تطابق اليمين واليسار Homochirality

تطابق اليمين واليسار أو التماكب الضوئي المتماثل (Homochirality)، هو توحيد التماكب الضوئي، أو سيطرة إحدى اليدين (اليدوانية). تكون الكائنات حلزونية عندما لا يمكن مواكبة على صورها المرآة. على سبيل المثال، اليد اليسرى واليمنى للإنسان هي تقريباً صور مرآة لبعضها البعض لكنها ليست صور مرآة خاصة بها، لذا فهي متماكبة ضوئياً. في علم الأحياء، 19 من أصل 20 حمض أميني طبيعي تكون متماكبة ضوئياً-متماثلة، كونها L-متماكب ضوئياً (أيسر) باستثناء الگلايسين وهي غير متماكبة (جزيء مرآتي)، في حين أن السكر هو D-متماكب ضوئياً (أيمن). قد يشير مصطل التماكب الضوئي المتماثل أيضاً إلى مواد نقية ضوئياً تكون جميع مكوناتها متماكبة متقابلة (نسخة يمينية أو يسارية من الذرة أو الجزيء)، لكن بعض المصادر لا تشجع هذا الاستخدام للمصطلح.

من غير الواضح ما إذا كان التماكب الضوئي المتماثل له غرض أم لا؛ ومع ذلك، يبدو أنه شكل من أشكال تخزين المعلومات. أحد الاقتراحات هو أنه يقلل من حواجز العشوائية الداخلية في تشكل جزيئات منظمة كبيرة. لقد تم التحقق تجريبياً من أن الأحماض الأمينية تشكل مجاميع كبيرة بكميات أكبر من عينات نقية ضوئياً من الأحماض الأمينية مقارنة بعينات راسيمية (مختلطة نقية ضوئياً).

ليس من الواضح ما إذا كانت التماكب الضوئي المتماثل قد ظهر قبل نشوء الحياة أم بعدها، وقد أُقترح العديد من الآليات لنشوءه. تقترح بعض هذه النماذج ثلاث خطوات متميزة: كسر تناظر المرآة' يخلق اختلالاً دقيقاً في التوازن التماثلي، ويبني تضخيم متماكب ضوئياً على هذا الخلل، والانتقال المتماكب ضوئياً هو نقل التماكب الضوئي من مجموعة من الجزيئات إلى أخرى.

 في علم الأحياء

علماء يحذرون من إجراء أبحاث على بكتيريا مراياتية (متماكبة ضوئياً).

الأحماض الأمينية هي اللبنات الأساسية للپپتيد والإنزيمات بينما سلاسل الپپتيد-السكر هي العمود الفقري للرنا والدنا. في العضيات الحيوية، تظهر الأحماض الأمينية بشكل حصري تقريباً في الشكل الأيسر (L-أحماض أمينية) والسكريات في الشكل الأيمن (R-سكريات). نظراً لأن الإنزيمات تحفز التفاعلات، فإنها تفرض التجانس على مجموعة كبيرة ومتنوعة من المواد الكيميائية الأخرى، بما في ذلك الهرمونات والسموم والعطور ونكهات الطعام.^:493–494 الگلايسين غير متماكب ضوئياً، كما هو الحال مع بعض الأحماض الأمينية الأخرى غير پروتينية المنشأ التي تكون إما غير متماكبة ضوئيا (مثل ثنائي ميثيل الالگلايسين) أو من Dالشكل المتماكب المتقابل.

تميز العضيات الحيوية بسهولة بين الجزيئات ذات التعامدات المختلفة. وهذا يمكن أن يؤثر على التفاعلات الفسيولوجية مثل الرائحة والتذوق. الكارڤون، وهو ترپينويد موجود في الزيوت العطرية، رائحته تشبه رائحة النعناع في الشكل-L والكراوية في الشكل-R.^:494

الليمونين طعمه مثل الحمضيات في شكله الأيمن والصنوبر في الشكله الأيسر.^:168

يؤثر التماكب الضوئي المتماثل أيضاً على الاستجابة للأدوية. الثاليدومايد، في شكله الأيسر، يعالج الغثيان الصباحي؛ وفي شكله الأيمن يسبب تشوهات خلقية.^:168 لسوء الحظ، حتى لو تم إعطاء نسخة أيسر خالصة، يمكن أن يتحول بعضها إلى نسخة أيمن لدى المريض. تتوفر العديد من الأدوية على شكل خليط راسيمي (كميات متساوية من كلا المتماكبين الضوئيين) ودواء نقي ضوئياً (لا يوجد سوى متماكب ضوئي واحد فقط). اعتماداً على عملية التصنيع، يمكن أن يكون إنتاج الأشكال النقية الضوئية أكثر تكلفة من المخاليط الكيميائية الفراغية.^:168

يمكن أيضاً العثور على التفضيلات اللولبية على المستوى العياني. يمكن أن تكون أصداف الحلزون حلزونية تتجه نحو اليمين أو تتجه نحو اليسار، ولكن يفضل بشدة شكل أو آخر في نوع معين. في حلزون الكروم الصالح للأكل، يوجد حلزوني واحد فقط من أصل 20.000 حلزوني أيسر.^:61–62 يمكن أن يكون لف النباتات تماكب ضوئي مفضل وحتى حركة المضغ للأبقار لها زيادة بنسبة 10% في اتجاه واحد.

