав. отделом теоретической физики Физического института АН И.Е. Тамма (в будущем нобелевского лауреата)19. С.Э. Шноль также рассказывал автору о своей так и не опубликованной статье конца 50-х гг.
Какие же организационные сдвиги имели место в 50-х гг.? В начале 50-х гг. в Москве воссоздается Институт биофизики АН СССР, директором которого назначается Г.М. Франк (первоначально этот институт был организован в 1919 г.). В начале 1960-х гг. этот институт перемещается в Пущино-на-Оке Московской обл. Еще раньше в Москве в структуре Академии медицинских наук был образован Институт медицинской и биологической химии во главе с В.А. Энгельгардтом. Позднее уже в системе «большой» академии на базе этого института был образован Институт молекулярной биологии. В 1958 г. была организована кафедра биофизики на физическом факультете МГУ, в 1959 г. кафедра молекулярной биофизики возникла в Московском физико-техническом институте. Позднее на базе этой кафедры был образован новый факультет физико-химической биологии.
Как и всякие организационные инновации, перечисленные выше события были обусловлены различными административными соображениями, в том числе и политическими. Они отвечали на запросы практики: фактически все вышеназванные организации занимались вопросами профилактики и лечения лучевой болезни и шире — вопросами биологических и физиологических последствий ядерного взрыва. Но за ними проглядывается и процесс, который условно может быть назван гуманизацией естествознания. Среди физиков и математиков возник интерес к тем проблемам, которые стоят ближе к человеку, в частности к биологическим проблемам. Вот отрывок из воспоминаний зав. лаборато-
рией Института биофизики АН СССР Валентина Израилевича Кринского20. Речь идет о событиях конца 50-х и начала 60-х гг. прошлого века. «По-моему, на четвертом курсе Физтеха я был на практике во Фрязино. Сверхвысокочастотные лампы обратной волны нам быстро осточертели, и мы стали смотреть, какой бы заняться интересной задачей, где физика была бы не сама по себе, а полезной для людей. Пусть будет биофизика, — решили мы. И вот втроем — студенты Физтеха — являемся к Глебу Михайловичу на Профсоюзную улицу (речь идет о Г.М. Франке, директоре Института биофизики АН СССР, который до его переезда в Пущино-на-Оке находился в Москве на Профсоюзной улице. — А.П.). "Вот, Глеб Михайлович, мы из Физтеха. Покажите, что у нас в Биофизике есть, и если нам понравится, то мы расскажем на Физтехе, и сюда пойдут люди"... И нам действительно понравилось...
А в 1959 или в 1960 г. пришел к Глебу Михайловичу Израиль Моисеевич Гельфанд, которому казалось, что математика в то время перевернет биологию (речь идет о крупном математике, работавшем в МГУ им. М.В. Ломоносова. — А.П.). Он организовал у Франка теоротдел, и я пошел к нему в аспирантуру. После аспирантуры я прикинул, что могу заниматься теорией автоматов. Была идея, что поведением простых автоматов можно моделировать мозг...»21
Впоследствии В.И. Кринский занимался работой сердечной мышцы. Как и А.М. Жаботинский, он применял аппарат теории колебаний Мандельштама—Андронова и исходил из понятия автоколебаний. С 1967 г. он стал сотрудничать с А.М. Жаботин-ским, поскольку стало ясно, что «мы занимаемся одним и тем же»22. «Одним и тем же» в данном случае означает, что уравнения, описывающие оба этих процесса, идентичны.
Вышеприведенную историю дополняет рассказ специалиста по прикладной математике, который уже непосредственно был причастен к исследованиям А.М. Жаботинского. Автор настоящей статьи имеет здесь в виду интервью, данное ему Альбертом Макарьевичем Молчановым (1928 г. рожд.), который с 1968 г. возглавлял отдел математического моделирования Института биофизики АН. А.М. Молчанов был научным руководителем М.Д. Корзухина, с которым А.М. Жаботинский совместно выполнил математическую часть своего исследования.
