منشأ شیمیِ مولکول‌های راست‌گردان و چپ‌گردان

لویی پاستور بیش‌تر به خاطر نقشی که در پیش‌رفت میکروب شناسی داشته، شهرت پیدا کرده است، نه به خاطر فعالیت‌هایش در علم شیمی. هرچند پاستور زندگی حرفه‌ای خود را به عنوان شیمی‌دان آغاز کرد، اما شهرتش عمدتاً به این دلیل است که اولین کسی بود که پدیده‌های زیست شناختی بسیاری را توضیح داد، مثل نقش باکتری‌ها در تخمیر (پژوهش‌هایش تأثیر زیادی بر نحوه‌ی تولید نوشابه های الکلی داشت)، مکانیسم فاسد شدن غذا (هنوز هم پاستوریزاسیون شیر که از ابداعات اوست انجام می‌شود)، عفونی شدن زخم‌ها (روش جراحی استریل که بر اساس نظریات او به دست لرد لیستر اجرا شد باعث ایجاد تحولی در حرفه‌ی جراحی گردید)، و بیماری (تحقیقاتش در زمینه‌ی بیماری کرم ابریشم، صنعت ابریشم فرانسه را نجات داد، و تهیه‌ی واکسن هاری به دست او جان هزاران نفر را از مرگ بر اثر هاری نجات داد). با این حال، گرچه نقشی که او در پیش‌برد شیمی داشت کم‌تر شناخته شده است، اما همین‌ها کافی بود تا شهرتش را تضمین کند.
در سال 1848 میلادی که پاستور در بیست و پنج سالگی تازه دانش‌نامه‌ی دکتری خود را از دانشگاه سوربون پاریس گرفته بود، به مطالعه بر روی یکی از نمک‌های اسید راسمیک، که در مدت تخمیر بر سطح خمره‌های شراب رسوب می‌کند، پرداخت. (نام راسمیک از کلمه‌ی لاتینی راسموس به معنی خوشه‌ی انگور مشتق شده است.) شیمی‌دان دیگری به نام ایلهارت میتسشرلیش گزارش داده بود که یکی از نمک‌های اسید راسمیک (نمک سدیم آمونیمِ آن که از اثر آمونیاک و سود بر اسید راسمیک به دست می‌آید) تقریباً درست به یکی از نمک‌های اسید تارتاریک (جوهر غوره)، که آن نیز بر سطح خمره‌های شراب یافت می‌شود، شباهت دارد. فقط نمک اسید تارتاریک «فعالیت نوری» دارد، در حالی که نمک اسید راسمیک دارای چنین خاصیتی نیست. (نمک اسیدی پتاسیم با اسید تارتاریک، طرطیر نامیده می‌شود.)
ماده‌ای فعالیت نوری دارد که صفحه‌ی نور قطبیده (پلاریزه) را بگرداند. بر طبق نظریه‌ی موجی، نور معمولی از امواجی تشکیل شده است که در صفحه‌هایی با جهت‌های مختلف ارتعاش دارند. برخی از بلورها نور را به نحوی از خود عبور می‌دهند که تنها امواجی که در صفحه‌ی خاصی ارتعاش می‌کنند بگذرند. نوری که بدین ترتیب بیرون می‌آید نوری قطبیده است.
در 1848 دانسته شده بود که برخی از مواد طبیعی (نظیر بلورهای کوارتز، سقز، و محلول‌های قندی) نیز نور قطبیده را می‌چرخانند، اما کسی نمی‌فهمید آن‌ها چگونه باعث بروز چنین اثری می‌شوند. چرخش نور قطبیده در ابزاری به نام قطبش سنج (پلاریمتر) مشاهده و سنجیده می‌شود. وقتی ماده‌ای صفحه‌ی نور قطبیده را در جهت عقربه‌های ساعت بچرخاند راست‌گردان است – به عبارت دیگر باعث چرخش مثبت می‌شود. ماده‌ای که صفحه‌ی نور قطبیده را در خلاف جهت غقربه‌های ساعت بگرداند چپ‌گردان است – یعنی موجب چرخش منفی می‌شود.
پاستور حیران بود. گفته می‌شد 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 تأثیری نداشت، در حالی که نمک اسید تارتاریک راست‌گردان بود. وقتی پاستور بلورهای نمک اسید راسمیک را که به روش میتسشرلیش تهیه شده بودند مورد بررسی قرار داد، چیزی را 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 اندازه‌ی کافی از هر دو نوع سوا کرد، دست به کاری زد که یا پی‌گیری یک حدس بود، یا جرقه‌ی نبوغ. او مقداری از هر دو نوع بلور را به طور جداگانه در آب حل کرد، و این محلول‌ها را به نوبت در قطبش‌سنجی 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 می‌کنند. رونه والری رادو، در کتاب زندگی پاستور (1902) نوشت که دانشمند جوان آن قدر از اکتشافش هیجان زده بود که در حالی که وضعش چندان با وضعیت ارشمیدس به هنگام کشف هیجان‌انگیزش فرقی نمی‌کرد از آزمایشگاه بیرون دوید و فریاد زد: «پیدایش کردم!»