 الأصول

مسألة غير محلولة في كيمياء

What is the origin of homochirality in living organisms?

المزيد من المسائل غير المحلولة في كيمياء

 كسر التناظر

Theories for the origin of homochirality in the molecules of life can be classified as deterministic or based on chance depending on their proposed mechanism. If there is a relationship between cause and effect — that is, a specific chiral field or influence causing the mirror symmetry breaking — the theory is classified as deterministic; otherwise it is classified as a theory based on chance (in the sense of randomness) mechanisms.

Another classification for the different theories of the origin of biological homochirality could be made depending on whether life emerged before the enantiodiscrimination step (biotic theories) or afterwards (abiotic theories). Biotic theories claim that homochirality is simply a result of the natural autoamplification process of life—that either the formation of life as preferring one chirality or the other was a chance rare event which happened to occur with the chiralities we observe, or that all chiralities of life emerged rapidly but due to catastrophic events and strong competition, the other unobserved chiral preferences were wiped out by the preponderance and metabolic, enantiomeric enrichment from the 'winning' chirality choices. If this was the case, remains of the extinct chirality sign should be found. Since this is not the case, nowadays biotic theories are no longer supported.

The emergence of chirality consensus as a natural autoamplification process has also been associated with the 2nd law of thermodynamics.

 النظريات الحتمية

Deterministic theories can be divided into two subgroups: if the initial chiral influence took place in a specific space or time location (averaging zero over large enough areas of observation or periods of time), the theory is classified as local deterministic; if the chiral influence is permanent at the time the chiral selection occurred, then it is classified as universal deterministic. The classification groups for local determinist theories and theories based on chance mechanisms can overlap. Even if an external chiral influence produced the initial chiral imbalance in a deterministic way, the outcome sign could be random since the external chiral influence has its enantiomeric counterpart elsewhere.

In deterministic theories, the enantiomeric imbalance is created due to an external chiral field or influence, and the ultimate sign imprinted in biomolecules will be due to it. Deterministic mechanisms for the production of non-racemic mixtures from racemic starting materials include: asymmetric physical laws, such as the electroweak interaction (via cosmic rays) or asymmetric environments, such as those caused by circularly polarized light, quartz crystals, or the Earth's rotation, β-Radiolysis or the magnetochiral effect. The most accepted universal deterministic theory is the electroweak interaction. Once established, chirality would be selected for.

One supposition is that the discovery of an enantiomeric imbalance in molecules in the Murchison meteorite supports an extraterrestrial origin of homochirality: there is evidence for the existence of circularly polarized light originating from Mie scattering on aligned interstellar dust particles which may trigger the formation of an enantiomeric excess within chiral material in space.^:123–124 Interstellar and near-stellar magnetic fields can align dust particles in this fashion. Another speculation (the Vester-Ulbricht hypothesis) suggests that fundamental chirality of physical processes such as that of the beta decay (see Parity violation) leads to slightly different half-lives of biologically relevant molecules.

 نظريات الصدفة

Chance theories are based on the assumption that "Absolute asymmetric synthesis, i.e., the formation of enantiomerically enriched products from achiral precursors without the intervention of chiral chemical reagents or catalysts, is in practice unavoidable on statistical grounds alone".

Consider the racemic state as a macroscopic property described by a binomial distribution; the experiment of tossing a coin, where the two possible outcomes are the two enantiomers is a good analogy. The discrete probability distribution $P_p(n,N)$ of obtaining n successes out of $N$ Bernoulli trials, where the result of each Bernoulli trial occurs with probability $p$ and the opposite occurs with probability $q=(1-p)$ is given by:

$P_p(n,N)=(\genfrac{}{}{0ex}{}{N}{n})p^n(1-p{)}^{N-n}$ .

The discrete probability distribution $P(N/2,N)$ of having exactly $N/2$ molecules of one chirality and $N/2$ of the other, is given by:

$P_{1/2}(N/2,N)=(\genfrac{}{}{0ex}{}{N}{N/2}){\left(\frac{1}{2}\right)}^{N/2}{\left(\frac{1}{2}\right)}^{N/2}\approx \sqrt{\frac{2}{\pi N}}$ .

As in the experiment of tossing a coin, in this case, we assume both events ($L$ or $D$) to be equiprobable, $p=q=1/2$. The probability of having exactly the same amount of both enantiomers is inversely proportional to the square root of the total number of molecules $N$. For one mol of a racemic compound, $N=N_A\approx 6.022\cdot 10^{23}$ molecules, this probability becomes $P_{1/2}(N_A/2,N_A)\approx 10^{-12}$. The probability of finding the racemic state is so small that we can consider it negligible.

In this scenario, there is a need to amplify the initial stochastic enantiomeric excess through any efficient mechanism of amplification. The most likely path for this amplification step is by asymmetric autocatalysis. An autocatalytic chemical reaction is that in which the reaction product is itself a reactive, in other words, a chemical reaction is autocatalytic if the reaction product is itself the catalyst of the reaction. In asymmetric autocatalysis, the catalyst is a chiral molecule, which means that a chiral molecule is catalysing its own production. An initial enantiomeric excess, such as can be produced by polarized light, then allows the more abundant enantiomer to outcompete the other.

