چرا مولکولهای چپ دست و راست دست با یکدیگر متفاوت اند؟

"لویی پاستور" بیشتر به سبب نقشی که در پیشرفت میکروب شناسی ایفا کرده است شهرت دارد، نه شیمی. گر چه زندگی حرفه ای خود را به عنوان شیمیدان آغاز کرد، اما شهرتش عمدتاً به دلیل آن است که نخستین کسی بود که پدیده های زیست شناختی بسیاری را توضیح داد، همچون نقش باکتری ها در تخمیر ، فاسد شدن غذا ( هنوز هم پاستوریزاسیون شیر که از ابداعات اوست انجام می شود)، عفونی شدن زخمها ( روش جراحی استریل که به دست لردلیستر به کار گرفته شد، تحولی در حرفه جراحی به وجود آورد) و بیماری ( تحقیقاتش بر روی بیماری کرم ابریشم، صنعت ابریشم فرانسه را نجات داد و تهیه واکسن هاری به دست او جان هزاران نفر را از مرگ بر اثر هاری خلاص کرد). با این حال، نقشی که او در پیشبرد شیمی داشت، گر چه کمتر شناخته شده است، اما کافی بود تا شهرتش را تضمین کند.
در سال ۱۸۴۸ که پاستور در ۲۵ سالگی تازه دانشنامه دکترای خود را از دانشکده سوربن پاریس گرفته بود، به مطالعه بر روی یکی از نمک های اسید راسمیک، که در مدت تخمیر بر سطح خمره های شراب رسوب می کند، پرداخت ( نام راسمیک از کلمه لاتینی راسموس به معنای خوشه انگور مشتق شده است). شیمیدان دیگری به نام "ایلهارد میتسشرلیش" گزارش داده بود که یکی از نمک های اسید راسمیک ( نمک سدیم آمونیم آن، که از اثر آمونیاک و سود بر اسید راسمیک به دست می آید) تقریباً درست به یکی از نمکهای اسید تارتاریک ( جوهر غوره) که آن نیز بر سطح خمره های شراب یافت می شود شباهت دارد: فقط نمک اسید تار تاریک " فعالیت نوری" داشت، در حالی که نمک اسید راسمیک دارای چنین خاصیتی نبود ( نمک اسیدی پتاسیم با اسید تارتاریک، طرطیر (Cream of tartar) نامیده می شود).
ماده ای فعالیت نوری دارد که صفحه نور قطبیده ( پولاریزه) را بگرداند. مطابق نظریه موجی، نور معمولی از امواجی تشکیل شده است که در صفحه هایی با جهت های مختلف ارتعاش دارند. برخی از بلورها نور را به نحوی از خود عبور می دهند که تنها از امواجی که در صفحه خاصی ارتعاش می کنند بگذرند. نوری که بدین ترتیب بیرون آید نوری قطبیده است.
پاستور در سال ۱۸۴۸ دانسته بود که برخی مواد طبیعی ( نظیر بلورهای کوارتز، سقز، و محلول های قندی) نیز نور قطبیده را می چرخانند، اما کسی 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 که 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 که نمک های اسید تارتاریک و اسید راسمیک از لحاظ ترکیب شیمیایی و شکل بلوری یکسانند، اما آثار متفاوتی بر نور قطبیده دارند. نمک اسید راسمیک بر آن تأثیری نداشت، در حالی که نمک اسید تارتاریک راست گردان بود. وقتی پاستور بلورهای نمک اسید راسمیک را که به روش میتسشرلیش تهیه شده بودند مورد بررسی قرار داد، چیزی مشاهده کرد که میتسشرلیش متوجه آن نشده بود. در واقع دو نوع بلور وجود داشت، و نسبت آنها به یکدیگر مثل نسبت دست چپ به دست راست بود.
پاستور با استفاده از انبرک ریزی، بلورهای دست چپ را به دقت در زیر میکروسکوپ از بلورهای دست راست جدا کرد. وقتی به اندازه کافی از هر دو نوع سوا کرد، دست به کاری زد که یا پیگیری یک حدس بود، یا جرقه نبوغ. پاستور مقداری از هر نوع بلور را به طور جداگانه در آب حل کرد و این محلول ها را به نوبت در قطبش سنجی در مسیر نور قطبیده قرار داد. او دریافت که محلول بلورهای دست چپ ، نور قطبیده را به چپ، و محلول بلورهای دست راست نور قطبیده را به راست منحرف می کند. رنه والری- رادو در کتاب زندگی پاستور (۱۹۰۲) نوشت که دانشمند جوان آن قدر از اکتشافش هیجان زده بود" در حالی که وضعش با ارشمیدس زیاد فرقی نمی کرد" از آزمایشگاه بیرون دوید و فریاد زد: " پیدایش کردم!"