وقتی در ضمن تهیه‌ی محلول‌ها، به دقت مقدار هر نوع بلور را اندازه گرفت، متوجه شد که مقادیر مساوی درست به یک اندازه باعث چرخش می‌شوند، ولی در دو دو جهت مخالف: به عبارتی دیگر میزان چرخش بلورهای راست‌گردان با مقدار چرخشی که محلول مشابهی از نمک اسید تارتاریک ایجاد می‌کرد، برابر بود. بدین ترتیب پاستور نشان داده بود که این نمک راست‌گردان اسید راسمیک عملاً با نمک اسید تارتاریک راست‌گردان یکسان است، و نمک چپ‌گردان اسید راسمیک تصویر آینه‌ای 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 پیش‌بینی می‌کرد دریافت که محلولی که با این نسبت تهیه شود از لحاظ نوری غیر فعال است. با جداسازی دو نوع بلور نمک اسید راسمیک، پاستور اولین و مشهورترین نمونه از آن‌چه را که شیمی‌دانان تفکیک یک مخلوط راسمیک می‌نامند انجام داد. (امروزه نام ترکیب خاصی که پاستور بر روی آن کار کرد، یعنی اسید راسمیک، بر هر مخلوطی از مواد قرینه‌ی آینه‌ای اطلاق می‌شود.)
آزمایش‌های بلورشناختی 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 زمینه‌ی چرخش نور قطبیده در بلورها کرده بود، رسید. بیو که عضو فرهنگستان علوم و هفتاد و چهار ساله بود، به آزمایش‌های پاستور به دیده‌ی تحقیر می‌نگریست، و از پاستور خواست تا قبل از ارائه‌ی گزارشی از نتایج مطالعاتش به فرهنگستان، همان آزمایش‌ها را در حضور او تکرار کند. پاستور در حالی که بیو شخصاً محلول‌هایی را که بلورها از آن به دست می‌آمد تهیه می‌کرد، همین کار را انجام داد. وقتی بیو پس از عبور نور قطبیده از بلورهای چپ‌گردان، چرخش آن را به چپ دید، دیگر به اندازه‌گیری‌اش ادامه نداد و در حالی که دست بر بازوی پاستور جوان می‌گذاشت با لحنی هیجان‌آمیز گفت: «فرزندم، آن قدر در طول عمرم به علم عشق ورزیده‌ام که این واقعاً قلبم را تکان می‌دهد.»
جداسازی بلورهایی که دارای شکل‌های متفاوتی بودند، و اثبات این که محلول آن‌ها صفحه‌ی نور قطبیده را در جهت‌های مخالف می‌چرخاند، از یک جهت آزمایشی جالب، اما بی‌فایده بود. چه فرق می‌کرد که مواد خاصی صفحه‌ی نور قطبیده را در قطبش‌سنج به یک سو بچرخانند یا به سویی دیگر؟ اما وقتی دقیق‌تر بنگریم می‌بینیم که آزمایش‌های پاستور اهمیت فوق‌العاده‌ای داشتند. او نخستین کسی بود که نشان داد ترکیبات آلی در سطح مولکولی به صورت تصویرهای آینه‌ای یک‌دیگر وجود دارند: به عبارتی دیگر، مولکول‌ها دارای ویژگی دستوارگی یا کایرالیته هستند. منشأ این واژه معادل یونانی دست است، و از این جهت مناسبت دارد که دو دست، نمونه‌ی بارز دو جسمی هستند که تصویر آینه‌ای یک‌دیگر باشند. نه تنها مولکول‌ها، بلکه اشیای معمولی را هم می‌توان کایرال یا غیر کایرال دانست. به عنوان نمونه دستکش کایرال است، ولی جوراب غیر کایرال است، چون فرقی نمی‌کند 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 می‌کردند، چون وقتی بلورهای کوارتز ذوب شوند، فعالیت نوریشان از بین می‌رود. اما تأثیرات 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، ساختار بلوری نمک را از بین می‌برد. با این حال، محلول‌های دو نوع بلور نمکی که پاستور استفاده می‌کرد هنوز هم فعالیت نوری داشتند. پاستور بعدها نمک‌های جدا شده‌ی 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 دارند.