 التضخيم

 النظرية

Phase portrait of Frank's model: starting from almost everywhere in L-D plane (except L = D line), the system approaches to one of the homochiral states (L=0 or D=0).

في 1953، Charles Frank proposed a model to demonstrate that homochirality is a consequence of autocatalysis. In his model the L and D enantiomers of a chiral molecule are autocatalytically produced from an achiral molecule A

$\begin{array}{l}A+L\stackrel{k_a}{\to }2L,\\ A+D\stackrel{k_a}{\to }2D,\end{array}$

while suppressing each other through a reaction that he called mutual antagonism

$\begin{array}{l}L+D\stackrel{k_d}{\to }\varnothing .\\ \end{array}$

In this model the racemic state is unstable in the sense that the slightest enantiomeric excess will be amplified to a completely homochiral state. This can be shown by computing the reaction rates from the law of mass action:

$\begin{array}{ll}\frac{d[L]}{dt}& =k_a[A][L]-k_d[\mathrm{L}][\mathrm{D}]\\ \frac{d[D]}{dt}& =k_a[A][D]-k_d[\mathrm{L}][\mathrm{D}],\end{array}$

where $k_a$ is the rate constant for the autocatalytic reactions, $k_d$ is the rate constant for mutual antagonism reaction, and the concentration of A is kept constant for simplicity.

The analytical solutions for are found to be $[L]/[D]=[L{]}_0/[D{]}_0{e}^{kd([L{]}_0-[D{]}_0)(e^{k_{a}t}-1)}$ . The ratio $[L]/[D]$ increases at a more than exponential rate if $([L{]}_0-[D{]}_0)$ is positive (and vice versa). Every starting conditions different to

$[L{]}_0=[D{]}_0$ lead to one of the asymptotes $[L]=0$ or $[D]=0$. Thus the equality of $[L{]}_0$ and $[D{]}_0$ and so of $[L]$ and $[D]$ represents a condition of unstable equilibrium, this result depending on the presence of the term representing mutual antagonism.

By defining the enantiomeric excess $ee$ as

$ee=\frac{[D]-[L]}{[D]+[L]},$

the rate of change of enantiomeric excess can be calculated using chain rule from the rate of change of the concentrations of enantiomers L and D.

$\frac{d(ee)}{dt}=\left(\frac{2k_d[\mathrm{L}][\mathrm{D}]}{[D]+[L]}\right)ee.$

Linear stability analysis of this equation shows that the racemic state $ee=0$ is unstable. Starting from almost everywhere in the concentration space, the system evolves to a homochiral state.

It is generally understood that autocatalysis alone does not yield to homochirality, and the presence of the mutually antagonistic relationship between the two enantiomers is necessary for the instability of the racemic mixture. However, recent studies show that homochirality could be achieved from autocatalysis in the absence of the mutually antagonistic relationship, but the underlying mechanism for symmetry-breaking is different.

 تجارب

There are several laboratory experiments that demonstrate how a small amount of one enantiomer at the start of a reaction can lead to a large excess of a single enantiomer as the product. For example, the Soai reaction is autocatalytic. If the reaction is started with some of one of the product enantiomers already present, the product acts as an enantioselective catalyst for production of more of that same enantiomer. The initial presence of just 0.2 equivalent one enantiomer can lead to up to 93% enantiomeric excess of the product.

Another study concerns the proline catalyzed aminoxylation of propionaldehyde by nitrosobenzene. In this system, a small enantiomeric excess of catalyst leads to a large enantiomeric excess of product.

Serine octamer clusters are also contenders. These clusters of 8 serine molecules appear in mass spectrometry with an unusual homochiral preference, however there is no evidence that such clusters exist under non-ionizing conditions and amino acid phase behavior is far more prebiotically relevant. The recent observation that partial sublimation of a 10% enantioenriched sample of leucine results in up to 82% enrichment in the sublimate shows that enantioenrichment of amino acids could occur in space. Partial sublimation processes can take place on the surface of meteors where large variations in temperature exist. This finding may have consequences for the development of the Mars Organic Detector scheduled for launch in 2013 which aims to recover trace amounts of amino acids from the Mars surface exactly by a sublimation technique.

A high asymmetric amplification of the enantiomeric excess of sugars are also present in the amino acid catalyzed asymmetric formation of carbohydrates

One classic study involves an experiment that takes place in the laboratory. When sodium chlorate is allowed to crystallize from water and the collected crystals examined in a polarimeter, each crystal turns out to be chiral and either the L form or the D form. When allowed to sit undisturbed, the amount of L crystals collected equals the amount of D crystals (corrected for statistical effects). However, when the sodium chlorate solution is stirred during the crystallization process, the crystals form with a single chirality, though any given experiment could give either exclusively L or exclusively D. The explanation for this symmetry breaking is unclear but is related to autocatalysis taking place in the nucleation process.

In a related experiment, a crystal suspension of a racemic amino acid derivative continuously stirred, results in a 100% crystal phase of one of the enantiomers because the enantiomeric pair is able to equilibrate in solution (compare with dynamic kinetic resolution).

