چرا مولكولهای چپ دست و راست دست با یكدیگر متفاوت اند؟

لویی پاستور

بیشتر به سبب نقشی كه در پیشرفت میكروب شناسی ایفا كرده است شهرت دارد، نه شیمی. گر چه زندگی حرفه ای خود را به عنوان شیمیدان آغاز كرد، اما شهرتش عمدتاً به دلیل آن است كه نخستین كسی بود كه پدیده های زیست شناختی بسیاری را توضیح داد، همچون نقش باكتری ها در تخمیر ، فاسد شدن غذا ( هنوز هم پاستوریزاسیون شیر كه از ابداعات اوست انجام می شود)، عفونی شدن زخمها ( روش جراحی استریل كه به دست لردلیستر به كار گرفته شد، تحولی در حرفه جراحی به وجود آورد) و بیماری ( تحقیقاتش بر روی بیماری كرم ابریشم، صنعت ابریشم فرانسه را نجات داد و تهیه واكسن هاری به دست او جان هزاران نفر را از مرگ بر اثر هاری خلاص كرد). با این حال، نقشی كه او در پیشبرد شیمی داشت، گر چه كمتر شناخته شده است، اما كافی بود تا شهرتش را تضمین كند.

در سال 1848 كه پاستور در 25 سالگی تازه دانشنامه دكترای خود را از دانشكده سوربن پاریس گرفته بود، به مطالعه بر روی یكی از نمك های اسید راسمیك، كه در مدت تخمیر بر سطح خمره های شراب رسوب می كند، پرداخت ( نام راسمیك از كلمه لاتینی راسموس به معنای خوشه انگور مشتق شده است). شیمیدان دیگری به نام ایلهارد میتسشرلیش گزارش داده بود كه یكی از نمك های اسید راسمیك ( نمك سدیم آمونیم آن، كه از اثر آمونیاك و سود بر اسید راسمیك به دست می آید) تقریباً درست به یكی از نمكهای اسید تارتاریك ( جوهر غوره) كه آن نیز بر سطح خمره های شراب یافت می شود شباهت دارد: فقط نمك اسید تار تاریك فعالیت نوری داشت، در حالی كه نمك اسید راسمیك دارای چنین خاصیتی نبود ( نمك اسیدی پتاسیم با اسید تارتاریك، طرطیر (Cream of tartar) نامیده می شود).

ماده ای فعالیت نوری دارد كه صفحه نور قطبیده ( پولاریزه) را بگرداند. مطابق نظریه موجی، نور معمولی از امواجی تشكیل شده است كه در صفحه هایی با جهت های مختلف ارتعاش دارند. برخی از بلورها نور را به نحوی از خود عبور می دهند كه تنها از امواجی كه در صفحه خاصی ارتعاش می كنند بگذرند. نوری كه بدین ترتیب بیرون آید نوری قطبیده است.

پاستور در سال 1848 دانسته بود كه برخی مواد طبیعی ( نظیر بلورهای كوارتز، سقز، و محلول های قندی) نیز نور قطبیده را می چرخانند، اما كسی نمی فهمید چگونه باعث چنین اثری می شوند. چرخش نور قطبیده در ابزاری به نام قطبش سنج مشاهده و سنجیده می شود. وقتی ماده ای صفحه نور قطبیده را در جهت عقربه های ساعت بچرخاند راست گردان است- به عبارتی دیگر باعث چرخش مثبت می شود. ماده ای كه صفحه نور قطبیده را در خلاف جهت عقربه های ساعت بگرداند چپ گردان است- یعنی موجب چرخش منفی می شود.

پاستور حیران بود. گفته می شد كه نمك های اسید تارتاریك و اسید راسمیك از لحاظ تركیب شیمیایی و شكل بلوری یكسانند، اما آثار متفاوتی بر نور قطبیده دارند. نمك اسید راسمیك بر آن تأثیری نداشت، در حالی كه نمك اسید تارتاریك راست گردان بود. وقتی پاستور بلورهای نمك اسید راسمیك را كه به روش میتسشرلیش تهیه شده بودند مورد بررسی قرار داد، چیزی مشاهده كرد كه میتسشرلیش متوجه آن نشده بود. در واقع دو نوع بلور وجود داشت، و نسبت آنها به یكدیگر مثل نسبت دست چپ به دست راست بود.

پاستور با استفاده از انبرك ریزی، بلورهای دست چپ را به دقت در زیر میكروسكوپ از بلورهای دست راست جدا كرد. وقتی به اندازه كافی از هر دو نوع سوا كرد، دست به كاری زد كه یا پیگیری یك حدس بود، یا جرقه نبوغ. پاستور مقداری از هر نوع بلور را به طور جداگانه در آب حل كرد و این محلول ها را به نوبت در قطبش سنجی در مسیر نور قطبیده قرار داد. او دریافت كه محلول بلورهای دست چپ ، نور قطبیده را به چپ، و محلول بلورهای دست راست نور قطبیده را به راست منحرف می كند. رنه والری- رادو در كتاب زندگی پاستور (1902) نوشت كه دانشمند جوان آن قدر از اكتشافش هیجان زده بود در حالی كه وضعش با ارشمیدس زیاد فرقی نمی كرد از آزمایشگاه بیرون دوید و فریاد زد: پیدایش كردم!