وقتی در همان حالی که محلول ها را تهیه می کرد به دقت مقدار هر نوع بلور را اندازه گرفت، متوجه شد که مقادیر مساوی درست به یک اندازه باعث چرخش می شدند، اما در دو جهت مخالف؛ به عبارتی دیگر میزان چرخش بلورهای راست گردان با مقدار چرخشی که محلول مشابهی از نمک اسید تارتاریک ایجاد می کرد، برابر بود. بدین ترتیب پاستور نشان داده بود که نمک راست گردان اسید راسمیک وی عملاً با نمک اسید تارتاریک راست گردان یکسان است، و نمک چپ گردان اسید راسمیک تصویر آینه ای نمک اسید تارتاریک است که تا آن موقع شناخته نشده بود. سرانجام پاستورمخلوطی از نسبت های مساوی دو نوع بلور تهیه کرد، و همان طوری که پیش بینی می کرد دریافت محلولی که با این نسبت تهیه شود از لحاظ نوری غیر فعال است. با جدا سازی دو نوع بلور نمک اسید راسمیک، پاستور نخستین و مشهورترین نمونه از آنچه امروزه شیمی دانان ، تفکیک یک مخلوط راسمیک می نامند، انجام داد ( امروز نام ترکیب خاصی که پاستور بر روی آن کار کرد، یعنی اسید راسمیک، 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 که خبر آن به گوش "ژان باتیست بیو"، فیزیکدان محترمی که اکتشافات بنیادینی در زمینه چرخش نور قطبیده در بلورها کرده بود، رسید. بیو که عضو فرهنگستان علوم و ۷۴ ساله بود، به آزمایش های پاستور با دیده تردید می نگریست. از پاستور خواست که قبل از ارائه گزارشی از نتایج مطالعاتش به فرهنگستان، همان آزمایش ها را در حضورش تکرار کند. پاستور، در حالی که بیو شخصاً محلول هایی را که بلورها از آن به دست می آمد تهیه می کرد، همین کار 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 که دستی بر بازوی پاستور جوان گذاشت با لحنی هیجان آمیز گفت:" فرزندم، آن قدر در طول عمرم به علم عشق ورزیده ام که این واقعاً قلبم را تکان می دهد" .
جدا سازی بلورهایی که شکل متفاوتی داشتند، و اثبات این که محلول آنها صفحه نور قطبیده را در جهت های مخالف می چرخاند، از یک لحاظ آزمایشی جالب، اما بی فایده بود. چه فرقی می کرد که مواد خاصی صفحه نور قطبیده را در قطبش سنج به یک سو بچرخانند یا سویی دیگر؟ اما وقتی دقیق تر بنگریم می بینیم که آزمایش های پاستور اهمیت فوق العاده ای داشتند. او نخستین کسی بود که نشان داد ترکیبات آلی در سطح مولکولی به صورت تصاویر آینه ای یکدیگر وجود دارند؛ به عبارتی دیگر مولکول ها دارای ویژگی دستوارگی یاکایرالیته هستند. منشاء این واژه معادل یونانی "دست" است، و از این لحاظ مناسبت دارد که دو دست نمونه بارز دو جسمی هستند که تصویر آینه ای یکدیگر باشند. نه تنها مولکول ها، بلکه اشیای معمولی را هم می توان کایرال یا غیر کایرال دانست. به عنوان نمونه دستکش کایرال است، ولی جوراب غیر کایرال. چون فرقی نمی کند جوراب به پای راست پوشیده شود یا پای چپ.
تا پیش از آزمایش های پاستور، دانشمندان برای توضیح اثر بلورهای کوارتز بر نور قطبیده ، به شکل این بلورها استناد می کردند، چون وقتی بلورهای کوارتز 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 که اختلاف شکل بلورهای نمک اسید راسمیک بیانگر اختلاف در شکل مولکول های نمک است، چون حل کردن بلورها در آب درست مثل ذوب شدن بلورهای کوارتز، ساختار بلوری نمک را از بین می برد. با این حال، محلول های دو نوع بلور نمکی که پاستور استفاده می کرد هنوز هم فعالیت نوری داشتند. پاستور بعدها نمکهای جدا شده اسید راسمیک را به اسید تبدیل کرد و نشان داد که دو شکل ایزومری چپ گردان یا (-) اسید تارتاریک و راست گردان یا(+) اسید تارتاریک وجود دارد.