 النقل

Once a significant enantiomeric enrichment has been produced in a system, the transference of chirality through the entire system is customary. This last step is known as the chiral transmission step. Many strategies in asymmetric synthesis are built on chiral transmission. Especially important is the so-called organocatalysis of organic reactions by proline for example in Mannich reactions.

Some proposed models for the transmission of chiral asymmetry are polymerization, epimerization or copolymerization.

 الفصل الضوئي للأحماض الأمينية الراسيمية

There exists no theory elucidating correlations among L-amino acids. If one takes, for example, alanine, which has a small methyl group, and phenylalanine, which has a larger benzyl group, a simple question is in what aspect, L-alanine resembles L-phenylalanine more than D-phenylalanine, and what kind of mechanism causes the selection of all L-amino acids, because it might be possible that alanine was L and phenylalanine was D.

It was reported in 2004 that excess racemic D,L-asparagine (Asn), which spontaneously forms crystals of either isomer during recrystallization, induces asymmetric resolution of a co-existing racemic amino acid such as arginine (Arg), aspartic acid (Asp), glutamine (Gln), histidine (His), leucine (Leu), methionine (Met), phenylalanine (Phe), serine (Ser), valine (Val), tyrosine (Tyr), and tryptophan (Trp). The enantiomeric excess ee = 100 ×(L-D)/(L+D) of these amino acids was correlated almost linearly with that of the inducer, i.e., Asn. When recrystallizations from a mixture of 12 D,L-amino acids (Ala, Asp, Arg, Glu, Gln, His, Leu, Met, Ser, Val, Phe, and Tyr) and excess D,L-Asn were made, all amino acids with the same configuration with Asn were preferentially co-crystallized. It was incidental whether the enrichment took place in L- or D-Asn, however, once the selection was made, the co-existing amino acid with the same configuration at the α-carbon was preferentially involved because of thermodynamic stability in the crystal formation. The maximal ee was reported to be 100%. Based on these results, it is proposed that a mixture of racemic amino acids causes spontaneous and effective optical resolution, even if asymmetric synthesis of a single amino acid does not occur without an aid of an optically active molecule.

This is the first study elucidating reasonably the formation of chirality from racemic amino acids with experimental evidences.

 تاريخ المصطلح

This term was introduced by Lord Kelvin in 1904, the year that he published his Baltimore Lecture of 1884. Kelvin used the term homochirality as a relationship between two molecules, i.e. two molecules are homochiral if they have the same chirality. Recently, however, homochiral has been used in the same sense as enantiomerically pure. This is permitted in some journals (but not encouraged),^:342 its meaning changing into the preference of a process or system for a single optical isomer in a pair of isomers in these journals.

 جائزة نوبل في الكيمياء 2026

التماكب الضوئي.

في 7 أكتوبر 2026، فاز الفرنسي هنري كاگان والياباني كن‌سو سواي بجائزة نوبل في الكيمياء من أجل اكتشافاتهما المتعلقة بصناعة الأدوية.

توجد بعض الجزيئات، مثل الأحماض الأمينية، في شكلين مختلفين يمثل كل منهما صورة مرآة للآخر. ومع ذلك، فإن العضيات تحتوي فقط على واحدة من هذه الصور المرآة. إن كيفية نشوء مثل هذا عدم التماثل الكيميائي كان لغزاً طويلاً بالنسبة للكيميائيين. حصل هنري كاگان وكن‌سو سواي على جائزة نوبل في الكيمياء 2026 لاكتشافهما حل هذا اللغز. إن كيمياء الحياة هي ما يسميه الكيميائيون التماكب الضوئي المتماثل (homochiral)، نسبة إلى الكلمتين اليونانيتين اللتين تعنيان "homo" (وتعنى تماثل)، و"chiral" (وتعني تماكب ضوئي). مثل اليدين، جميع الأحماض الأمينية موجودة في شكلين مختلفين، لكن واحد منهم فقط موجود في الپروتينات الموجودة في الخلايا. أما الآخر فنادراً ما يوجد في الطبيعة.

لفترة طويلة، تساءل الكيميائيون عن كيفية ظهور التماكب اليدواني. عندما بدأوا في تجربة التفاعلات الكيميائية التي يمكن أن تشكل جزيئين معكوسين، حصلوا دائمًا على نسب متساوية من كليهما في أنابيب الاختبار الخاصة بهم. ومع ذلك، سعى الكيميائيون إلى إنتاج واحدة فقط من هذه الصور المرآة، لأنه في تطوير الجزيئات التي ستتفاعل مع العضيات- كما هو الحال في المستحضرات الدوائية- سيكون لصورة مرآة واحدة فقط التأثير المطلوب.

تُكرِّم جائزة نوبل في الكيمياء 2026 الاكتشافات التي مكّنت الكيميائيين من إجراء تفاعلات كيميائية تؤدي إلى التماكب الضوئي المتماثل (homochirality). يقول هاينر لينكي، رئيس لجنة نوبل للكيمياء: "لقد قدّم كل من هنري كاگان وكن‌سو سواي حلاً للغز كيميائي يعود تاريخه إلى أكثر من قرن، وهو كيفية نشوء التماكب الضوئي اليدواني بشكل تلقائي. إن التفاعلات الكيميائية التي طوراها مذهلة".

