לואי פסטר – האיש ואגדת ההיווצרות הספונטנית חלק ב'

הפעם נעסוק בתגליתו הראשונה של פסטר – מדע הקריסטלוגרפיה

פסטר עשה את תגליתו הגדולה הראשונה בתור דוקטורנט לכימיה, כאשר היה שקוע בחקר מדע הגבישים. מחקרו התמקד בגיבוש של תרכובות שונות, והוא החל לעבוד עם חומצה טרטרית, שהתגלתה בצורה גבישית ובכמויות גדולות במשקעים שנותרו בתחתית מיכלים להתססת יין. צד בצד לגבישי החומצה הטרטרית, ניתן היה למצוא כמויות קטנות בהרבה של גבישים אחרים בתוך אותם מיכלים. אותם גבישים היו עשויים מחומצה פרא-טרטרית (או 'רצמית'). שתי החומצות השונות התגלו ונחקרו מספר שנים לפני תחילת מחקרו של פסטר, והמדענים שחקרו אותן הצליחו להוכיח גבישי החומצות זהים זה לזה מכל בחינה אפשרית, מלבד אחת. הם אמנם נראו זהים תחת עדשת המיקרוסקופ, ותכונותיהם הכימיות היו זהות גם הן, אך כאשר היו מעבירים אור מקוטב דרך בקבוק המכיל חומצה טרטרית מהולה, האור הוסט לימין. כאשר היו מעבירים אור מקוטב דרך בקבוק המכיל חומצה פרא-טרטרית מהולה, האור לא הוסט

תעלומה זו הפליאה את פסטר. כיצד יתכן שקיימים שני גבישים הזהים אחד לשני מכל בחינה אפשרית, אך הם מגיבים לאור באופן שונה?

תגליתו של פסטר הגיעה לבסוף מתוך התבוננות קפדנית בגבישים השונים דרך המיקרוסקופ. למרות שהגבישים נראו זהים במבט ראשון, מבט מעמיק חשף כי מדובר החומצה הפרא-טרטרית מורכבת משני סוגים שונים של גבישים, שהפוכים בכיוונם. למרות ששניהם נראו אותו הדבר, האחד היה היפוכו של השני, או 'תמונת-המראה' שלו. גבישים אלו נקראים גבישים כיראליים.

כדי להסביר יותר טוב את התופעה, נסתכל על שתי כפות ידינו. למרות שהן זהות זו לזו במראן, יד שמאל אינה יד ימין. לא משנה מאיזה כיוון נסתכל על שתי הידיים, הן לעולם יהיו שונות אחת מהשניה. אנו עדים לתופעה דומה בטבע : מולקולות רבות יכולות להיראות דומות מאד זו לזו, אך האטומים מהם הן מורכבות פונים לכיוונים שונים – באחת לשמאל ובשניה לימין. מולקולות אלו מגיבות לאור בצורה שונה ויכולות להסיט אותו – האחת לשמאל, והשניה לימין. זוג מולקולות שכזה נקרא 'כיראלי', מהמלה 'יד' ביוונית.

כאשר יש ברשותנו תמיסה המורכבת אך ורק ממולקולות כיראליות מסוג אחד, כמו חומצה טרטרית, הרי שהאור המקוטב שאנו מעבירים דרכה יוסט לצד ימין. אך מה יקרה כאשר יש ברשותנו תמיסה המורכבת ממספר שווה של מולקולות כיראליות מסוג אחד, ומספר שווה של מולקולות כיראליות מסוג שני? במקרה זה, חצי מהמולקולות יסיטו את האור לימין, והחצי האחר יסיטו את האור לשמאל. שתי ההסטות מבטלות זו את זו, ובסופו של דבר האור העובר דרך התמיסה לא ישנה כלל את מהלכו!

