Ритм Вселенной. Как из хаоса возникает порядок

Обычно самым занимательным результатом, которого можно ожидать при выполнении какого-либо химического эксперимента, является возникновение облачка дыма или отвратительного запаха. В отличие от этих, вообще говоря, тривиальных случаев, эксперимент с супом Жаботинского позволяет исследователю удовлетворять свое интеллектуальное любопытство в течение очень долгого времени. Если этот суп приготовить в соответствии с оригинальным рецептом, то он ведет себя подобно самопроизвольному осциллятору и является химическим аналогом клеток задатчика сердечного ритма. Он ритмично изменяет свой цвет десятки раз, туда и обратно, становясь попеременно то небесно-голубым, то ржаво-красным, приходя в конце концов (примерно через час после начала химической реакции) в состояние равновесия. На молекулярном уровне такие проявления могли бы выглядеть еще более впечатляюще, если бы, конечно, мы могли наблюдать их: триллионы связанных осцилляторов, пританцовывающих в идеальном синхронизме – самый массовый танец в стиле кантри из тех, которые когда-либо удавалось организовать.

При использовании нового, более утонченного рецепта эта химическая реакция является возбудимой. Поначалу она выглядит обескураживающе инертной. Осцилляции практически отсутствуют. Но если налить тонкий слой этого красного супа в чашку Петри, а затем проколоть этот слой серебряной проволочкой или горячей иголкой, он внезапно запускает голубую круговую волну, которая распространяется, подобно огню на сухой траве. Это химическая волна: импульс запускает реакцию, при которой вещество в чашке Петри окисляется. После того как эта волна пройдет, вещество переходит в состояние покоя и снова приобретает красный цвет, точно так же как трава, выгоревшая в результате пожара, со временем снова начинает расти. (Конечно же, предложенная мною аналогия с травой не идеальна. Химические вещества восстанавливаются гораздо быстрее, чем выгоревшая трава; следом за первой волной может двигаться вторая волна.)

Химические волны совершенно не похожи на волны, изучаемые в традиционных курсах физики (например, звуковые волны или рябь на поверхности пруда). Когда химическая волна распространяется путем диффузии, поверхность жидкости не поднимается и не опускается. Она остается неподвижной. Подвижной оказывается картина возбуждения, своего рода «химическое заражение». Еще одно отличие от обычных волн заключается в том, что химические волны не ослабевают, подобно звуковым волнам или ряби на поверхности пруда, по мере распространения в сто

роны от места их зарождения. Каждый клочок этой среды служит новым источником энергии, которая подпитывает волну, не давая ей угаснуть.

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.