اتخذ هنري كاگان الخطوة الحاسمة الأولى عام 1986، عندما اكتشف طريقة جديدة لمعالجة التفاعلات الكيميائية. وقد سمح له ذلك بإنشاء فائض أكبر في إحدى الصور المرآة مما كان يُعتقد في السابق أنه ممكن. خطا كن‌سو سواي الخطوة التالية؛ ففي عام 1995، نُشر بحثٌ محوري يصف كيف صمّم أول تفاعل كيميائي على الإطلاق يمتلك القدرة على أن يكون متواكب ضوئياً. وفي عام 2003، تكللت جهوده بالنجاح؛ إذ قدّم تفاعلاً لا ينتج عنه سوى أحد الشكلين المرآتيين المحتملين. ولم يسبق لأحدٍ تحقيق هذا الإنجاز من قبل، باستثناء ظاهرة الحياة ذاتها.

صورة نشرتها لجنة جائزة نوبل في الكيمياء 2026.

تنتج بعض التفاعلات الكيميائية جزيئين مختلفين، كل منهما صورة طبق الأصل للآخر. لعقود من الزمن، عرف الباحثون أنه من الممكن نظرياً تصميم تفاعلات تتشكل فيها صورة واحدة فقط من هذه الصور المرآة، لكن كيفية القيام بذلك عملياً ظلت لغزاً. حصل هنري كاگان وكن‌سو سواي على جائزة نوبل في الكيمياء 2026 لأنهما قدما الحل. تعتبر اكتشافاتهم ذات أهمية كبيرة للكيميائيين الذين يصممون التفاعلات التي تُستخدم في تطبيقات مثل صناعة الأدوية.

جزيئات الحياة تجعل الأمور صعبة على الكيميائيين. تخيل أنك صانع أقفال يصنع المفاتيح حسب الطلب. تكمن المشكلة في أنه عند إنتاجها، ينتهي بك الأمر دائماً إلى الحصول على نسختين متطابقتين، لكن أحدهما فقط يناسب القفل - ويمكن أن يتضرر القفل إذا حاول عملاؤك فتحه باستخدام المفتاح الآخر. ولسوء الحظ، فإن التمييز بين المفاتيح أمر صعب للغاية، لذلك يحصل العميل على كليهما. هناك تحديات مماثلة عندما يقوم الكيميائيون بتطوير أدوية جديدة. تتواجد العديد من جزيئات الدواء في شكلين مختلفين، يمثل كل منهما صورة مرآة غير متطابقة لبعضهما البعض: أحدهما له التأثير العلاجي، في حين أن الآخر يمكن أن يسبب آثاراً جانبية غير ضرورية وضارة في بعض الأحيان. ويرتبط السبب الكامن وراء ذلك بالكيمياء الأساسية للحياة: الحياة هي ما يسميه الكيميائيون التواكب الضوئي المتماثل (Homochirality)، جميع الأحماض الأمينية موجودة في شكلين مختلفين، ولكن واحد منهم فقط موجود في الپروتينات الموجودة في الخلايا. أما الآخر فنادراً ما يوجد في الطبيعة. وينطبق هذا أيضاً على جزيئات السكر التي تشكل جزءاً من حمضنا النووي؛ هناك صورتان متطابقتان مختلفتان لهذه الجزيئات، لكن الحياة تستخدم صورة واحدة فقط.

اكتشف هنري كاگان طريقة جديدة لمعالجة التفاعلات الكيميائية، مما يسمح بتكوين فائض أكبر من إحدى الصور المرآة مما كان يُفترض سابقاً. لقد كان اكتشافه ثورياً بالنسبة للكيميائيين الذين طوروا تفاعلات لتصنيع المستحضرات الدوائية والنكهات والروائح والمواد الجديدة. صمم كن‌سو سواي أول تفاعل كيميائي يتم فيه تكوين صورة واحدة فقط من الصور المرآة المحتملة. وبخلاف الحياة نفسها، لم يتمكن أحد من تحقيق هذا العمل الفذ من قبل. يعد تفاعل سواي أحد أكثر التجارب الكيميائية إثارة على الإطلاق. إن جائزة نوبل في الكيمياء 2026 هي نتيجة لسلسلة طويلة من الأفكار، والتي تشكلت الحلقة الأولى منها في منتصف القرن التاسع عشر. بدأ كل شيء عندما قام لويس پاستير بالبحث عن مادة هامة لإنتاج النبيذ: حمض الطرطريك. نظر پاستير إلى معظم ما أراد دراسته من خلال مجهره. عندما ادعى زملاؤه أن حمض الطرطريك يؤدي في بعض الأحيان إلى ثني الضوء المستقطب نحو اليمين، لكنه في أحيان أخرى لا يؤثر على الضوء على الإطلاق، أثار اهتمامه. قام بتكوين بلورات من حمض الطرطريك وفحصها تحت مجهره - واكتشف أنها موجودة في شكلين مختلفين، كل منهما صورة مرآة للآخر. وباستخدام الملقط، قام بتقسيمها وإذابتها بشكل منفصل. عندما أرسل ضوءاً مستقطباً عبر السوائل، قام أحدهما بثني الضوء إلى اليمين والآخر إلى اليسار. وإذا جمع بين السوائل لم يتأثر الضوء.

