Hay un experimento de Química que quizá sea uno de los más importantes y decisivos del siglo XX. Sin embargo, es muy poco conocido por el gran público y no se enseña en los institutos, en parte, imagino, por la incapacidad de los profesores de Química de esa cosa llamada bachillerato.

Hablo de la reacción de Belousov-Zhabotinsky. 
Boris Belousov empezó a interesarse por la Química siendo un adolescente. Su objetivo era fabricar una bomba lo suficientemente eficiente para matar nada menos que al Zar de Rusia. Bueno, es un objetivo moralmente cuestionable, o quizá no, me producen cierta simpatía los magnicidios… pero, en cualquier caso, gracias a ese impulso guerrero en el momento convulso del nacimiento de la URSS, surgió uno de los químicos soviéticos mas recordados. Belousov se interesó por la Bioquímica y, en particular, por el Ciclo de Krebs, una vía metabólica que constituye el motor fundamental de nuestras células. 
Intentando encontrar un modelo experimental para el ciclo de Krebs, en 1953 hizo un descubrimiento genial: halló un modo sencillo de obtener una reacción química oscilante, que no estaba en equilibrio y con peculiares propiedades termodinámicas. 
Intentó publicar sus resultados, pero rechazaron su trabajo. Sencillamente nadie se podía creer, en la mentalidad química de la época, que tal reacción era posible. Lo llamaron “pseudociencia” y le tacharon de loco. No os sorprendais, incluso ahora muchos profesores os hablarán del equilibrio químico, pero ninguno sobre las reacciones oscilantes y caos determinista en reacciones químicas.
Belousov se cabreó mucho. Tanto que dejó la investigación y se dedicó en exclusiva a su trabajo en el Ministerio de Salud de la URSS. Al cabo de un tiempo, un colega le persuadió de que publicara sus resultados, aunque fuera en ruso en una desconocida revista, y le pidió permiso para que su joven alumno, Anatoli Zhabotinsky, continuara su trabajo. Belousov accedió. A su muerte, aún no había tenido eco aquel descubrimiento. Sin embargo poco después, impulsó todo un campo de trabajo y hoy muchos investigadores trabajan en aquella reacción genial, sus variantes y sus aplicaciones en Física, Bioquímica y Biología. Belousov nos ha ayudado a explicar cosas como las turbulencias, a hacer mejores predicciones meteorológicas o a comprender la forma de la concha de un caracol. 
Como hacer la Reacción de Belousov

Preparamos las siguientes disoluciones:
A: 5 gramos de bromato sódico en 67 ml de agua. Añadir 2 ml de ácido sulfúrico concentrado (cuidado! corrosivo)
B: Bromuro sódico 10%
C: Acido Malónico 10%
D: Ferroína 0.025M (se compra hecha en proveedores de productos químicos)
E: Tritón X-100 1%. Esto es un detergente muy usado en biología molecular. Servirá para que quede mas bonito lo que vereis despues.
Nos ponemos al aire libre o en una campana de gases y se mezcla en un vaso de precipitados grande :
24 ml A + 2 ml B + 4 ml C
Se produce un desprendimiento de bromo, en forma de vapores rojos. Se deja reposar hasta que el bromo se va y la solución queda incolora. Entonces se añade
4 ml de D + 4 gotas de E
Y se añade el líquido en una placa de petri de modo que nos quede una capa de líquido de mas o menos 1 mm de espesor. Se deja reposar sin tocar ni agitar y veremos esto:

En la primera foto vemos la formación de capas concéntricas. Pueden formarse estructuras en espiral o formas de lo mas variada. Las figuras resultantes son irrepetibles e impredecibles, ya que es una forma de caos determinista: el sistema es impredecible por su extrema sensibilidad a las condiciones iniciales. Es lo mismo que nuestras huellas dactilares, que son únicas e irrepetibles, ya que se forman por un principio similar de autoorganización.
En la segunda imagen vemos que el sistema pasa de oscilante a caótico y finalmente toda la solución quedará azul. Las burbujitas son de dióxido de carbono. 
La reacción global es:
Acido malónico + bromato –> bromuro + dióxido de carbono. 
La ferroína (complejo de hierro-fenantrolina) es un catalizador e indicador redox. Cataliza la transferencia de electrones desde el donador al aceptor y tiene coloración roja en un estado y azul en otro.
Tengo que decir que la reacción original de Belousov era algo distinta: utilizaba Ce(IV) como catalizador. Esta receta es una variación posterior mas vistosa. 
El mecanismo no se conoce del todo. Hay implicadas hasta 48 reacciones que forman un complejo ciclo autocatalítico. 

Una variante interesante es la REACCION DE BRIGGS-RAUSCHER. 

Esta reacción fue descubierta en los años 70 por dos profesores de instituto norteamericanos, interesados en las reacciones oscilantes. Es una variante muy espectacular de la reacción de Belousov y que ademas tiene un bonus interesante. Si quereis visualizarla, teneis que hacer esto:

Solucion A: 43 gramos de yodato potásico se disuelven en 800 ml de agua (tarda en disolverse, paciencia). Se añaden despues 4,5 ml de ácido sulfúrico concentrado y se ajusta a 1 litro.

Solución B: en 800 ml de agua se disuelven 15,6 gr de ácido malónico y 3,4 gramos de sulfato de manganeso (II). Despues se añaden 4 g de almidón y se ajusta a 1 litro.

Solución C: 400 ml de agua oxigenada concentrada al 30% (100 volúmenes, cuidado, corrosiva) se diluyen a 1 litro con agua.

En un vaso de precipitados de 2 l ponemos 300 ml de A + 300 ml B y agitamos fuertemente con un agitador magnético para que se forme un vórtice. Despúes añadimos 300 ml de C y disfrutamos del espectáculo.

Esta reacción constituye una demostración interesante de una reacción oscilante lejos del equilibrio. Su comportamiento es matemáticamente similar a un oscilador RC electrónico o a un péndulo físico. El periodo, es decir, el tiempo que pasa entre cambios de color, es regulable. Y ahí esta una aplicación interesante:

Establezcamos la reacción. Justo en el segundo cambio a color azul, añadimos 1 ml de disolución de un ANTIOXIDANTE, como vitamina E o C o zumo de frutas o caldo vegetal. Segun la capacidad antioxidante de lo que añadamos, se modificará el periodo de la reacción, ralentizandose. Este es un test visual muy didáctico para comprobar la veracidad de la capacidad antioxidante de diversas sustancias y alimentos.
El mecanismo de esta reacción es complejo, es un ciclo autocatalítico en el que se implican unas 20 reacciones químicas. En una de ellas se produce el radical hidroperóxido. Los antioxidantes como las vitaminas C y E actúan como bloqueantes de los radicales libres (de ahí su efecto protector). Al bloquear el radical hidroperóxido, ralentizan la reacción.


IMPLICACIONES

La reacción de Belousov es una demostración sencilla de algo muy importante: un sistema de este tipo, en el que se establece un ciclo autocatalítico, disminuye su entropía y tiene lugar la formación espontánea de estructuras. En el líquido se produce una separación espontánea entre las áreas de diferente potencial redox y composición, que se desplazan al principio en forma de ondas. Es un proceso de AUTO-ORGANIZACIÓN.

