پاستور: کاشف مولکول‌های آینه‌ای

نوشته رویستون م. رابرتس                                ترجمه محی الدین غفرانی

لویی پاستور بیشتر به سبب نقشی که در پیشرفت میکروب شناسی ایفا کرده است شهرت دارد، نه شیمی. هر چند پاستور زندگی حرفه ای خود را به عنوان شیمیدان آغاز کرد، اما شهرتش عمدتا به دلیل این است که اولین کسی بود که پدیده های زیست شناختی بسیاری را توضیح داد، نظیر نقش باکتریها در تخمیر (پژوهشهایش تأثیر بسیاری بر نحوه تولید شراب و آبجو داشت)، فاسد شدن غذا (هنوز هم پاستوریزاسیون شیر که از ابداعات اوست انجام می شود)، عفونی شدن زخمها (روش جراحی استریل که بر اساس نظریات او به دست لرد لیستر به کار رفت باعث تحولی در حرفه جراحی شد)، و بیماری (تحقیقاتش در زمینه 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، گرچه نقشی که او در پیشبرد شیمی شناخته شده است، اما همین کافی بود تا شهرتش را تضمین کند. در 1848 که پاستور 25 سالگی تازه دانشنامه دکتری خود را از دانشگاه سوربون پاریس گرفته بود، به مطالعه بر روی یکی از نمکهای اسید راسمیک، که در مدت تخمیر بر سطح خمره های شراب رسوب می کند، پرداخت. (نان راسمیک از کلمه لاتینی راسموس به معنی خوشه انگور مشتق شده است.) شیمیدان دیگری به نام ایلهارت میتسشرلیش گزارش داده بود که یکی از نمکهای اسید راسمیک (نمک سدیم آمونیسم آن که از اثر آمونیاک و سود بر اسید راسمیک به دست می آید) تقریبا 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 تارتاریک “فعالین نوری” دارد، در حالی که نمک اسید را سمیک دارای چنین خاصیتی نیست. (نمک اسیدی پتاسیم با اسید تارتاریک، طرطیر نامیده می شود.) ماده ای فعالیت نوری دارد که صفحه نور قطبیده (پلاریزه) را برگرداند. مطابق نظریه موجی، نور معمولی از امواجی تشکیل شده است که در صفحه هایی با جهتهای مختلف ارتعاش دارند. برخی از بلورها نور را به نحوی از خود عبور می دهند که تنها امواجی که در صفحه خاصی ارتعاش می کنند، بگذرند. نوری که بدین ترتیب بیرون می آید، نوری قطبیده است. در 1848 دانسته شده بود که برخی مواد طبیعی نیز (نظیر بلورهای کوارتز، سقز، و محلولهای قندی) نور قطبیده را می چرخانند اما کسی نمی فهمید چگونه باعث چنین اثری می شوند. چرخش نور قطبیده در ابزاری به نام قطبش سنج (پلاریمتر) مشاهده و سنجیده می شود. وقتی ماده ای صفحه ای نور قطبیده را در جهت عقربه های ساعت بچرخاند، راست گردان است – به عبارت دیگر باعث چرخش مثبت می شود. ماده ای که صفحه نور قطبیده را در خلاف عقربه های ساعت بگرداند چپ گردان است – یعنی موجب چرخش منفی می شود. پاستور حیران بود. گفته می شد که نمکهای 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 تاثیری نداشت، در حالی که نمک اسید تارتاریک راستگردان بود. وقتی پاستور نمک اسید راسمیک را که به روش میتسشرلیش تهیه شده بودن 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 “چپ دست” را به دقت در زیر میکروسکوپ از بلورهای “راست دست” 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. او مقداری از هر دو نوع بلور را به طور جداگانه در آب حل کرد، و این محلولها را به نوبت در قطبش سنجی در مسیر نور قطبیده قرار داد. او دریافت که محلول بلورهای چپ دست نور قطبیده را به چپ، و محلول بلورهای راست دست نور قطبیده را به راست منحرف می کند. رونه والری رادِو، در کتاب زندگی پاستور (1902) نوشت