زودت هذه التجربة الكيميائيين برؤية مفادها أن بعض المواد توجد في نسختين متطابقتين. في نهاية المطاف، أصبحت هذه المواد تسمى مراوان، والجزيئين هما عبارة عن صور مرآة لبعضهما البعض. قدم پاستير الملاحظة المهمة التالية عام 1857، عندما قام بالتحقق مما حدث عندما قامت الجراثيم بتخمير المتبلورات الضوئية المختلفة لحمض الطرطريك. وتبين أن الجراثيم قامت عن طيب خاطر بتخمير المتماكب المتقابل الموجود في العنب والذي يحني الضوء إلى اليمين. ومع ذلك، لم تكن الجراثيم مهتمة بجزيء الصورة المرآة. ظلت دون تغيير. وهكذا فإن فكرة أن كيمياء الحياة مراوغة بطريقة أو بأخرى رأت النور لأول مرة. لاحقًا، عندما بدأ الباحثون بدراسة العناصر الأساسية للحياة، اكتشفوا أن الأحماض الأمينية الموجودة بشكل طبيعي تعمل دائماً على ثني الضوء المستقطب إلى اليسار، في حين أن السكريات الموجودة في حلزون الحمض النووي تفعل العكس، حيث تعمل على انحناء الضوء إلى اليمين.

أدى اكتشاف أن جزيئات الحياة لا تحتوي إلا على أحد المتماكبين الضوئيين المحتملين إلى طرح السؤال التالي: ما الذي حدث في فجر الحياة وجعل كيمياء الحياة أحادية الجانب؟ عندما أجرى الكيميائيون تجارب على تفاعلات تُنتج جزيئات متماكبة ضوئياً، كانوا يحصلون دائماً على مزيج متساوٍ من كلا المتماكبين الضوئيين المتماثلين في أنابيب الاختبار. فلماذا تستخدم العضيات صورة واحدة فقط من الأحماض الأمينية؟ وكيف يمكن أن تنشأ خاصية التماكب الضوئي المتماثل أصلاً؟

التفاعل غير المتماثل.

ادعى بعض الكيميائيين أن الكيمياء المتماكبة ضوئياً كانت فريدة من نوعها في الحياة. ومع ذلك، في أوائل القرن العشرين، أجرى الكيميائي الألماني، ڤيلي مارك‌ڤالد، أول تفاعل ناجح غير متماثل. وهذا يعني أنه تم إنشاء أكثر من متماكب متقابل واحد من الآخر. كان المفتاح هو أن مارك‌ڤالد استخدم محفزاً، وهو مادة تحرك التفاعلات الكيميائية دون أن تُستهلك. في هذا التفاعل، كان المحفز متماكب ضوئياً، لذا فقد عزز تكوين صورة مرآوية بدلاً من الأخرى. كان الفارق صغيراً جداً، لكن مجرد وجوده كان بمثابة اختراق.

تظهر بعض المفاجأة في مقدمة المقال. وكان مؤلفها - تشارلز فرانك، من جامعة بريستول - عالم فيزياء نظرية، والذي يصف كيف أخبره أحد زملائه أن الكيميائيين ما زالوا لا يفهمون كيف نشأ عدم تماثل الحياة. ووفقاً لهذا الزميل، فإن الحل الرياضي للمشكلة سيكون مفيداً للكيميائيين. رداً على ذلك، قدم فرانك نموذجاً للتفاعل الكيميائي الذي يجب أن تتحقق فيه ثلاثة شروط:

• وجود محفز متماكب ضوئياً وتفاعل غير متماثل.
• أن تكوين صورة مرآوية واحدة تُعزز بطريقة ما وتُضعف الأخرى.
• أن التفاعل الكيميائي يشكل المحفز نفسه. وهذا ما يسمى التحفيز الذاتي ويسبب تأثير التعزيز الذاتي، مما يؤدي إلى زيادة عدد واحد من المتماكبات المتقابلة في التفاعل بشكل كبير.

التفاعل الكيميائي الذي يستوفي كل هذه الشروط يمكن أن يؤدي إلى التماكب الضوئي المتماثل. انتشر نموذج فرانك على نطاق واسع بين الكيميائيين، وأصبح نوعًا من اللغز الكيميائي الذي يمكن أن يقدمه المحاضرون الجامعيون لطلابهم - كيف يمكن ترجمة هذه الشروط إلى واقع كيميائي؟. كما هو موضح أعلاه، نجح مارك‌ڤالد في تحقيق الشرط الأول في بداية القرن العشرين، ولكن في وقت لاحق فقط تمكن الباحثون من تصميم تفاعلات كيميائية كانت غير متماثلة بشكل ملموس. وحصل الرواد في هذا المجال على جائزة نوبل في الكيمياء عامي 2001 و2021.

