کایرالیته – عدم تقارن مولکولی- اصل جفتی
کایرالیته / عدم تقارن مولکولی/ اصل جفتی/
بر روی آینه، تصویر یک دستکش راست، دستکشی است چپ. این پدیده را “کایرالیته” می‌نامند. پاستور، در ۲۶ سالگی، با کشف این اصل، که حتی امروز هم دانشمندان را متحیر می‌سازد، وارد تاریخ شد، و در سایهٔ همین اصل بود که شیمیدان جوانی به نام پاستور، انقلابی در زیست شناسی و پزشکی پدید آورد.
پاستور را نشناخته‌اند، یا بد شناخته‌اند. کوچه‌ها و خیابانهای بیشماری را به نام او نامیده‌اند؛ می‌گویند که در نظر غیرفرانسویان، آوازهٔ او بسی افزونتر از شهرت ناپلئون بوناپارت است، یاد او در خاطر فرانسویان هنوز هم زنده است: هم اینان، در یک نظر خواهی تازه، عموماً نام پاستور را پیش از دانشمندان نامدار دیگر برشمرده‌اند. پس، همه پاستور را می‌شناسند. اما چنین نیست. سوء تفاهم، یا بهتر بگوییم بی اطلاعی، از همین جا آغاز می‌شود: برای مردم کوچه و بازار، تصویر نابغه‌ای به نام پاستور، تصویر مردی است که، در یک روز خوش ژوئیه ۱۸۸۵، پسرکی نه ساله را از مرگ رهانید و بر بیماری هاری چیره شد. برای دیگران، که البته در شمار اندک‌اند، پاستور همان مردی است که زندگی میکروبی و اثرات آن را، هم در بهداشت روزمره‌مان، وهم در سلامت مان کشف کرد، و نیز مردی است که با نتایج تجربی و عملی کشفیات خویش، بسیاری از فنون تولید و صناعت یا پرورش حیوانات را یکسره زیرورو کرد. اینها هیچکدام نادرست نیست. و با این همه، می‌توان گفت که نکتهٔ اصلی از دیده‌ها پنهان مانده است، چرا که ره آور اساسی کا رهای علمی پاستور، ساختن نخستین واکسن ضدهاری نیست. بلکه کشف بزرگی است که تقریباً “سی سال پیش از آن بدان نائل شد: کشف پدیدهٔ عدم تقارن مولکولی. با این کار درخشان، پاستور، آن شیمیدان جوان بلندپرواز، همهٔ جزمیات علمی بزرگ ع صر خویش را گام به گام برهم زد. خواهیم دید که چرا و چگونه در این کار موفق شد.
اما لحظه‌ای به نخستین مایه کوبی (واکسیناسیون) انسان بر ضد بیماری هاری بازگردیم. بسیار محتمل است که این پیروزی پرسروصدا، برای کسی که می‌خواهد دربارهٔ اهمیت کار علمی پاستور بدرستی داوری کند، حکم همان درختی را پیدا کند که جنگلی را از دیده پنهان نگه می‌دارد. معالجه و مداوای ژوزف میستر کوچولو و بسیار دیگر چون او، در و اقع نتیجه و نقطهٔ اوج یک شیوه علمی نمونه بود. پس شایسته است که به اصل ومبدا مسئله رو کنیم و پاستور را دیگر باره در همان گذرگاهی بنگریم که از آنجا شروع کرد، تا بفهمیم که پاستور چگونه پاستور شد.