وقتی در همان حالی كه محلول ها را تهیه می كرد به دقت مقدار هر نوع بلور را اندازه گرفت، متوجه شد كه مقادیر مساوی درست به یك اندازه باعث چرخش می شدند، اما در دو جهت مخالف؛ به عبارتی دیگر میزان چرخش بلورهای راست گردان با مقدار چرخشی كه محلول مشابهی از نمك اسید تارتاریك ایجاد می كرد، برابر بود. بدین ترتیب پاستور نشان داده بود كه نمك راست گردان اسید راسمیك وی عملاً با نمك اسید تارتاریك راست گردان یكسان است، و نمك چپ گردان اسید راسمیك تصویر آینه ای نمك اسید تارتاریك است كه تا آن موقع شناخته نشده بود. سرانجام پاستورمخلوطی از نسبت های مساوی دو نوع بلور تهیه كرد، و همان طوری كه پیش بینی می كرد دریافت محلولی كه با این نسبت تهیه شود از لحاظ نوری غیر فعال است. با جدا سازی دو نوع بلور نمك اسید راسمیك، پاستور نخستین و مشهورترین نمونه از آنچه امروزه شیمی دانان ، تفكیك یك مخلوط راسمیك می نامند، انجام داد ( امروز نام تركیب خاصی كه پاستور بر روی آن كار كرد، یعنی اسید راسمیك، بر هر مخلوطی از مواد قرینه آینه ای اطلاق می شود).

آزمایش های بلور شناختی عجیب پاستور موضوع بحث دانشمندان در پاریس شد و چندی نگذشت كه خبر آن به گوش ژان باتیست بیو ، فیزیكدان محترمی كه اكتشافات بنیادینی در زمینه چرخش نور قطبیده در بلورها كرده بود، رسید. بیو كه عضو فرهنگستان علوم و 74 ساله بود، به آزمایش های پاستور با دیده تردید می نگریست. از پاستور خواست كه قبل از ارائه گزارشی از نتایج مطالعاتش به فرهنگستان، همان آزمایش ها را در حضورش تكرار كند. پاستور، در حالی كه بیو شخصاً محلول هایی را كه بلورها از آن به دست می آمد تهیه می كرد، همین كار را انجام داد. وقتی بیو پس از عبور نور قطبیده از بلورهای چپ گردان، چرخش آن را به چپ دید، دیگر به اندازه گیری اش نپرداخت و در حالی كه دستی بر بازوی پاستور جوان گذاشت با لحنی هیجان آمیز گفت: فرزندم، آن قدر در طول عمرم به علم عشق ورزیده ام كه این واقعاً قلبم را تكان می دهد .

جدا سازی بلورهایی كه شكل متفاوتی داشتند، و اثبات این كه محلول آنها صفحه نور قطبیده را در جهت های مخالف می چرخاند، از یك لحاظ آزمایشی جالب، اما بی فایده بود. چه فرقی می كرد كه مواد خاصی صفحه نور قطبیده را در قطبش سنج به یك سو بچرخانند یا سویی دیگر؟ اما وقتی دقیق تر بنگریم می بینیم كه آزمایش های پاستور اهمیت فوق العاده ای داشتند. او نخستین كسی بود كه نشان داد تركیبات آلی در سطح مولكولی به صورت تصاویر آینه ای یكدیگر وجود دارند؛ به عبارتی دیگر مولكول ها دارای ویژگی دستوارگی یاكایرالیته هستند. منشاء این واژه معادل یونانی دست است، و از این لحاظ مناسبت دارد كه دو دست نمونه بارز دو جسمی هستند كه تصویر آینه ای یكدیگر باشند. نه تنها مولكول ها، بلكه اشیای معمولی را هم می توان كایرال یا غیر كایرال دانست. به عنوان نمونه دستكش كایرال است، ولی جوراب غیر كایرال. چون فرقی نمی كند جوراب به پای راست پوشیده شود یا پای چپ.

تا پیش از آزمایش های پاستور، دانشمندان برای توضیح اثر بلورهای كوارتز بر نور قطبیده ، به شكل این بلورها استناد می كردند، چون وقتی بلورهای كوارتز ذوب می شوند فعالیت نوری شان از بین می رود. اما تأثیرات نوری برخی از مایعات نظیر سقز و محلول های قندی قابل توجیه نبود. پژوهش های پاستور نشان داد كه اختلاف شكل بلورهای نمك اسید راسمیك بیانگر اختلاف در شكل مولكول های نمك است، چون حل كردن بلورها در آب درست مثل ذوب شدن بلورهای كوارتز، ساختار بلوری نمك را از بین می برد. با این حال، محلول های دو نوع بلور نمكی كه پاستور استفاده می كرد هنوز هم فعالیت نوری داشتند. پاستور بعدها نمكهای جدا شده اسید راسمیك را به اسید تبدیل كرد و نشان داد كه دو شكل ایزومری چپ گردان یا (-) اسید تارتاریك و راست گردان یا(+) اسید تارتاریك وجود دارد ( شكل1).