تعترف جائزة نوبل للكيمياء 2026 بتحقيق الشرطين المتبقيين. نبدأ بالفكرة البسيطة والمبتكرة التي قادت هنري كاگان، عام 1986، إلى وضع علامة بجانب الشرط الثاني في نموذج فرانك. كان كاگان، الذي عمل في جامعة پاريس-سود، واحداً من جميع الكيميائيين الذين عملوا على تحسين التفاعلات غير المتماثلة في أوائل الثمانينيات. كان الهدف هو إنتاج مضادات حيوية نقية قدر الإمكان، على سبيل المثال في صناعة الأدوية. وقد أظهرت أهمية تحقيق ذلك فضيحة الثاليدومايد في أوائل الستينيات، عندما أصيب آلاف الأطفال بعيوب خلقية ناجمة عن دواء الثاليدومايد المهدئ. وعندما قام الباحثون بتحليل ما حدث، أدركوا أن الصورة المرآة للمادة الفعالة هي التي تسببت في الضرر.

لدفع التفاعلات غير المتماثلة، غالباً ما يستخدم الباحثون محفزات مكونة من مكونين: ذرة معدنية تعمل كمحرك في التفاعل، ومادة متماكبة ضوئياً تضمن أن التفاعل غير متماثل. نظراً لأن الباحثين كانوا يهدفون إلى الحصول على متماكبات ضوئية نقية في المنتج، فقد استخدموا عادةً متماكبات ضوئية نقية قدر الإمكان في المحفز. ومع ذلك، فقد افترضوا أنه إذا قاموا بدمج اثنين من المتماكبات الضوئية في المحفز، فسيكون للمنتج النسب المتكافئة. وبعبارة أخرى، فقد اعتقدوا أن عدم انطباقية المحفز قد نقلها إلى عدم انطباقية المنتج وأن هناك علاقة خطية بين الاثنين.

بدأ كاگان بالتشكيك في هذا الافتراض. وباعتباره كيميائياً ماهراً، فقد أخذ وقتاً للتفكير في المحفز نفسه بمزيد من التفصيل. لم يكن أحد يعرف في الواقع كيف يعمل - أثناء التفاعل الكيميائي، من الواضح أن ذرة المعدن والجزيء اللولبي تفاعلت، ولكن السؤال كان كيف حدث ذلك. تتفاعل ذرات الفلازات عادة مع عدة جزيئات في وقت واحد. لذلك افترض كاگان أن فلز المحفز جذب على الأقل جزيئين من الجزيئات اللولبية أثناء التفاعل الكيميائي. إذا تم بعد ذلك دمج المتماكبات الضوئية اليمنى واليسرى، فسيكون هناك ثلاثة أشكال للمحفز.

شكل-1: مخطط التماكب الضوئي.

شكل-2: اكتشافات هنري كاگان.

أدى هذا المنطق إلى تحول هنري كاگان إلى جوكر في المجموعة، حيث تصرف المحفز الأيسر والأيمن بشكل مختلف عن الاثنين الآخرين. عندما اختبر تفاعلًا باستخدام مجموعات مختلفة من المتماكبات الضوئية في المحفز، لم تكن العلاقة مع النسب في المنتج خطية، كما افترض الكيميائيون الآخرون. وبدلاً من ذلك، كان المخطط الذي حصل عليه كاگان عندما رسم نتائجه منحنياً (الشكل-1). وكان السبب هو أن المحفز من اليسار إلى اليمين قاد التفاعل الكيميائي بشكل أبطأ بكثير من المحفزات التي كانت من اليمين إلى اليمين أو من اليسار إلى اليسار (الشكل-2).

عملياً، عنى ذلك أنه توصل إلى طريقة لتعزيز تشكّل أحد المتواكبين الضوئيين في المنتج، وبذلك يكون قد حقق الشرط الثاني في نموذج فرانك. وفي عام 1986، وصف ما لا يقل عن ثلاثة تفاعلات لا متناظرة مختلفة أظهرت ما يُطلق عليه الكيميائيون اسم التأثيرات غير الخطية. لقد كان ذلك إنجازاً علمياً تاريخياً، وشرع العديد من الكيميائيين في استكشاف هذه الظاهرة الجديدة؛ وكان من بينهم كن‌سو سواي من جامعة طوكيو للعلوم، الذي وضع الحلقة الأخيرة في سلسلة الأفكار التي أفضت إلى جائزة نوبل في الكيمياء 2026. درس سواي تفاعلاً كيميائياً غير متناظر أظهر تأثيراً غير خطيٍّ بارزاً. وعندما دقق في بُنية كلٍّ من المحفز المستخدم في التفاعل والناتج المتكوّن عنه، أدرك وجود أوجه تشابهٍ كبيرة بينهما؛ مما ولّد لديه فكرة: هل يمكنه تصميم تفاعل يقوم فيه المحفظ بتكوين نفسه من خلال عملية تحفيز ذاتي؟

في ذلك الوقت – في أوائل التسعينيات – كان هناك العديد من الأمثلة المعروفة لتفاعلات التحفيز الذاتي، ولكن لم يكن أي منها غير متماثل. من خلال تجربة العديد من الجزيئات المختلفة، نجح سواي في العثور على مادة مراوانية –5-پيريميديل ألكانول – يمكنها تكوين نفسها. في منشور له عام 1995، يصف هذه التجربة الثورية. بدأ بنسبة 2% زائدة من 5-پيريميديل ألكانول وانتهى بنسبة 87%. كان رد الفعل معززاً ذاتياً واستوفى جميع معايير فرانك، لكنه لم يحقق نقاء الحياة التماثلي بنسبة 100%.