که دانشمند جوان آن قدر از اکتشافاتش هیجان زده بود که در حالی که وضعش زیاد با ارشمیدس فرقی نمی کرد، از آزمایشگاه بیرون دوید و فریاد زد: “پیدایش کردم!” وقتی در ضمن تهیه محلولها، بدقت مقدار هر نوع بلور را اندازه گرفت متوجه شد که، مقادیر مساوی درست به یک اندازه باعث چرخش می شوند. ولی در دو جهت مخالف: به عبارتی دیگر میزان چرخش بلورهای راستگردان با مقدار چرخشی که محلول مشابهی از نمک اسید تارتاریک ایجاد می کرد، برابر بود. بدین ترتیب پاستور نشان داده بود که این نمک راستگردان اسید راسمیک عملا با نمک اسید تارتاریک راستگردان یکسان است، و نمک چپگردان اسید راسمیک تصویر آینه ای نمک اسید تارتاریک است که تا آن موقع شناخته نشده بود. سرانجام پاستور مخلوطی از نسبتهای مساوی دو نوع بلور تهیه کرد، و همانطور که پیش بینی می کرد دریافت محلولی که با این نسبت تهیه شود، از لحاظ نوری غیرفعال است. با جداسازی دو نوع بلور نمک اسید راسمیک، پاستور اولین و مشهورترین نمونه از آنچه را که یک مخلوط راسمیک می نامند، انجام داد. (امروزه نام ترکیبی خاصی را که پاستور بر روی آن کار کرد، یعنی اسید راسمیک بر هر مخلوطی از مواد قرینه آینه ای اطلاق می شود.) آزمایشهای 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 74 ساله بود، به آزمایشهای پاستور به دیده تحقیر می نگریست، و از پاستور خواست تا قبل از ارائه گزارشی از نتایج مطالعاتش به فرهنگستان، همان آزمایشها را در حضور او تکرار کند. پاستور در حالی که بیو شخصا محلولهایی 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 چپگردان، چرخش آن را به چپ دید، دیگر به اندازه گیری اش نپرداخت، و در حالی که دستی بر بازوی پاستور جوان می گذاشت با لحنی هیجان آمیز گفت: “فرزندم، آن قدر در طول عمرم به علم عشق ورزیده ام که این واقعا قلبم را تکان می دهد.” جداسازی بلورهایی که شکل متفاوتی داشتند، و اثبات اینکه محلول آنها صفحه نور قطبیده را در جهتهای مخالف می چرخاند، از یک جهت آزمایشی جالب، اما بی فایده بود. چه فرق می کرد که مواد خاصی صفحنه نور قطبیده را در قطبش سنج به یک سو بچرخانند یا سویی دیگر؟ اما وقتی دقیقتر بنگریم می بینیم که آزمایشهای پاستور اهمیت فوق العاده داشتند. او نخستین کسی بود که نشان داد ترکیبات آلی در سطح مولکولی به صورت تصویرهای آینه ای یکدیگر وجود دارند: به عبارتی دیگر مولکولهای دارای ویژگی های دستوارگی یا کایرالیته هستند. منشا این واژه معادل یونانی دست است، و از این جهت مناسبت دارد که دو دست نمونه بارز دو جسمی هستند که تصویر آینه ای یکدیگر باشند. نه تنها مولکولها، 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 آزمایشهای پاستور، دانشمندان برای توضیح اثر بلورهای کوارتز بر نور قطبیده، به شکل این بلورها استناد می کردند.، چون وقتی بلورهای کوارتز ذوب شوند، فعالیت نوریشان از بین می رود. اما تاثیرات نوری برخی از مایعات نظیر سقز و محلولهای قند قابل توجیه نبود. پژوهشهای پاستور نشان داد که اختلاف شکل بلورهای نمک اسید راسمیک بیانگر اختلاف در شکل مولکولهای نمک است، چون حل کردن بلورها در آب درست مثل ذوب شدن بلورهای کوارتز، ساختاری بلوری نمک را از بین می برد. با این حال، محلولهای 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 (همپاری) چپگردان یا (-)- اسید تارتاریک، و راستگردان یا (+)- اسید تارتاریک وجود دارد (شکل 1).

