Reazione di Belousov-Zhabotinsky: la "chimica impossibile" rifiutata dalle riviste per dieci anni

Un mattino del 1951, in un laboratorio del ministero della Sanità sovietico a Mosca, il biochimico Boris Pavlovich Belousov mescolò in un becher acqua, acido citrico, bromato di potassio e cerio (IV). Voleva costruire un modello inorganico del ciclo di Krebs, quello che nelle nostre cellule trasforma il piruvato in energia. Cosa accadde a quel punto è uno degli aneddoti più citati della storia della chimica novecentesca: la soluzione cominciò a oscillare di colore tra giallo e incolore in modo perfettamente periodico. Più Belousov la lasciava lì, più continuava a oscillare. Per ore.

Sembrava una violazione della seconda legge della termodinamica. Una reazione non poteva tornare indietro spontaneamente: doveva procedere verso l'equilibrio in un colore stabile e basta. Eppure quella soluzione lo faceva sotto i suoi occhi. Belousov non era un chimico universitario. Era un militare reduce della seconda guerra mondiale, capo di un laboratorio biomedico, abituato a misurare ed essere creduto sulla parola. Quando provò a pubblicare la sua scoperta, due riviste sovietiche la rifiutarono. Una delle risposte editoriali, riportata anche dalla voce enciclopedica, recitava: «chiaramente impossibile».

Il principio del bilancio dettagliato

L'obiezione degli editori non era irrazionale: la chimica del tempo si appoggiava al principio del bilancio dettagliato, secondo il quale all'equilibrio ogni reazione elementare e la sua inversa devono procedere alla stessa velocità. Ne segue che la concentrazione di nessun prodotto può oscillare nel tempo. Come spiega un articolo divulgativo della Hofstra University, i chimici applicavano questo principio anche a reazioni lontane dall'equilibrio, dove invece non vale: la termodinamica del non-equilibrio era ancora una disciplina giovane e poco accettata.

Dal cassetto al simposio

Belousov non si rassegnò. Nel 1959 riuscì a pubblicare un riassunto del suo lavoro in una rivista non peer-reviewed di medicina delle radiazioni, dove rimase inosservato. Pochi anni dopo, però, il giovane biofisico Anatol Zhabotinsky dell'Università Statale di Mosca riprese in mano la ricetta, la modificò sostituendo l'acido citrico con l'acido malonico più stabile e ottenne oscillazioni così pulite da poter essere registrate su un grafico. Zhabotinsky pubblicò i risultati nel 1964 su una rivista di biologia e su un volume dell'Accademia delle Scienze sovietica.

Boris Belousov, autodidatta e schivo, rifiutò sempre di partecipare ai congressi. Morì nel 1970 senza vedere il vero riconoscimento internazionale. Sei anni dopo, nel 1976, il premio Lenin fu assegnato a lui (postumo) e a Zhabotinsky insieme.

Le spirali nella piastra Petri

Negli anni Settanta i ricercatori americani Arthur Winfree e Richard Field aggiunsero un dettaglio spettacolare: se la reazione BZ viene posta in una sottile lamina ferma di liquido in una piastra Petri, anziché in un becher agitato, le oscillazioni diventano spaziali. Si formano onde concentriche e spirali rotanti, simili a quelle che osserviamo nelle aritmie cardiache e nella corteccia cerebrale durante alcune emicranie. Il resoconto storico di Zhabotinsky, scritto dallo stesso ricercatore poco prima di morire, racconta come quelle spirali abbiano aperto un capitolo nuovo della scienza non lineare.

Perché ci interessa oggi

La reazione BZ è diventata il modello di laboratorio dei sistemi dissipativi: sistemi che si auto-organizzano scambiando energia con l'esterno. È citata in chimica, biologia (battito cardiaco, segnalazione cellulare), neuroscienze (onde di depolarizzazione corticale), informatica (la computazione chimica). Una rassegna su Frontiers in Chemistry del 2021 raccoglie centinaia di applicazioni proposte: dai sensori molecolari ai motori autonomi su scala microscopica.

Una lezione per gli editori

La storia di Belousov è oggi un caso di studio della filosofia della scienza. Insegna due cose, scrive l'articolo Scholarpedia dedicato alla reazione: che le "impossibilità" della termodinamica vanno verificate caso per caso e che il peer-review a volte respinge proprio le idee giuste. Per chi insegna chimica nelle scuole superiori, però, è anche qualcosa di molto concreto: una ricetta da provare in laboratorio, con i ragazzi che guardano la soluzione cambiare colore avanti e indietro come un cuore che batte. Per molti è il primo momento in cui la chimica smette di sembrare una contabilità di formule e diventa, davvero, qualcosa di vivo.