В 1940-е и 1950-е гг. А.М. Молчанов работал в Институте прикладной математики, руководимом М.В. Келдышем. Ему приходилось, в частности, заниматься задачей, связанной с развитием огненного шара, образующегося при ядерном взрыве. Он проводил расчеты по заданию упоминавшегося выше Я.Б. Зельдовича. В конце 50-х гг. под влиянием С.Э. Шноля увлекся биологичес-
кими задачами. С.Э. Шноль привел его в Институт биофизики АН, находящийся в Пущино-на-Оке. Первоначально А.М. Молчанов работал в этом институте на общественных началах, затем — по совместительству (на один день в неделю приезжая из Москвы), а потом перешел туда полностью.
До сих пор речь шла о социальных аспектах интеграционных процессов, охвативших физику, химию и биологию. Однако эти процессы могут быть рассмотрены и в гносеологическом плане. В этом случае мы увидим тенденцию редукции биологии к химии и физике, обозначившуюся в первые десятилетия XX в. и наметившуюся после войны в известном смысле противоположную тенденцию — тенденцию к физическому и химическому освоению опыта живой природы.
Редукционизм (пусть умеренный, признающий своеобразие живого) был методологическим обоснованием биохимии. Эта наука возникает при попытках объяснить живое исходя из взаимодействия неживых молекул, составляющих живой организм. Крупнейшим достижением биохимии было химическое объяснение метаболизма, завершившееся в 1930-е гг. открытием упоминавшегося цикла Кребса.
В Советском Союзе редукционизм не был популярен ввиду его противоречия принципам марксизма, выраженным Ф. Энгельсом в «Диалектике природы». Он противоречил и доктрине академика Т.Д. Лысенко. Даже в 1964 г. не многие могли себе позволить то, что утверждал математик А.А. Марков: «Нужно стремиться объяснить явления в живой природе. А что значит объяснить? Это значит свести к чему-то более простому. И нет ничего плохого в том, что все будет сводиться к физическим законам... Это и есть идеал, к которому нужно стремиться»23.
Нас, однако, интересует не только редукционизм, но и противоположный принцип, нацеливающий на освоение опыта живой природы. Именно этот принцип стоял за легитимацией реакции Белоусова и вообще проблематики колебательных химических реакций. Принцип освоения опыта живой природы уходит своими корнями в философские идеи Я. Берцеллиуса, одного из основателей органической химии (первая половина Х1Х в.). В 1960-е гг. его высказывал нобелевский лауреат Н.Н. Семенов, функционировавший в качестве идеолога советской химии. «Природа при зарождении и эволюции новых организмов, — писал он, — создала молекулярные машины совершенно исключительной точности, быстроты действия и необычайного совершенства... Используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет построить новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных
молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы такой степени специфичности, что далеко превзойдут существующие в нашей промышленности»24.
Принцип освоения опыта живой природы преломлялся в задачах кибернетического моделирования, которые упоминал цитируемый выше В.И. Кринский. Для С.Э. Шноля и ряда других биофизиков вдохновляющее значение имела идея «биологических часов», физиологических ритмов живых организмов, автономных по отношению к астрономическим ритмам. Начиная с 1930-х гг. эта идея развивалась Е. Бюннингом, проводившим опыты с растениями. Эти исследования были подытожены в его книге25. На «биологические часы» ссылались Чернявская и Чернявский в цитируемой выше статье о периодических процессах в фотосинтезе (см. начало настоящего параграфа). Хотя в первой своей статье С.Э. Шноль выявил биохимическую периодичность чисто эмпирически (по крайней мере, он утверждал это в интервью, данном автору настоящей статьи), периодичность мировых процессов его интересовала всегда. С.Э. Шноль не только ссылался на Бюннин-га в своих последующих работах, он выступил также в качестве редактора русского перевода международного сборника статей, посвященного биологической периодичности. В своем предисловии С.Э. Шноль предположил, что физиологической периодичности (эндогенным ритмам) соответствует биохимическая периодичность, периодичность на уровне химических процессов, происходящих в организме26.
А.М. Жаботинский уже не придавал большого значения биологической периодичности. Хотя ссылки на биологическую значимость позволили ему начать свои исследования на кафедре биофизики физического факультета МГУ, его методология была скорее редукционистской: он стремился понять реакцию Белоусо-ва на базе физико-математической теории колебаний. Итак, реакция Белоусова изучалась как в редукционистском, так и в антиредукционистском методологическом контексте.
