اگر تابحال از مغازه شیر خریده باشید، احتمالاً با نام لوئی پاستور، شیمی‌دان و زیست‌شناس قرن نوزدهم فرانسه آشنایی دارید! او با گسترش روشی که امروزه با نام پاستوریزاسیون می‌شناسیم، میکروب‌های شیر و شراب را از بین برده و از بیماری‌ها پیشگیری می‌کرد. او همچنین برای هاری و سیاه‌زخم واکسن ابداع کرد و ایده‌اش به ظهور نظریه‌ی میکروب‌ها انجامید؛ به این معنا که اُرگانیسم‌های ریز موجب بیماری‌هایی نظیر وبا می‌شوند. پاستور حتی در بهبود ساخت آبجوها نیز دستی داشته است! گذشته از وجهه‌ی علمی، پاستور بانی خیر بزرگی است که بر گردن همه‌ی ما حق دارد.
با این حال، قبل از همه‌ی این‌ها، پاستور یک هنرمند بود و بدون اکتشافات اولیه و خلّاقانه‌‌اش، شاید نمی‌توانست یکی از اکتشافات بسیار بزرگ ولی کمتر شناخته شده‌ی خود را در علم عرضه کند. اکتشافی که بیشترین پیامدها را در پی داشته است.
در مقاله‌ای که ماه گذشته در Nature Chemistry منتشر شد، دکتر Gal توضیح می‌دهد که چگونه پاستور جوان در برابر شانس وجود کایرالیته جنگیده است؛ به این معنی که برخی از مولکول‌ها در شکل تصویر آینه‌ایِ دیگر مولکول‌ها وجود دارند، با اثراتی کاملاً متفاوت! امروزه ما شاهد نفوذ این اثر در نور، شیمی و بدن، حتی در داروها هستیم. شاید اگر تجربه‌ی هنرمندی پاستور نبود هنوز هم چیزی به این اهمیت را نمی‌دانستیم.
پاستور در سال ۱۸۲۲ در خانواده‌ای نسبتاً متوسط به دنیا آمد. پدر او سرباز ارتش ناپلئون و همچنین یک دبّاغ بود. او در زمان نوجوانی پرتره‌ی دوستان، خانواده و شخصیت‌های برجسته را می‌کشید ولی پس از درخواست پدرش از او مبنی بر دنبال کردن حرفه‌ای جدی‌تر که بتواند با آن خرج خانواده‌ای را بدهد، دانشمند شد! در سن ۲۴ سالگی پاستور کایرالیته و تقارن مولکولی را کشف کرد.
دست و توپ بیلیارد
برای فهم کایرالیته، دو چیز را در مقابل آینه در نظر بگیرید؛ مثلاً در دستتان یک توپ بیلیارد نگه داشته‌اید. بازتاب توپ در آینه دقیقاً مثل خود آن است. اگر بتوانیم آن سمت آینه برویم و بازتاب توپ را به دنیای واقعی بیاوریم دقیقاً با شکل خود توپ هماهنگ خواهد بود ولی آیا این مسأله در مورد دستتان هم صادق است؟!
در سطح مولکولی نیز برخی چیزها مثل توپ بیلیارد اند و همیشه قابل تزاید۱ می‌باشند ولی مولکول‌هایی که دست، در مثال بالا نقش‌شان را بازی می‌کرد اینگونه نیستند. پاستور این کریستالهای کایرال را کشف کرد و همه چیز یک اتفاق در خمره‌ی شراب بود!
رازهای مولکولی در خمره‌ی شراب
در پروسه‌ی ساخت شراب، ماده‌ای شیمیایی به نام تارتاریک اسید در دیواره‌ی خمره‌ها ساخته می‌شود. در قرن‌های هجده و نوزدهم داروسازان و رنگسازان از این اسید استفاده می‌کردند.
در سال ۱۸۱۹، کارگران کارخانه‌ای شراب را بیش از حد جوشاندند و تصادفاً پاراتارتاریک اسید ساخته شد. این اسید ویژگی‌هایی منحصر به فرد دارد که دانشمندانی مثل پاستور را شیفته‌ی خود کرده بود.
مطالعه‌ی این اسید به تحقیق درباره‌ی ساختار کریستال‌ها مربوط می‌شد که در آن زمان به نظر می‌آمد اگر ساختار آن‌ها معلوم شود چگونگی ساخته شدن مولکول‌ها هم مشخص می‌گردد. مشاهده‌ی راه‌های مختلف برهمکنش کریستال‌ها با نور به دانشمندان سرنخ‌هایی درباره‌ی خصوصیات آن‌ها داد.
کمی جلوتر بیائیم، در قرن نوزدهم Jean-Baptiste Biot، فیزیکدان فرانسوی، کشف کرد که تارتاریک اسید از نظر نوری فعال است. زمانی که Biot نور پلاریزه۲ را به کریستالهای تارتاریک اسید در محلول تابانده بود، این مولکول‌ها نور را در جهت عقربه‌های ساعت یا در خلاف جهت آن برگردانده بودند.