פסטר הצליח להבדיל בין שני סוגי הגבישים הכיראליים תחת עדשת המיקרוסקופ, והבין כי החומצה הפרא-טרטרית מורכבת מתערובת ביחס שווה של הגבישים השונים, ולכן היא אינה מקטבת את האור. על מנת להוכיח את התיאוריה, לקח על עצמו פסטר מבצע של עבודת נמלים. הוא פיזר גבישים של חומצה פרא-טרטרית תחת עדשת המיקרוסקופ ובעזרת מחט חדה עמל על הפרדת הגבישים הכיראליים ה- 'ימניים' מן ה- 'שמאליים'. כאשר סיים, היו בידיו שתי ערימות של גבישים. הוא המיס כל אחת מהן בבקבוק שונה, ובכך הוכיח כי ניתן להפריד את החומצה הפרא-טרטרית לגבישים המקטבים את האור לימין ולגבישים המקטבים את האור לשמאל. תגלית בסדר גודל שכזה דרשה הוכחה חזקה במיוחד, ופסטר החליט להזמין את ז'קווס ביוט, המומחה הצרפתי לאור מקוטב, ולחזור על הניסוי למול עיניו. ביוט עקב אחר כל שלבי הניסוי ונדהם לנוכח התוצאה המפתיעה. לאחר שהתפרסם המאמר המתאר את תוצאות הניסוי, נתן ביוט גושפנקא למאמר והביע את תמיכתו בפסטר. קהיליית הכימאים בצרפת הבינה מיד את חשיבות התגלית ופסטר הפך להיות לאחר מהמדענים הפופולריים ביותר בצרפת, בגיל 26. על גילוי מדע הסטריאוכימיה הוענק לו תואר אבירות בלגיון הכבוד הצרפתי, ואפילו האגודה המלכותית הבריטית העניקה לו את מדליית קופלי היוקרתית.

למרות שהתגלית עשויה שלא להרשים אותנו כיום, בזמנו של פסטר היתה זו פריצת דרך הבנתית עבור מדע הכימיה. אנו יודעים כיום כי רוב המולקולות הביולוגיות הן כיראליות, ובחלק מהמקרים זוג מולקולות שנראה זהה יכול להשפיע בצורה שונה מאד על גוף האדם בשל הכיראליות שלהן. דוגמא לכך היא המולקולה אספרטיים, הידועה כממתיק מלאכותי, אך טעמה של בת-הזוג הכיראלית שלה הוא מר.

דוגמא טרגית יותר היא תרופת התלידומיד, שנמכרה באירופה באמצע המאה ה- 20 כתרופה נגד בחילות. התלידומיד מורכב משתי מולקולות כיראליות, שאחת מהן מונעת בחילות בוקר – תופעה נפוצה בחודשי ההיריון הראשונים. נשים רבות נטלו את התרופה, מבלי שיהיו מודעות לבת-הזוג הכיראלית של אותה מולקולה ולהשפעתה. בן-הזוג הכיראלי של התלידומיד גורם לפגמים בהתפתחות העובר ולהולדת תינוקות בעלי גפיים חסרות, או ללא גפיים בכלל. למרות שבקבוק התרופה הכיל רק מולקולות תלידומיד בעלות כיראליות נכונה, גוף האדם מסוגל להפוך את כיוונן של מולקולות התלידומיד, ובכך ליצור את בת-הזוג הכיראלית, הפוגעת בעובר. למעלה מ- 50,000 איש נפגעו מהתלידומיד, לפני שחוקרים פיענחו את הקשר בין התרופה לבין ריבוי העוברים בעלי הגפיים המעוותות, הקצרות והחסרות [A].

ממולקולות כיראליות… לעולם כולו!

על בסיס הפופולריות העצומה לה זכה בצרפת, יכול היה פסטר לבחור את האוניברסיטה בה ימשיך לחקור. הוא החליט לקבל משרת פרופסור לכימיה באוניברסיטת סטראסבורג, שם המשיך בחקר הכיראליות של גבישים. הוא גילה כי חומרים שאינם אורגניים – כלומר, שמקורם אינו ביצורים חיים – גם אינם כיראליים. חומרים אלו הם תערובות זהות של שני סוגי המולקולות הכיראליות, ולכן אינם מטים את האור המקוטב. לעומתם, חומרים אורגניים – ובעיקר חומצות אמינו שהן אבני הבניין של כל החלבונים – מופיעים רק בגרסה כיראלית אחת ביצורים חיים, ולפיכך מטים את האור המקוטב. כאשר ניסה פסטר להוכיח את השערתו, נקש המזל בפתח דלתו. הוא גילה מיכל של חומצה פרא-טרטרית עליו גדל עובש. כאשר בדק פסטר את אותה חומצה, הוא גילה להפתעתו כי היא מכילה רק גרסא כיראלית אחת של גבישים, במקום שתי הגרסאות שאמורות להיות בחומצה פרא-טרטרית. בניסויים נוספים הבין פסטר כי העובש מורכב מיצורים חיים אשר ניזונים מהגרסא הכיראלית ה- 'שמאלית' של הגבישים, ומייצרים ממנה גבישים כיראליים 'ימניים'.