5. Заключение
Вернемся к тому, с чего начиналась настоящая статья. Колебательным химическим реакциям суждено было сыграть важную мировоззренческую роль. Эти реакции (в первую очередь реакция Белоусова—Жаботинского) стали примерами сложных систем, на которых сосредоточено современное естествознание. Мировоззренческое значение имеет также и само историческое развитие идеи химических колебаний. История науки показывает значимость энтузиазма исследователей, их увлеченности философским аспектом проблемы. Интерес к химическим колебаниям поддерживался благодаря методологии, передающейся от поколе-
3 ВМУ, философия, № 6
ния к поколению исследователей. История науки также свидетельствует в пользу методологического плюрализма, который позволяет преодолеть стереотипы.
ПРИМЕЧАНИЯ
I Шемякин Ф.М., Михалев П.Ф. Физико-химические периодические процессы. М.; Л., 1938. С. 25.
5 См.: Родный Н.И., Соловьев Ю.И. Вильгельм Оствальд. М., 1969.
3 См.: Круг Г.И., Польман Л. Вильгелм Оствальд на подходе к созданию синергетической школы // Концепция самоорганизации в исторической ретроспективе / Отв. ред. A.A. Печенкин. М., 1994. С. 36—54.
4 Время и современная физика / Пер. с фр.; Под ред. и с предисловием Д.А. Франк-Каменецкого. М., 1970.
5 Зельдович Я.Б. Главная книга Д.А. Франк-Каменецкого и ее автор// Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М., 1987. С. I—VII.
6 См.: Сальников И.Е. О теории гомогенных периодических реакций // Журнал физической химии. 1949. Т. 23. С. 258—272.
7 См.: Полещук В.В. На общих основаниях// Новый мир. 1984. № 11. С. 184—205.
8 См.: Шноль С.Э. Герои и злодеи российской науки. М., 1997.
9 См.: Полещук В.В. Указ. соч. С. 194.
10 См.: Белоусов Б.П. Периодически действующая реакция и ее механизм // Автоволновые процессы в системах с диффузией. Горький, 1981. С. 178—186.
II См.: Шноль С.Э. О самопроизвольных переходах препаратов актомиозина из одного состояния в другое // Вопросы медицинской химии. 1958. Т. 4. С. 433—440.
12 См.: Белоусов Б.П. Периодически действующая реакция и ее механизм // Сборник рефератов по радиационной медицине, 1958. М., 1959. С. 176—186.
13 См. описание этой трактовки в статьях: Печенкин А.А. Методологические принципы школы Л.И. Мандельштама и традиции немецкой физики // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 7. Философия. 1995. № 6. С. 15—24; Pechenkin А. The Importance of Strasbourg Period of Mandelstam' s Life for his Further Work in Science // NTM — Zeitschrift fuer Geschichte und Ethik der Naturwissenschaften, Technik und Medizin. 1999. N 2. P. 93—104.
14 Andronov А.А. Les cycles limites de Poincare et la theorie des oscillations autoentretenues // Comptes Rendus Acadеmie des Sciences. 1929. 189: 559—561. Перепечатано: Андронов A.A. Собр. трудов. М., 1956. С. 41—43; Андронов A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М., 1937.
15 Kremann R. Die periodischen Erscheinungen in der Chemie // Chemischer und chemisch-technischer Vorträge. Stuttgart: Verlag von Ferdinand Enke, 1913.
16 См.: Андронов А.А., Хайкин С.Э. Указ. соч.
17 См.: Лев Ж. Динамика живого. Одесса, 1910.
18 См.: Шемякин Ф.М., Михалев П.Ф. Указ. соч. С. 25—26; Hedges E.S., Myers J.E. The problem of physico-chemical periodicity. L., 1926. P. 85.
19 См.: Чернявская Н.М., Чернявский Д. С. Периодические явления в фотосинтезе // Успехи физических наук. 1960. Т. 72. С. 627—649.
20 Циг. по: Грибова З.П. Глеб Михайлович Франк. 1904—1976. М., 1997. С. 167—168.
21 Там же.
22 Там же. С. 167.
26 Марков А. А. Об отношении физических законов к биологическим // О сущности жизни. М., 1964. С. 169.
24 Циг. по: Семенов Н.Н. Наука и общество: Сб. статей и выступлений. М., 1981. С. 192—194.
25 Banning Е. Die physiologische Uhr. Berlin, 1958.
26 См.: Шноль С.Э. Предисловие к русскому изданию книги «Биологические часы». М., 1964. С. 7.