معمای یک اسید
پاستور، در طی سالهای تحصیل، دوست می‌داشت که تصویر پدر و مادر و دوستانش را نقاشی کند. احتمالاً «این علاقه به نقاشی، او را به بررسی بلورها نیز که “اشکال دلفریب شان” دل از وی برده بود، علاقمند ساخت، و نیز به احتمال، از همین راه به شیمی علاقه مند شد. پاستور، درکتابخانهٔ دانشرای عالی پاریس، تصادفاً” به نوشته‌ای از همکارآلمانی معروف خود به نام ایلهارد میچرلیخ برخورد که در سال ۱۸۴۴ چاپ شده بود. در این نوشته، میچرلیخ از مشاهدات و تجربیات عجیب خود بر روی موادی به اسم تارترات ها سخن گفته بود. تارترات‌ها، املاح یا استرهای اسید تارتریک، یا یکی از مشتقات آن، یعنی اسید تارتریک، یا یکی از مشتقات آن، یعنی اسید پاراتراتریک هستند. اسید تارتریک در خمره‌های تخمیر شراب به وجود می‌آید. اسید پاراتارتریک را هم گاهی اسید راسمیک می‌نامند. (و این نام، از کلهٔ لاتین RACEMUS به معنی انگور ساخته شده است).
به گفتهٔ میچرلیخ” دو گونهٔ اسید تارتریک و املاح مربوط به آنها، یعنی تارترات و پاراتارتر، ترکیب شیمیایی یکسانی دارند. هر دو شکل بلورین یکسانی دارند، زوایای میان وجوه بلورها و وزن مخصوص هرد و یکسان است، وقتی نور از آنها بگذرد، درهر دو انکسار مضاعف می‌یابد. (یعنی هر دو از بلورهای دوشکستی هستند. م.) و بنابراین، زوایای میان محورهای نوری نیز در هر دو مورد یکسان است. وقتی این دو اسید (یا املاح آن دو) را درآب حل کنیم، میزان شکست نور در هر دو یکسان است، ا ما درحالی که نمک تارترات سطح قطبش نور را می‌چرخاند، نمک پاراتارتر چنین نمی‌کند.”
دست راستی‌ها و دست چپی‌ها در شیمی
پاستور با چنین پرسشی روبه رو شد: ” چرا مواردی که از نظر شیمیایی کاملاً” مشابه یکدیگرند، از نظر فیزیکی و در برابر نور واکنشهای مختلف نشان می‌دهند؟”
پاستور همهٔ معلومات مسئله را با دقت بررسی کرد. این معما مشغلهٔ ذهنی دایمی او شده بود. بی‌درنگ مطالعه و بررسی اشکال بلورهای تارتر و پاراتارتر، و نیز اسیدهای تارتریک و پاراتارتریک را آغازکرد.
بررسیها و مشاهدات پاستور، نخست او را بدین نتیجه رسانید که بلورهای تارترات تنها در یک طرف خود دارای وجوه هستند. به نظر می‌آمد که این کشف با نتایج بررسیهای میچرلیخ مطابقت دارد. پاستور به قیاس خود بلورهای کوارتز (دُرکوهی) نتیجه گرفت که علت چرخش نور قطبیده نامتقارن بودن بلورهای اسید تارتریک است. اما بلورهای پاراتارتر چگونه‌اند؟ پاستور می‌پنداشت که آنها لابد دارای تقارن هستند. اما دریغا که بلورهای پاراتارتر هم وجوه نامتقارن داشتند. خودپاستور می‌نویسد: “دلم گرفت: همهٔ بلورها وجوه نامتقارن داشتند.
بر روی آینه، تصویر یک دستکش راست، دستکشی است چپ. این پدیده را “کایرالیته” می‌نامند.
بدین سان، کشف بزرگ، نخست با یک شکست آغاز شد، اما این شکست چندان نپایید. پاستور می‌نویسد:” این اندیشهٔ مبارک از خاطرم گذشت که بلورهایم را در سطحی که نسبت به ناظر عمود است، تغییر جهت بدهم، و آن گاه دیدم که در این تودهٔ درهم بلورهای پاراتارتر، از نظر ترتیب قرارگرفتن وجوه نامتقارن، در واقع دو نوع بلور وجود دارد. در بعضی از بلورها، وجه نامتقارنی که نسبت به بدن من نزدیکتر بود، به سمت راست من متمایل می‌شد، و در بعضی دیگر، وجه نامتقارن به سمت چپ تمایل داشت. به عبارت دیگر، به نظر می‌آمد که پاراتارتر از دو نوع بلور تشکیل شده است که بعضی ازآنها درجهت راست نامتقارن هستند، و برخی دیگر در جهت چپ”.