هنگام مطالعه‌ی تارتاریک اسید، پاستور دریافت که این مولکول دو نوع کریستال می‌سازد؛ یکی شبیه آن‌هایی که در تارتاریک اسید یافت می‌شوند و دیگری به صورت آینه‌ای مخالف آن است. کریستال‌ها در واقع نقش دست را بر عهده داشند یا چیزی که در یونانی برای دست می‌گوئیم؛ کایرال۳ همچنین آن‌ها مانند تارتاریک از نظر اُپتیکال فعال نبودند.
پاستور اینگونه جمع‌بندی کرد که کریستالهای تصویر آینه‌ای با همدیگر در مخلوط، ترکیب ۵۰/۵۰ دارند و توانایی همدیگر را برای برگرداندن نور پلاریزه خنثی می‌کنند. حتی بدون دانستن اینکه چگونه یک مولکول ساخته می‌شود، فقط ۸ ماه پس از گرفتن دکترا، پاستور گفت که ساختار مولکولی آن‌ها نیز کایرال می‌باشد. پس از آن، شیمی برای همیشه دگرگون شد!
برخی از دانشمندان مشهور یا حداقل آب‌دیده‌تر از پاستور که در کار خود برجسته هم بودند همان مولکول‌ها و همان مواد را مطالعه کرده بودند. اگر واقع‌گرایانه بیاندیشیم باید از پس پاستور برمی‌آمدند ولی اینگونه نشد. چرا این دانشمند جوان و بی‌سابقه نظرش درست بود؟
دکتر Gal بر این باور است که جواب سؤال بالا شاید در پسِ اشتیاق هنری پاستور جوان بوده باشد. حتی به عنوان دانشمند هم پاستور از هنر دست برنداشته بود. او کلاس‌هایی برگزار می‌کرد در این زمینه که چگونه شیمی می‌تواند در هنر ظریف مورد استفاده قرار گیرد. او حتی یادداشتی به همراه خود می‌برد و نکاتی را در مورد کارهای هنری‌ای که می‌دید می‌نوشت.
دکتر Gal تصادفاً به نامه‌ای برخورده که پاستور در آن از پرتره‌ی لیتوگرافی دوستش برای والدین خود حرف زده بود؛ پشت لیتوگرافی نقاشی‌ای روی سنگ آهک با روغن یا موم و اسید حک شده و صفحه‌ای سفید بالایش نقش بسته بود. تصویر نهایی پشت و رو شده بود، مثل یک تصویر آینه‌ای روی سنگ آهک. پاستور در نامه‌اش چنین نوشته بود:
فکر نمی‌کنم قبل از این چیزی به این خوبی و شباهت ساخته باشم. برای هر کسی که می‌بیندش گیراست ولی از یک چیز می‌ترسم، از اینکه پرتره‌ی روی کاغذ به خوبی پرتره‌ی روی سنگ نباشد. همیشه چنین اتفاقی پیش می‌آید.
آیا این همان توضیح او درباره‌ی تقارن کریستال‌ها نیست؟ شاید چون قبلاً در هنر حس کرده بود آن را در شیمی فهمید!
آینه در آینه
به دلایل مختلفی پاستور نهایتاٌ به زیست‌شناسی روی آورد. شاید به این علت که کایرالیته می‌تواند نفش بزرگی در آن داشته باشد. اکنون می‌دانیم که بسیاری از داروها حاوی دو مولکول اند که اشکال کایرال متفاوتی دارند و جالب آنکه این دو شکل می‌تواند در بدن به صورت متفاوتی واکنش دهند. مثال تراژیک در این باره در دهه‌های ۱۹۵۰ یا ۱۹۶۰ میلادی اتفاق افتاده؛ زمانی که پزشکان داروی تالیدومید را برای درمان بیماری صبحگاهی (ویار) برای زنان حامله تجویز می‌کردند. تالیدومید مولکول کایرالی نیز داشت که عوارض جانبی آن روی نوزادان واقعا فاجعه‌بار بود.
امروزه شرکت‌های دارویی برای جدا کردن اشکال فعال و غیرفعال مولکول‌های تلاش زیادی می‌کنند و سازمان غذا و داروی ایالات متحده در همان دهه قوانینی برای داروهای کایرال وضع کرد. با این حال همه‌ی کایرال‌ها هم خطرناک نیستند؛ برای مثال مسکن ایبوپروفن به صورت ۵۰/۵۰ مخلوطی از هر دو مولکول کایرال را دارد: یکی سردرد را تسکین می‌دهد و تصویر آینه‌ای آن به نظر نمی‌آید مضر باشد.
بسیاری از اشیا در عالم از چنین خصوصیتی برخوردارند؛ درون آینه، داخل خمره‌ی شرابی که بیش از حد داغ شده، روی قسمتی از سنگ و درون بدن شما: دستان غیرقابل تزاید۴ عالم توسط مردی کشف شد که می‌خواست هنرمند شود ولی سرنوشت او را برای علم مقرّر داشته بود.
پی‌نوشت:
- superimposable
- نور پلاریزه، چه افقی چه عمودی، فقط در یک جهت حرکت می‌کند.
- chiral
- non-superimposable