Así, lo que veis en la primera foto es una estructura disipativa: todas las moléculas oscilan al unísono, se organizan, disipando energía. Este estado organizado se mantiene dinámicamente: existe mientras el sistema disipe energía y evolucione. En el momento en que la dinámica cesa, el sistema vuelve al equilibrio termodinámico. 
Tras visualizar esta reacción, ya nada volvería a ser igual. Nuestra visión de la vida cambió completamente, ya no necesitabamos a Dios, ni preguntarnos, esclavizados por la biología molecular, como surgió el primer gen. Ahora empezamos a intuir que somos lo que somos por que en cada una de nuestras células tiene lugar lo que habéís visto en la reacción: es el ciclo de Krebs, un sistema químico oscilante, autocatalítico, que quizá favoreción la auto-organización. 
Ahora el origen químico de la morfogénesis de Turing cobraba todo su sentido. 
Prigogine escribió:
“la vida ya deja de parecer un foco de resistencia al segundo principio de la Termodinámica o la obra de un demonio de Maxwell. Ahora la vida es una consecuencia de leyes generales de la Física, con su cinética específica de las reacciones químicas, las cuales se desarrollan en condiciones lejanas del equilibrio. Gracias a estas leyes cinéticas especiales, los flujos de materia y energía crean un orden fluctuante y estructural”
Esto que dice Prigogine es lo que se denomina “mecanismo de reacción-difusión”: los flujos de materia y energía crean las estructuras. 
Ahora todo estaba lleno de estructuras de este tipo. Podemos verlas en la concha de un caracol: las espirales se generan por un mecanismo de reacción-difusión. Tambien en los minerales:
(foto tomada de mindat.org)
Los peculiares patrones del ágata se forman por exactamente el mismo principio físico que la reacción de Belousov: formación de patrones por un mecanismo de reacción-difusión. Hay otros muchos patrones que pueden estudiarse con las mismas ecuaciones y las aplicaciones son infinitas: ecología, climatología…

La Teoría Bioquimiomimética del Origen de la Vida

Estamos trabajando en la construcción de un modelo global sobre el origen de la vida celular: si, en condiciones no enzimáticas, se establece un sistema químico autocatalítico, la disminución de entropía favorecerá la aparición de estructuras. Si se establece un sistema químico similar a las reacciones básicas del  metabolismo, catalizado por minerales, espontaneamente aumentará la complejidad del sistema y, en último término, surgirá un sistema metabólico y la autopoyesis, característica fundamental de toda vida. Es la hipotesis bioquimiomimética: al principio un sistema metabólico movido por catalizadores biomiméticos basados en minerales impulsa la creación de las primeras estructuras disipativas.

4 Comments

  1. En tus artículos lo de interesante va en ascenso? Jaja.

    Como casi reciente estudiante de Bachillerato, afirmo que no se comenta no se hace referencia a este tipo de reacciones químicas. Como siempre me han dicho cuando he querido ir mas allá: “no te preocupes Diego, eso no entra en Selectividad”
    Será que vengo de vivir otros cursos en mi país en donde le preguntabas algo al profesor mas allá del temario y era como tocarle el punto débil y la clase se iba lejos de lo programado, pero era enriquecedor.

    Ahora, pregunto yo después de leer esto y correr a buscar mas información: ¿La formación de la columela o espiral de moluscos esta determinado por mecanismos de reacción-difusión? Puede entonces que así se formen todos esos minerales, vegetales incluso las ramificaciones de órganos como pulmones(véase alveolos), con forma de fractals como se ven en las placas de petri donde se suele hacer la reacción BZ.

    Porque ahora debo centrarme en estudiar y preparar mis pruebas, pero me has dado faena, para leer mas sobre eato.
    Genial el post!

    Saludos.

  2. wow n.n haberme encontrado con tu blog justo mientras preparo la reacción Briggs-Rausher me parece un golpe de suerte. Yo que voy en mi último año de secundaria y estoy algo indecisa respecto a la universidad, pero lo que tengo claro es mi pasión por la ciencia y en especial por la química

    Nada que decir, gran aporte, se me aclararon algunas cosas que aún no comprendía bien.

    Gracias y saludos XD

  3. El haberme encontrado con tu blog mientras preparo la reacción Briggs – Rauscher me parece un golpe de suerte (n.n). Me encuentro en mi ultimo año de secundaria y aún no me decido por una carrera universitaria, pero lo que sí se es que viviré algún día de la ciencia y ;muy decididamente; de la química.

    Nada que decir, gran aporte, se me aclararon algunas cosas que luego de leer como 20 PDFs aún no entendía (exceso de fórmulas que no son para mi nivel (aún) XD)

    Gracias y Saludos

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