آنگاه، پاستور دو نوع بلور را به دقت از یکدیگر جدا کرد و آن دو را جداگانه در آب حل کرد. محلولی که از بلورهای متمایل به راست تشکیل شده بود، سطح قطبش نور را به سوی راست منحرف می‌کرد (واین حالت را دکستروژیر می‌نامند)، اما محلولی که از بلورهای متمایل به چپ تشکیل یافته بود، نور را در جهت چپ منحرف می‌ساخت (و این حالت را لووژیر نام داده‌اند). آنگاه، پاستور دوباره همان محلول اول را ساخت و مشاهده کرد که این محلول خنثی است و از نظر نوری، واکنشی ندارد. بدین سان فرضیهٔ پاستور تحقق یافت و مسئله میچرلیخ حل شد: ” اسید پاراتارتریک از ترکیب یک مولکل اسید تارتریک راست (اسید تارتریک معمولی) و یک مولکول اسید تارتریک چپ تشکیل یافته است، بلورهای این دو نیز شبیه یکدیگرند، و تفاوت‌شان در این است که اولاً” شکل‌هایشان قابلیت انطباق بر روی همدیگر را ندارند، ثانیاً” چرخش نور (که از نظر قدر مطلق در هر دو مساوی است) در مورد اول متمایل به راست است، و در مورد دوم متمایل به چپ. در واقع، یکی از این د و اسید، تصویر دیگری است بر روی آینه: مشابه اوست، اما غیر قابل انطباق با او. راز مسئله در همین جاست. همچنان که تصویر دست چپ بر روی آینه با تصویر یک دستکش چپ بر روی آینه، دستکشی است راست، همانطور نیز برخی از مولکولها
با تصویر خودشان بر روی آینه انطباق ندارند. این پدیده، همان اصل کایرالیته است که لرد کلوین آن را بدین گونه تعریف کرده است: “هر شکل هندسی، یا هر مجموعه‌ای از نقاط که با تصویر مشابه خود در آینه انطباق ندارند.
یک عمر در جستجوی اسرار زندگی
بدین سان اصول عدم تقارن مولکولی کشف شده بود. ازآن پس، میزان پژوهش و فعالیت جدیدی در دانش شیمی گشوده شد به نام شیمی فضایی. اکنون دیگر این امکان وجود داشت که با توجه به ترتیب قرار گرفتن اتمها
در فضای سه بعدی و زنجیره‌های حاصل از آن، ماهیت واقعی هر مولکولی مشخص شود. پاستور، با استقرار پیوند متقابل میان ترکیب شیمیایی و شکل بلورین مواد آلی، توانست به عمق ساختار آنها پی ببرد، و حدفاصل میان مواد آلی و مواد معدنی را مشخص سازد. خود او نوشت: “همهٔ مواد آلی، از تخم مرغ تا دانهٔ گندم، نامتقارن هستند.”
