“Una nueva verdad científica no suele imponerse convenciendo a sus oponentes sino más bien porque sus oponentes desaparecen paulatinamente y son sustituidos por una nueva generación familiarizada desde el principio con la nueva verdad”.
“Cualquier persona que se ha visto seriamente comprometida en el trabajo científico de cualquier tipo se da cuenta de que en las puertas de entrada del templo de la ciencia están escritas las palabras: ‘debes tener fe’. Es una virtud que los científicos no pueden prescindir”.
—Max Planck (1858-1947), Premio Nobel de Física 1918
A veces, las sorpresas adquieren la inocente forma de un sobre cerrado, como el de una carta. Quizá nuestro protagonista ya lo esperaba. Meses atrás había enviado un manuscrito científico donde describía de la manera más rigurosa que le permitían los equipos experimentales de su tiempo una reacción química. Una especie de reloj químico. Era el resultado de seis años de trabajo. Y ahora, en sus manos, tenía de vuelta la respuesta a la evidencia proporcionada.
Abierto el sobre, y conforme sus ojos barren cada línea de la carta, en su rostro se forman líneas de expresión que reflejan, sin atisbo de duda, un solo sentimiento: cólera. El editor de la revista quiere reducir el trabajo minucioso de seis años al espacio de una carta y sin la posibilidad de calificar al resultado de investigación como un descubrimiento científico, que califica de “imposible”. Es en ese momento cuando Boris Pavlovich Belousov —a la sazón con 64 años— decide no publicar jamás. De esta manera, se exilia del mundo científico al que con tanto ahínco se había dedicado hasta entonces. Son finales de los años cincuenta, y Belousov viviría hasta 1970 sin llegar a ser reconocido en vida. El tufo a “herejía científica” que rodeaba a su reacción química “imposible” no se disiparía hasta que, en 1980, junto a otros científicos, recibe de manera póstuma el Premio Lenin.
El trabajo pionero de Belousov comenzó en el Laboratorio de Biofísica del Ministerio de Salud de la extinta URSS, donde ocupaba el puesto de director al inicio de la década de los cincuenta. Allí buscaba desarrollar un modelo simplificado del ciclo (bioquímico) de Krebs, el mecanismo por el cual nuestro organismo (y muchos otros) transforman el alimento que consumimos en moléculas portadoras de energía (adenosín trifosfato, ATP por sus siglas en inglés) y aminoácidos, los bloques de construcción de las proteínas.
Para simular a ciertos iones metálicos que se unen a las proteínas en las células vivas, Belousov utilizó el ión metálico cerio, el cual actuaría como catalizador de la reacción en solución. Típicamente los iones cerio tinten de amarillo las soluciones pero, para sorpresa de Belousov, la solución cambiaba de color de manera periódica. Es decir, había un momento en que la solución se mostraba incolora pero luego se teñía de amarillo por un periodo de tiempo dado. Estas oscilaciones en el color podían llegar a durar hasta una hora, y a temperatura ambiente, un comportamiento nunca antes observado en una reacción química hasta donde Belousov tenía conocimiento.
Consciente de lo singular de la reacción, documentó el fenómeno lo mejor que pudo. Por ejemplo, fotografió el ir y venir del color amarillo de la reacción con reloj de mano incluido para mostrar los tiempos de oscilación y cómo se modificaban al variar tanto la temperatura como la acidez del medio de reacción. Incluso desarrolló una propuesta del posible mecanismo de reacción y su receta de laboratorio para que los revisores pudieran reproducirla, incluyendo la recomendación de un colega de cambiar el cerio por un compuesto de hierro que, además de catalizador, crearía un cambio de color más dramático cuando se presentaran las oscilaciones en la reacción.
Sin embargo, a pesar de lo exhaustivo de la documentación, los revisores rechazaron el supuesto descubrimiento de Belousov y lo tacharon de imposible. Quizá los cambios de color se debían a una contaminación en la reacción o algún otro “artificio” no reportado. Después de este primer rechazo, Belousov le dedicó todavía seis años más a caracterizar la “reacción imposible”, recabando evidencia que le ayudaría a obtener un solo veredicto por parte de los revisores: las oscilaciones en una reacción química eran posibles, y allí estaba Belousov con una receta que todo mundo podía reproducir y maravillarse con las taimadas apariciones de color amarillo o rojo.
Lamentablemente, Belousov tuvo que enfrentar el veredicto opuesto. Lo más que pudo obtener fue la posibilidad de publicar sus resultados como una carta: no sólo minimizaban el espacio sino también su impacto al mundo de la química. Aunque Belousov terminó publicando su descubrimiento en 1959 en forma de resumen en una revista de radiología que no contaba con revisión por pares, jamás volvió a tocar el tema. Sin embargo, nunca se deshizo por completo de sus notas de laboratorio que detallaban la reacción oscilatoria, mismas que circulaban entre los pasillos de la academia como una rareza. Dichas notas llegaron hasta las manos del profesor Simon Elevich Schnoll, del Instituto de Biofísica Teórica y Experimental de Púshchino, Rusia. Schnoll le encargó a un estudiante suyo que investigara más a profundidad sobre la “misteriosa e imposible” reacción de Belousov . El nombre del estudiante era Anatole Zhabotinsky.