בין תגלית לתגלית, גילה פסטר גם את בתו של נשיא אוניברסיטת סטראסבורג, מארי לאורנט. לאחר מספר שבועות של חיזורים קדחתניים, נכנעה מארי למדען הצעיר, הכריזמטי והאביון והם התחתנו תוך זמן קצר. מתוך כל תגליותיו, יש האומרים שמארי לאורנט היתה החשובה מכולן בהמשך חייו. היא היתה בת-לווייתו ועזר כנגדו, ופעמים רבות הם היו מבלים את הערבים ביחד, כשהוא מכתיב לה מכתבים ופרוטוקולי עבודה. גם כאשר סבל פסטר משבץ מוחי בגיל 45, שהותיר את רגלו וזרועו השמאליות משותקות לשארית חייו, המשיכה מארי לתמוך בו בכל, ובעזרתה השתקם וחזר למחקר פעיל. למארי וללואי פסטר נולדו חמישה ילדים, אך רק שניים מהם הגיעו לבגרות מלאה – עובדה שאינה מפתיעה בהתחשב בתנאים הסניטאריים והרפואיים של אותה התקופה.

מיד לאחר נישואיו חזר פסטר למחקר הגבישים הכיראליים. הוא שאף למצוא את הקשר שבין חוסר הסימטריות – העובדה שחיים אורגניים מתבססים על מולקולות כיראליות בלבד – לבין שאר הכוחות הקיימים בעולם. כפי שניתן לקרוא בכתביו של פסטר :

“היקום כולו הוא א-סימטרי. אני נוטה לחשוב שהחיים, כפי שאנו מכירים אותם, הם תוצר של הא-סימטריה של היקום והתוצאות הנובעות ממנה. היקום עצמו הוא א-סימטרי… אפילו תנועתו של אור השמש היא א-סימטרית… המגנטיות של כדור-הארץ, הניגוד הקיים בין הקוטב הדרומי והצפוני במגנט ובין חשמל שלילי וחיובי – כל אלו הם אך תוצאותיהן של פעולות ותנועות א-סימטריות… החיים נשלטים על-ידי פעולות א-סימטריות. אני יכול אפילו לדמיין שכל היצורים החיים הינם בבסיסם תוצאה של הא-סימטריה הקוסמית.” [B]

פסטר התחיל לתכנן ניסויים שיראו כיצד שדה מגנטי המנוגד לזה של כדור-הארץ משפיע על צמחים, או כיצד אור השמש משפיע על הצמח כאשר הוא עולה במערב ושוקע במזרח. חבריו הפצירו בו שלא לבזבז את זמנו על מחקר שלא יוליך לדבר, אך פסטר האמין בכל לבו בנכונותם של רעיונותיו. אשתו כתבה לאביו של פסטר באותה תקופה כי, “לואי משקיע יותר מדי זמן ומחשבה בניסויים שלו, אך אם הם יצליחו הרי שהם יעניקו לנו ניוטון או גלילאו חדש.” [C]

על אף אמונתו, פסטר לא הצליח להוכיח את רעיונותיו כי הא-סימטריה של היקום מתבטאת בא-סימטריה של החומר החי. לאורך כל שארית חייו הוא המשיך לדבוק ברעיון ולפרסם אותו, אך מעולם לא הצליח לגלות הוכחה מוצקה לאמיתותו. פסטר, בדומה לאיינשטיין, היה אדם מבריק. אך בדומה לאיינשטיין, גם הוא היה יכול לטעות ולהאמין בתיאוריות שלא הצליחו לשרוד את סכין המנתחים החד של המדע.

בהמשך הכתבה נסקור את הניסויים בהם התוודע לואיס פסטר לראשונה לחיידקים ולפטריות, וכיצד השתמש בידע שרכש כדי לגבש את דעתו לגבי ההיווצרות הספונטנית ולהפוך את צרפת למעצמת יינות באירופה.

חלק א' של המאמר
חלק ג' של המאמר
חלק ד' של המאמר