پسنوشت

پاستور به این مطلب پی برده بود که اکتشاف وی اشاره به رابطه مستقیمی میان هندسه مولکولی و فعالیت نوری دارد. او پیشنهاد کرد که نسبت مولکولهایی که صفحه نور قطبیده را در جهتهای مخالف می چرخانند، مانند نسبت هر شی به تصویر آینه ای آن است. اما لازم بود 25 سال بعد دو شیمیدان جوان به نام یاکابوس وانت هوف و ژوزف لوبل توضیح دهند که دقیقا اتمها چگونه به شکل این ساختارهای مولکولی در کنار هم قرار می گیرند. در این فاصله، پاستور توجه خود را به برخی مسائل زیست شناسی که پیشتر ذکر آنها رفت معطوف کرد، و به موقعیتهای چشمگیری دست یافت. اما پژوهشهای پیشگامانه او در زمینه تفکیک اسید راسمیک، راه را بر اندیشمندان دیگر هموار کرد تا رابطه میان کایرالیته در ساختار مولکولی و فعالیت زیست شناختی را توضیح دهند. اهمیت واقعی کار پاستور هم در همین است. اگر چه دانستن اینکه مولکولهای چپگردان (اسید راسمیک (-) – اسید تارتاریک) صفحه نور قطبیده را در خلاف عقربه های ساعت می گردانند، اهمیتی ندارد اما بسیار مهم است که بدانیم چرا مولکول راستگردان C ( (+( – اسید آسکوروبیک) ویتامین هست در حالی (-)– اسید آسکوروبیک فعالیت زیست شناختی ندارد- یعنی ویتامین نیست؛ چرا (+)– گلوکوز (دکستروز) ماده ای مغذی است در حالی که (-)– کلرومایستین آنتی بیوتیک نیروندی است در حالی که (+)- کلرومایستین چنین خاصیتی ندارد؛ و اینکه چرا (-)– آدرنالین هورمونی بسیار قوی تر از (+)– آدرنالین است. نمونه ای تأسف بار از همیت کایرالیته مولکولها، استفاده از داروی تالیدومید بود. در دهه 1950 زنان باردار قبل از آنکه شیمیدانان دریابند که گرچه شکل (+) این مولکولها در درمان کسالت صبحگاهی بی خطر و مفید است اما شکل (-) آن ماده جهش زای فعالی است (یعنی ماده ای که باعث جهشهای زیست شناختی می شود)، از این دارو استفاده کردند. از آنجا که در داروی مزبور هر دو شکل این مولکول وجود داشت، ناهنجاریهای جنینی شدید و متعددی به بار آمد. با آنکه مشاهده شکل های مختلف بلورها، جداسازی این شکلهای مختلف، و نتیجه گیری درباره علت تأثیرات متضاد آنها بر نور قطبیده حقیقتا ناشی از نبوغ پاستور بودند، اما بخت نقش عمده ای در اکتشافاتش ایفا کرد. در این کشفها، بخت دو بار وارد صحنه شد، اولا نمک سدیم آمونیم اسید راسمیک، که نمکی بود که پاستور بررسی کرد، تقریبا تنها نمک این اسید است که به دو شکل آینه ای متبلور می شود، و هر کس می تواند با مشاهده این اختلاف آنها را با دست از هم جدا کند. ثانیا تبلور این دو شکل متفاوت تنها در دماهای کمتر از 26 درجه سانتیگراد صورت می گیرد: بلورهایی که تشکیل می شوند همگی یکسان و فاقد فعالیتهای نوری هستند. پاستور ظرف حاوی محلول نمک را در جای خنکی درکنار پنجره آزمایشگاهش در پاریس قرار داد، و برای تبلور محلول، آن را تا روز بعد همان جا گذاشت. اگر انتخاب تصادفی نمک مناسب اسید راسمیک، و آب و هوای خنک شهر پاریس نبود، چه بسا پاستور به اکتشاف چشمگیرش دست نمی یافت. پاستور، مانند دیگر بزرگان که از یاری بخت 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 پهنۀ مشاهده، بخت فقط به ذهن مستعد یاری می رساند.” وقتی جوزف هنری، فیزیکدان مشهور امریکایی، جمله زیر را پیش از آن به زبان می آورد، همین قاعده کلی در نظرش بود: “بذر اکتشافات بزرگ دائما ما را فراگرفته اند، اما تنها در ذهنی ریشه می دواند که آمادگی پذیرش آنها را داشته باشد.”