سال بعد، یعنی در سال ۱۸۴۹، پاستور به استادی رشتهٔ فیزیک در دانشکدهٔ علوم دانشگاه استراسبورگ منصوب شد. دو هفته
بعد از ورودش، از ماری لوران، دختر رئیس دانشگاه خواستگاری کرد، با او ازدواج کرد و … بلافاصله به کار علمی خویش پرداخت! بررسیهایش او را از عدم تقارن بلورها، به عدم تقارن مولکولی کشانید. پاستور بیش از پیش به بررسی پاراتارتر، و ازجملهٔ نحوهٔ تشکیل آن پرداخت. اما برای این کار لازم بود که مقدار اسید را سیمک در اختیار داشته باشد که در فرانسه تقریباً” نایاب بود. در پاریس با پروفسور میچرلیخ ملاقات کرد و از او ردپای اسید نایافتنی را خواست. شیمیدان آلمانی، که مرد سخاوتمندی بود، نشانیهایی به او داد. درپاییز سال ۱۸۵۲، پاستور، بی‌آنکه پول زیادی در جیب داشته باشد، در جستجوی اسید راسمیک، یک سفر دوماهه به اروپای مرکزی را آغاز کرد. از لایپزیک تا پراگ، فرایبورگ، و نیز و وین. روز دوم اکتبر به همسرش نوشت: «از همهٔ کارخانه‌های آلمان دیدن کرده‌ام و مسئله تقریباً ” حل شده است.” اما این مسئله، “تقریباً” حل شده بود، چرا که پاستور نتوانسته بود نمونه‌هایی از اسید را که به قدر کافی خالص باشند، پیدا کند و به همین جهت نتوانسته بود کشف کند و پاراتارتر چگونه تشکیل می‌شود. اما دیگر این را می‌دانست که کاملاً” امکان دارد از جسمی که در برابر نور فعال است و واکنش نشان می‌دهد، اشکال دیگری از همان جسم رابه دست آورد که در برابر نور غیرفعال باشند. به عبارت دیگر: ماهیت شیمیایی و تعداد اتمهای یک جسم، لزوماً” با ماهیت فیزیکی و جایی که اتمهای آن جسم در فضا اشغال می‌کنند، انطباق ندارد. پس، دست کم از نظرتئوری، می‌توان در ساختار مولکولی آنها دخالت کرد.
ژان ژاک، مسئول پژوهشهای علمی در مرکز ملی پژوهشهای علمی فرانسه، درکتاب خود به نام “دربارهٔ عدم تقارن مولکولی” اهمیت عظیم پدیدهٔ کایرالیته را بروشنی توضیح داده ا ست. او می نویسد: “امروزه ما می‌دانیم اسیدهای آمینه که پروتئینها را پدید می‌آورند، به گروهی تعلق دارند که از نظر ساختمان مولکولی نمی‌توانند با تصویر خود در آینه انطباق داشته باشند. هورمونها، آنزیمها و همهٔ مواد شیمیایی اولیه‌ای که موجود زنده با آنها زندگی و تکثیر می‌کند نیز به همین گروه تعلق دارند. اگر ماده‌ای مصنوعی را که شکل مولکولی آن برای گیرنده‌ها آشنا نیست، وارد اندام موجود زنده کنید، گیرنده‌ها نمی‌توانند پیام شیمیایی راکه دریافت کرده‌اند “بخوانند” و بنابراین نمی‌توانند واکنشهای حیاتی مورد انتظار را از خود نشان دهند، و ماشین زنده متوقف می‌ماند…”
طبیعت به راست متمایل است یا به چپ؟
یک دستکش، یک بطری شوی، یک در چوب پنبه‌ای بازکن، قند چغندر، یا … فروپاشی بتا، همهٔ این اشیا یا پدیده‌ها یک وجه مشترک دارند: همهٔ شان تابع اصل کایرالیته هستند، یا به عبارت دیگر، اشیا و پدیده‌های “کایرال” هستند.