پاستور به این مطلب پی برده بود که اکتشاف وی اشاره به رابطه‌ی مستقیمی میان هندسه‌ی مولکولی و فعالیت نوری دارد. او پیشنهاد کرد که نسبت مولکول‌هایی که صفحه‌ی نور قطبیده را در جهت‌های مخالف می‌چرخانند، مانند نسبت هر شیء به تصویر آینه‌ای آن است. اما لازم بود که بیست و پنج سال بعد، دو شیمی‌دان جوان به نام‌های یاکوبوس وانت هوف و ژوزف لوبل توضیح دهند که دقیقاً اتم‌ها چگونه به شکل این ساختارهای مولکولی در کنار هم قرار می‌گیرند. در این فاصله، پاستور توجه خود را به برخی از مسائل زیست شناسی که پیش‌تر ذکر آن‌ها رفت معطوف کرد و در این زمینه به موفقیت‌های چشم‌گیری دست یافت. اما پژوهش‌های پیشگامانه‌ی او در زمینه‌ی تفکیک اسید راسمیک، راه را برای شیمی‌دانان دیگر هموار کرد تا رابطه‌ی میان کایرالیته در ساختار مولکولی و فعالیت زیست شناختی را توضیح دهند. اهمیت واقعی کار پاستور هم در همین است.
اگر چه دانستن این که مولکول‌های چپ‌گردان (اسید راسمیک(-) و اسید تارتاریک)، صفحه‌ی نور قطبیده را در خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌گردانند اهمیتی ندارد، اما بسیار مهم است که بدانیم چرا مولکول راست‌گردان ویتامین C ((+)-اسید آسکوربیک) ویتامین است در حالی که (-)-اسید آسکوربیک فعالیت زیست شناختی ندارد – یعنی ویتامین نیست؛ چرا (+)-گلوکوز (دکستروز) ماده‌ای مغذی است، در حالی که (-)-گلوکز (لوولوز) ارزش غذایی ندارد؛ چرا (-)-کلرومایستین آنتی ‌بیوتیک نیرومندی است در حالی که (+)-کلرومایستین چنین خاصیتی ندارد؛ و این که چرا (-)-آدرنالین هورمونی بسیار قوی‌تر از (+)-آدرنالین است.
نمونه‌ای تأسف‌بار از اهمیت کایرالیته‌ی مولکول‌ها، استفاده از داروی تالیدومید بود. در دهه‌ی 1950 میلادی، زنان باردار قبل از آن که شیمی‌دانان دریابند که گرچه شکل (+) این مولکول برای درمان کسالت صبحگاهی بی‌خطر و مفید است اما شکل (-) آن ماده جهش‌زای فعالی است (یعنی ماده‌ای که باعث جهش‌های زیست شناختی می‌شود)، از این دارو استفاده کردند. از آن جا که در داروی مزبور هر دو شکل این مولکول وجود داشت، ناهنجاری‌های جنینی شدید و متعددی به بار آمد.
با آن که مشاهده‌ی شکل‌های مختلف بلورها، جداسازی این شکل‌های مختلف، و نتیجه‌گیری درباره‌ی علت تأثیرات متضاد آن‌ها بر نور قطبیده حقیقتاً ناشی از نبوغ پاستور بودند، اما بخت نقش عمده‌ای در اکتشافاتش ایفا کرد. در این کشف‌ها، شانس دو بار وارد صحنه شد. اولاً نمک سدیم آمونیم اسید راسمیک، که نمکی بود که پاستور بررسی کرد، تقریباً تنها نمک این اسید است که به دو شکل آینه‌ای متبلور می‌شود، و هر کس می‌تواند با مشاهده‌ی این اختلاف، آن‌ها را با دست از هم جدا کند. ثانیاً تبلور این دو شکل متفاوت تنها در دماهای کم‌تر از بیست و شش درجه‌ی سانتیگراد صورت می‌گیرد: در دماهای بیش‌تر از بیست و شش درجه‌ی سانتیگراد، بلورهایی که تشکیل می‌شوند همگی یکسان و فاقد فعالیت‌های نوری هستند. پاستور ظرف حاوی محلول نمک را در جای خنکی در کنار پنجره‌ی 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 نمی‌یافت.
پاستور، مانند دیگر بزرگانی که از یاری بخت بهره بردند، به فرقی که میان تصادف و اکتشافات تصادفی وجود دارد پی برد، و آن را به زیبایی به زبان خود چنین بیان کرد: «در پهنه‌ی مشاهده، بخت فقط به ذهن مستعد یاری می‌رساند.» وقتی جوزف هنری، فیزیک‌دان مشهور امریکایی، جمله‌ی زیر پیش از آن به زبان می‌آورد، همین قاعده‌ی کلی در نظرش بود: «بذر اکتشافات بزرگ دائماً ما را فرا گرفته‌اند، اما تنها در ذهنی ریشه می‌دوانند که آمادگی پذیرش آن‌ها را داشته باشند.»