● اشاره
پاستور به این مطلب پی برده بود که اکتشاف وی اشاره به رابطه مستقیمی میان هندسه مولکولی و فعالیت نوری دارد. او چنین پیشنهاد کرد که نسبت مولکول هایی که صفحه نور قطبیده را در جهت های مخالف می چرخانند مانند نسبت هر شیئی به تصویر آینه ای آن است. اما لازم بود ۲۵ سال بگذرد تا دو شیمیدان جوان به نام های "یاکوب وانت هوف" و "ژوزف لبل" توضیح دهند که دقیقاً اتمها چگونه به شکل این ساختارهای مولکولی در کنار هم قرار می گیرند. در این فاصله، پاستور توجه خود را به برخی از مسائل زیست شناسی که پیشتر ذکر آنها رفت معطوف کرد و به موفقیت های چشمگیری دست یافت. اما پژوهش های پیشگامانه او در زمینه تفکیک اسید راسمیک راه را برای شیمی دانان دیگر هموار کرد، تا رابطه میان کایرالیته در ساختار مولکول و فعالیت زیست شناختی را توضیح دهند؛ اهمیت واقعی کار پاستور در همین است.
گرچه دانستن این که مولکول های چپ گردان اسید راسمیک [(-) – اسید تارتاریک] صفحه نور قطبیده را در خلاف جهت عقربه های ساعت می گردانند اهمیتی ندارد، اما بسیار مهم است که بدانیم چرا مولکول راست گردان ویتامینC[(+) – اسید آسکوربیک] ویتامین هست در حالی که (-) – اسید آسکوربیک فعالیت زیست شناختی ندارد- یعنی ویتامین نیست؛ چرا(+)- گلوکوز( دکستروز) ماده ای مغذی است در حالی که (-) – گلوکوز(لوولوز) ارزش غذایی ندارد؛ چرا(-) – کلرومایستین آنتی بیوتیک نیرومندی است در حالی که (+) – کلرومایستین چنین خاصیتی ندارد؛ و اینکه چرا(-)- آدرنالین هورمونی بسیار فعالتر از (+) – ادرنالین است.
نمونه ای تأسف بار از اهمیت کایرالیته مولکول ها استفاده از داروی تالید ومید بود. در دهه ۱۹۵۰ زنان باردار قبل از آنکه شیمی دانان دریابند که اگر چه شکل (+) این مولکول خطری ندارد و برای درمان کسالت صبحگاهی مفید است، اما شکل (-) آن ماده جهش زای فعالی است ( یعنی ماده ای که باعث جهش های زیست شناختی می شود)، از این دارو استفاده کردند. چون در داروی مزبور هر دو شکل این موکول وجود داشت، ناهنجاری های جنینی شدید و متعددی به بار آمد.
گرچه مشاهده شکل های مختلف بلورها، جداسازی این شکل 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 اکتشافاتش ایفا کرد. در این کشفیات بخت دوبار وارد صحنه شد. اولاً نمک سدیم آمونیم اسید راسمیک- نمکی که پاستور بررسی می کرد- تقریباً تنها نمک این اسید است که به دو شکل آینه ای تبلور می یابد، و هر کسی می تواند با مشاهده این اختلاف با دست آنها را از هم جدا سازی کند. ثانیاً تبلور این دو شکل تنها در دماهای کمتر از ۲۶ درجه سانتی گراد صورت می گیرد؛ در دماهای بالاتراز ۲۶ درجه سانتی گراد بلورهایی که تشکیل می شوند همگی یکسان و فاقد فعالیت نوری هستند. پاستور ظرف حاوی محلول نمک را در جای خنکی در کنار پنجره آزمایشگاهش در پاریس قرار داد ، و برای تبلور محلول ، آن را تا روز بعد همان جا گذاشت. اگر انتخاب بخت یارانه نمک مناسب اسید راسمیک و آب و هوای خنک شهر پاریس نبود، چه بسا پاستور به اکتشاف چشمگیرش دست نمی یافت.
پاستور مانند دیگر بزرگانی که از بخت یاری بهره بردند، به فرقی که میان تصادف و اکتشاف تصادفی وجود دارد پی برد، و آن را به زیبایی به زبان خود چنین بیان کرد:" در پهنه مشاهده ، بخت فقط به ذهن مستعد یاری می رساند".
وقتی فیزیکدان مشهور آمریکایی جوزف هنری جمله زیر را پیش از آن به زبان می آورد، همین قاعده کلی در نظرش بود:" بذر اکتشافات بزر گ دایماً ما را فرا گرفته اند، اماتنها در ذهن هایی ریشه می دوانند که آمادگی پذیرش آنها را داشته باشند".

حمید رضا برگی زاده

منبع : گیگاپارس