اشاره

پاستور به این مطلب پی برده بود كه اكتشاف وی اشاره به رابطه مستقیمی میان هندسه مولكولی و فعالیت نوری دارد. او چنین پیشنهاد كرد كه نسبت مولكول هایی كه صفحه نور قطبیده را در جهت های مخالف می چرخانند مانند نسبت هر شیئی به تصویر آینه ای آن است. اما لازم بود 25 سال بگذرد تا دو شیمیدان جوان به نام های یاكوب وانت هوف و ژوزف لبل توضیح دهند كه دقیقاً اتمها چگونه به شكل این ساختارهای مولكولی در كنار هم قرار می گیرند. در این فاصله، پاستور توجه خود را به برخی از مسائل زیست شناسی كه پیشتر ذكر آنها رفت معطوف كرد و به موفقیت های چشمگیری دست یافت. اما پژوهش های پیشگامانه او در زمینه تفكیك اسید راسمیك راه را برای شیمی دانان دیگر هموار كرد، تا رابطه میان كایرالیته در ساختار مولكول و فعالیت زیست شناختی را توضیح دهند؛ اهمیت واقعی كار پاستور در همین است.

گرچه دانستن این كه مولكول های چپ گردان اسید راسمیك [(-) – اسید تارتاریك] صفحه نور قطبیده را در خلاف جهت عقربه های ساعت می گردانند اهمیتی ندارد، اما بسیار مهم است كه بدانیم چرا مولكول راست گردان ویتامینC[(+) – اسید آسكوربیك] ویتامین هست در حالی كه (-) – اسید آسكوربیك فعالیت زیست شناختی ندارد- یعنی ویتامین نیست؛ چرا(+)- گلوكوز( دكستروز) ماده ای مغذی است در حالی كه (-) – گلوكوز(لوولوز) ارزش غذایی ندارد؛ چرا(-) – كلرومایستین آنتی بیوتیك نیرومندی است در حالی كه (+) – كلرومایستین چنین خاصیتی ندارد؛ و اینكه چرا(-)- آدرنالین هورمونی بسیار فعالتر از (+) – ادرنالین است.

نمونه ای تأسف بار از اهمیت كایرالیته مولكول ها استفاده از داروی تالید ومید بود. در دهه 1950 زنان باردار قبل از آنكه شیمی دانان دریابند كه اگر چه شكل (+) این مولكول خطری ندارد و برای درمان كسالت صبحگاهی مفید است، اما شكل (-) آن ماده جهش زای فعالی است ( یعنی ماده ای كه باعث جهش های زیست شناختی می شود)، از این دارو استفاده كردند. چون در داروی مزبور هر دو شكل این موكول وجود داشت، ناهنجاری های جنینی شدید و متعددی به بار آمد.

گرچه مشاهده شكل های مختلف بلورها، جداسازی این شكل های مختلف، و نتیجه گیری درباره علت تأثیرات متضاد آنها بر نور قطبیده حقیقتاً ناشی از نبوغ پاستور بودند، اما بخت یاری نقش عمده ای در اكتشافاتش ایفا كرد. در این كشفیات بخت دوبار وارد صحنه شد. اولاً نمك سدیم آمونیم اسید راسمیك- نمكی كه پاستور بررسی می كرد- تقریباً تنها نمك این اسید است كه به دو شكل آینه ای تبلور می یابد، و هر كسی می تواند با مشاهده این اختلاف با دست آنها را از هم جدا سازی كند. ثانیاً تبلور این دو شكل تنها در دماهای كمتر از 26 درجه سانتی گراد صورت می گیرد؛ در دماهای بالاتراز 26 درجه سانتی گراد بلورهایی كه تشكیل می شوند همگی یكسان و فاقد فعالیت نوری هستند. پاستور ظرف حاوی محلول نمك را در جای خنكی در كنار پنجره آزمایشگاهش در پاریس قرار داد ، و برای تبلور محلول ، آن را تا روز بعد همان جا گذاشت. اگر انتخاب بخت یارانه نمك مناسب اسید راسمیك و آب و هوای خنك شهر پاریس نبود، چه بسا پاستور به اكتشاف چشمگیرش دست نمی یافت.

پاستور مانند دیگر بزرگانی كه از بخت یاری بهره بردند، به فرقی كه میان تصادف و اكتشاف تصادفی وجود دارد پی برد، و آن را به زیبایی به زبان خود چنین بیان كرد: در پهنه مشاهده ، بخت فقط به ذهن مستعد یاری می رساند .

وقتی فیزیكدان مشهور آمریكایی جوزف هنری جمله زیر را پیش از آن به زبان می آورد، همین قاعده كلی در نظرش بود: بذر اكتشافات بزر گ دایماً ما را فرا گرفته اند، اما تنها در ذهن هایی ریشه می دوانند كه آمادگی پذیرش آنها را داشته باشند .