Para 1961, Zhabotinsky logró desarrollar una mejor formulación de la reacción para estudiar las oscilaciones observadas por Belousov. Eran los años de la Guerra Fría, por lo que no existía la apertura suficiente para que las ideas de los científicos en la URSS se difundieran en un público más amplio, lo que mantuvo los resultados del dúo Belousov-Zhabotinsky fuera del radar de los descubrimientos científicos. Todo cambió en 1968, cuando Zhabotinsky presentó sus resultados en una conferencia en Praga sobre “Osciladores bioquímicos y biológicos”. El interés de la comunidad científica de Europa y Estados Unidos fue grande —y se comenzaron a atar cabos. Tan sólo un año antes, Ilya Prigogine (más tarde Premio Nobel de Química en 1977) y un grupo de colaboradores en la Universidad Libre de Bruselas habían diseñado (teóricamente) una reacción química autocatalítica (aquella donde los productos de la reacción sirven también como reactivos) muy sencilla, pero capaz de exhibir las oscilaciones sostenidas como las observadas originalmente por Belousov. En un chispazo de ingenio, un científico decidió bautizar a esta reacción como Brusselator, dado que el trabajo de investigación se había llevado a cabo en Bruselas y el sistema químico se comportaba como un oscilador.
Otro fenómeno importante que logró explicar la reacción Brusselator fue la formación de patrones espacio-temporales (como las rayas de una cebra) cuando se modelaba la reacción como si ésta tuviera lugar en una caja de petri, es decir, donde los reactivos no se mezclaran completamente como ocurre en un vaso de precipitados, por ejemplo. La formación de patrones también ocurre en la reacción de Belousov-Zhabotinsky: ondas viajeras y espirales que aparecen, colisionan, se anulan o se magnifican en una caja de petri.
A pesar de las similitudes entre ambas reacciones, aún no se contaba con un modelo matemático como el del Brusselator con el cual explicar la realidad observada en la reacción de Belousov-Zhabotinsky. Esto habría de cambiar tras la conferencia en Praga, cuando algunos científicos en Estados Unidos se interesaron en el reto de diseñar un modelo matemático de la reacción de Belousov-Zhabotinsky. En 1974, Richard J. Field y Richard M. Noyes, de la Universidad de Oregon, reportaron un modelo de reacciones químicas que explicaba en términos generales el comportamiento experimental de la reacción de Belousov-Zhabotinsky. Siguiendo la tradición impuesta por el Brusselator, a este modelo de reacción se le acuñó como Oregonator (por la Universidad de Oregon y la palabra oscilador). Semejante aportación al mundo de la química los llevó a confesar que “la existencia, forma y significado del Oregonator se le ocurrió a uno de los autores durante un sermón sumamente aburrido”.
Posteriores análisis del Oregonator mostraron que el modelo no podía abarcar todo el abanico dinámico del que es capaz la reacción de Belousov-Zhabotinsky, como la existencia de oscilaciones complejas o caos químico. Lo anterior impulsó a diversos grupos de investigación durante las siguientes décadas a desarrollar modelos cada vez más detallados (del orden de hasta ochenta reacciones químicas) que replicaran, con una diferencia de segundos, el inicio de las oscilaciones caóticas de la reacción de Belousov-Zhabotinsky registradas en el laboratorio. Alejándose de la tendencia de crear modelos cada vez más complejos e intrincados, Richard Field y László György propusieron un modelo simple (tres ecuaciones) que sí reproducía las oscilaciones caóticas.
A pesar del rechazo inicial que sufrió Belousov por mostrar que podían existir osciladores químicos, hoy su reacción se ha vuelto sinónimo de dinámica compleja en química, y se ha convertido en un banco de laboratorio para explorar otras clases de comportamientos como la sincronización química, la resolución de laberintos y la creación de gotas con arquitecturas funcionales, por mencionar algunos. Si bien es triste que Belousov no pudo disfrutar en vida del reconocimiento científico que merecía por su descubrimiento, y que las críticas lo hayan orillado al ostracismo, recordemos que “el primero en atravesar la pared siempre acaba sangrando. Siempre.”
Martín Méndez
Doctor en Ciencias Aplicadas por el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica A. C. (IPICYT), entusiasta de la divulgación científica y la innovación, más presente en el futuro que en el ahora.
Referencias
Chang, K. M., de Planque, M. R. R. y Zauner, K.-P, “Towards Functional Droplet Architectures: a Belousov-Zhabotinsky Medium for Networks”, Scientific Reports 8, 2018, pp. 1–12
Epstein, I. R. y Pojman, J. A. An Introduction to Nonlinear Chemical Dynamics: Oscillations, Waves, Patterns, and Chaos, Oxford University Press, 1998
Field, R. J. y Noyes, R. M., “Oscillations in chemical systems. IV. Limit cycle behavior in a model of a real chemical reaction”, The Journal of Chemical Physics, 60, 1974, pp. 1877–1884
Györgyi, L. y Field, R. J., “A three-variable model of deterministic chaos in the Belousov–Zhabotinsky reaction”, Nature, 355, 1992, pp. 808–810
Miller, Bennett, Moneyball, Columbia Pictures, 2011
Winfree, A. T., “The prehistory of the Belousov-Zhabotinsky oscillator”, Journal of Chemical Education 61, 1984, pp. 661