从伯纳德花纹到化学振荡的发现

图 14 温度梯度造成了气体分布的浓度梯度

宏观系统的自然倾向是沿着时间箭头走向平衡态。但实验发现，当两种气体的混合体由于加热而离开平衡态后，组织便会以一种简单浓度梯度的形式出现。如图 14 所示盛有氢气和硫化氢气体混合物的容器，使两端产生并保持一个很小的温度差，就会发现两种气体将逐渐分离，较轻的氢气多流向较热的一边，较重的硫化氢气则多聚集于较冷的一边，形成了各自的浓度梯度。这个现象表明，在不可逆的非平衡态过程中，可以产生出有序性。

图 14 温度梯度造成了气体分布的浓度梯度

当系统远离平衡态时，还会出现更加壮丽的有序组织。1900 年，法国的伯纳德(Bernard，Henri)首次发现了蜂巢状的自组织花纹（图 15）。在一个透明的碟子里加入一些液体，在炉子上加热，液体在竖直方向上便产生一个温度差。当液层顶部和底部之间的温度差达到一个阈值后，对流开始，下层较热的液体流入上面较冷的部分。这时由于浮力、热扩散、粘滞力三种作用的耦合而形成液面上大范围规则的蜂巢状花纹（“伯纳德花纹”）。这种蜂巢结构的尺度约为分子间距的一亿倍。为了形成这种蜂巢状的对流单元，无数分子必须遥相呼应、协调行动。这表明，热的耗散把熵从系统中输出，使系统低熵的蜂巢结构得以产生并维持下去。

图 15 伯纳德花纹的全貌（甲）和局部放大（乙）

化学反应会发生振荡。1921 年，伯克利加州大学的布雷(Bray，William)在用碘作催化剂使过氧化氢分解为水和氧气时，第一次发现了振荡式的化学反应。但是当时化学家们错误地确信，热力学定律不允许振荡，因而用实验方法的疵病为借口否定了这个发现。

1952 年，英国数学家图灵(Turing，Alan)在一篇论文中，提出了像化学振荡一类现象的可能性。图灵对形状、结构和功能在生物体中的出现感到兴趣，期望为生物学中所谓的“形态来源论”找到一个化学基础。他提出了这样一个简单问题：一个有机体是如何把一个化学浑汤规整成为一个生物结构，如何使一团完全相同的细胞变成一个有机体？这是生命形成的一个难题。比如，一个哺乳动物的胚胎，本来是一个许多细胞组成的球体， 支配它发展的生物化学反应的均匀、不可逆的扩散，本应保持这种球对称性，为何却反而孕育出不具有这种球对称性的动物形体？图灵证明了，受精卵变成生物的复杂形态所必需的这种对称性的破坏，的确可以发生。他已经触及到了问题的底蕴，即在平衡态附近，对称的均匀状态是稳定的； 远离平衡态时，均匀状态就会因为无处不在的涨落而变成不稳定的。图灵

还发现，各种颜色的物体具有不同的扩散率，在液体里相互起反应，就会变化其浓度而形成空间不随时间变化的稳态图案，也可以产生彩色波浪的振荡式图案。图灵的这种思想，在将近 20 年的时间里没有受到化学家和生物学家的注意。

比图灵的工作稍早，50 年代初，俄国化学家别洛索夫(Be-lousov， B.P.1893～1970)做出了化学振荡反应的关键工作。他用柠檬酸、溴酸钾、硫酸作配剂，用铈盐作催化剂进行实验，他惊讶地发现，溶液开始在无色和淡黄色两种状态间变来变去（相当于带电铈离子的两种不同的形式）， 即发生了颜色规则的周期振荡。这样，别洛索夫就首次提供了一个实在的化学反应，支持“反应-扩散”双重不可逆过程可以产生自组织的概念。但不幸的是，这个反应的奇特行为是化学家和生物学家们无法相信的，所以他的论文屡遭拒绝，最后在一个辐射医学学术讨论会的文集中刊登出来。当时人们认为热力学第二定律确言：任何化学反应只能走向退化的平衡态，在两种颜色之间的化学振荡当然是不可能的。

1963 年，从莫斯科大学生物化学系毕业的扎鲍廷斯基(Zhabotinskii，A.M.)对别洛索夫的配方做了一些修改，主要是用铁盐代替了铈盐，使颜色更鲜艳地从蓝变红，出现周期性的红-蓝变化。如果化学混合物在一薄层内扩散，就会形成圆形波和螺旋波纹。这就是“BZ 反应”。这一发现终于取得了承认，众多的化学振荡反应被做了出来。近 20 多年来，自组织化学反应的研究，已经成为很时髦的一门学科。

美国化学家温弗利(Winfree，Art)对此评论说：“虽然‘BZ 反应’谈不上具有一个可以变异、可以演化的遗传系统，它有不少特点，就是使我们对生物体系感到兴趣的特点：诸如化学的新陈代谢（有机酸氧化为二氧化碳），自我组织的结构，有节奏的活动，在某些极限以内的动态稳定， 在这些极限以外的不可逆的解体，一个自然的寿命等等。”①