کایرالیته خاصیت هندسی ویژه‌ای است که مطابق آن برخی از اشیا نمی‌توانند با تصویر خود بر روی آینه انطباق پیدا کنند. خصلتی است خارق العاده که تمایل اسرار آمیز طبیعت را به راست یا چپ نشان می‌دهد. کایرالیته، که پاستور آن را در اسید تارتریک کشف کرد، نقشی بسیار مهم در زیست شیمی دارد. مثلاً ” گلوکز، که نقش اساسی آن در بسیاری از مولکولهای آلی شناخته شده است، طبق قرارداد شیمیدانها، گاهی “راست” است و گاهی “چپ”. گلوکزی که از چغندر استخراج می‌شود، یعنی قند، همیشه “چپ” است. اگر قند مصنوعی “چپ” و “راست” را در محلولی بریزید، باکتریها فقط قند “چپ” را می‌خورند. بدین سان، بسیاری از مولکولها، مثل گلوکز، به دوشکل مختلف دیده می‌شوند، و شکل “راست” را “انانتیومر” (Enantiomere) شکل چپ می‌نامند. رابطهٔ این دو نوع مولکول، مثل رابطهٔ دست راست است با دست چپ. “انانتیومورفیسم” (Enantiomorphisme) یا “تقارن آینه‌ای”، حالت اجسامی است (مثل برخی از بلورها) که یکی تصویر دیگری در آینه است، به عبارت دیگر، اجسامی که متقارن، اما غیرقابل انطباق هستند.
اما موجودات زنده و اندامهای زنده قدرت خارق العاده‌ای دارند که به یاری آن مولکولهای چپ و راست یک مادهٔ معین را به دقت تشخیص می‌دهند. قندانانتیومر گلوکز ۰ که آن را آنتی پود (متقابل و متقاطر:Antipade) گلوکز نیز می‌نامند)، اصلاً “مزه ندارد، آنتی پود مرفین اصلاً “ماده مخدر نیست، آنتی پود تالیدومید (Thalidomid دارویی که چند سال پیش سبب بروز نقصهای مادرزادی در نزد نوزدان شد.) هیچ‌گونه نقص مادرزادی در جنین پدید نمی‌آورد. این تمایل و تمایز خاص طبیعت در مورد اشیای کایرال، فقط منحصر به مولکولها نیست، بلکه در قلمرو باصطلاح جهان کوچک (یا دنیای ذرات) نیز حاکم است. تا سال ۱۹۵۶ ف به نظر ابلهانه می‌آمد که قوانین فیزیکی نیز تمایلی نسبت به راست یا چپ داشته باشند. امادر آن سال، دو فیزیکدان امریکایی به نامهای لی و یانگ ثابت کردند که مثلاً “اصل” جفتی”(Parite) در بعضی واکنشهای متقابل میان ذره‌های بنیادی، ثابت نمی‌ماند، از جمله در “فروپاشی بتا” که پدیده‌ای کایرال است، و تصادفاً” تنها وسیلهٔ ماست که می‌توانیم به یاری آن مفاهیم ” راست” و “چپ” را به ساکنان احتمالی کرات دیگر توضیح دهیم.
از آنچه گفتیم آشکار می‌شود که کشف پدیده کایرالیته در زندگی علمی پاستور، مرحله‌ای تعیین کننده بوده است. این کشف بزرگ، تعیین کننده بوده است این کشف بزرگ، شیمیدان بیست و شش سالهای را به راه بررسی اساس و بنیاد ساختار موجود زنده راهنمایی کرد و دیدیم که در این کاوش چگونه پیروز شد. از آن پس، پاستور، که نه زیست شناس بود و نه طبیب، بخوبی در برابر شخصیتهای علمی خودنمایی می‌کرد. پژوهش دربارهٔ تخمیرها، اثبات زندگی میکروبی، بنیانگذاری اصول ضدعفونی، ساختن نخستین واکسن برای انسان، و سرانجام کشف اصل کایرالیته، همه مراحلی بودند از شاهراهی که پاستور عمری رهرو آن بود: راه کشف اسرار زندگی. هنگامی که پاستور اصل کایرالیته راکشف کرد، شیمیدان جوان ناشناخته‌ای بود. آن گاه، زمانی فرارسید که بسیاری از کسانی که به او نامه می‌نوشتند، به جای نشانی روی پاکت می‌نوشتند:”برسد به دست مردی که معجزه‌ها می‌آفریند.”اما پاستور هنوز هم ناشناخته است.