تفاعل كن‌سو سواي.

يعتبر تفاعل سواي واحداً من أكثر التجارب الكيميائية التي أجريت إثارة على الإطلاق. عندما بدأ سواي العملية التحفيزية، أُنشئ كلا المتصاوغين، لكن نظراً لأن الصدفة كانت تحكم العملية، فقد تم تشكيل أكثر قليلاً من أحدهما. وكان هذا الفائض الضئيل كافياً لكي يتولى متماكب متقابل التفاعل الكيميائي بأكمله. وفي نهاية المطاف، يمكن أن تشكل 99.99% من المنتج. عندما كرر سواي التفاعل، يمكن أن يحل المصاوغ الآخر محله؛ واعتمد المجسم الذي حصل عليه في النهاية على ما حدث بالصدفة في بداية التفاعل.

تفاعل سواي اصطناعي، مختلف عن كيمياء الحياة، لكنه أيقظ حماسة جديدة لدى الكيميائيين الذين يريدون فهم أصول الحياة. وفي جميع أنحاء العالم، يحاول الباحثون الآن تكرار إنجاز سواي، ولكن بهدف إنتاج الأحماض الأمينية والسكريات المتماثلة-المتواكبة ضوئياً. أصبحت التأثيرات غير الخطية التي اكتشفها كاگان أداة هامة للكيميائيين عندما يقومون بتصميم تفاعلات جديدة. حقيقة أن التفاعل غير خطي يزود الكيميائيين بمعلومات حول كيفية حدوثه. يمكن استخدام هذه المعلومات لتحسين التفاعل، حتى يتمكنوا من الحصول على أنقى متواكبات ضوئية ممكنة للمنتج. وهذا أمر حيوي لكل شركة تقوم بتصنيع مواد تهدف إلى التفاعل مع العضيات، مثل الأدوية، النكهات، الروائح والمواد الكيميائية الزراعية. وفي بعض الحالات، يكون هاماً أيضاً في إنتاج مواد جديدة.

بفضل هذه الاكتشافات حصل الكيميائيون على أدوات جديدة وجوهرية لاستخدامها في عملهم اليومي؛ لكن الأهم من ذلك، أن هذه الاكتشافات ساهمت في حل أحد أعظم ألغاز الكيمياء: كيفية نشوء التماكب الضوئي المتماثل (Homochirality) - كالذي نراه في جميع العضيات.

 انظر أيضاً

• مفهوم الحياة المتماكبة ضوئياً - التخليق الاصطناعي لنسخة مرآتية-متماكبة ضوئياً من الحياة
• نظام CIP
• كيمياء فراغية
• تأثير فايفر
• قائمة المسائل غير المحلولة في الكيمياء

 المراجع

 للاستزادة

• Bailey, Jeremy (28 August 1998). "Stellar Circular Polarization and Biomolecular Homochirality". ScienceWeek. Archived from the original on 30 November 2010. Retrieved 5 May 2018.
• Ball, Philip (24 April 2009). "A circular argument?". Nature. doi:10.1038/news.2009.390.
• Brazil, Rachel (26 October 2015). "The origin of homochirality". Chemistry World (in الإنجليزية). Retrieved 10 August 2018.
• Blackmond, Donna G.; Miller, Rom (21 June 2004). "How left-handed amino acids got ahead: a demonstration of the evolution of biological homochirality in the lab". www.imperial.ac.uk (Press release) (in الإنجليزية). Imperial College London. Retrieved 5 May 2018.
• Globus, Noemie; Blandford, Roger D. (20 May 2020). "The Chiral Puzzle of Life". The Astrophysical Journal Letters. 895 (1): 1–14. arXiv:2002.12138. Bibcode:2020ApJ...895L..11G. doi:10.3847/2041-8213/ab8dc6.
• Guijarro, Albert; Yus, Miguel (2008). The origin of chirality in the molecules of life : a revision from awareness to the current theories and perspectives of this unsolved problem. Cambridge, UK: Royal Society of Chemistry. ISBN 9780854041565.
• Hegstrom, Roger A.; Kondepudi, Dilip K. (1990). "The Handedness of the Universe". Scientific American. 262 (1): 108–115. Bibcode:1990SciAm.262a.108H. doi:10.1038/scientificamerican0190-108. JSTOR 24996649.
• Jafarpour, Farshid; Biancalani, Tommaso; Goldenfeld, Nigel (10 March 2017). "Noise-induced symmetry breaking far from equilibrium and the emergence of biological homochirality" (PDF). Physical Review E. 95 (3): 032407. Bibcode:2017PhRvE..95c2407J. doi:10.1103/PhysRevE.95.032407. PMID 28415353.
• Nansheng, Zhao (1999). "The role of homochirality in evolution". In Zucchi, C.; Caglioti, L.; Pályi, G. (eds.). Advances in BioChirality. Burlington: Elsevier. pp. 105–114. doi:10.1016/B978-008043404-9/50008-5. ISBN 9780080526621.
• Rouhi, A. Maureen (17 June 2004). "On the Genesis of Homochirality". Chemical & Engineering News. American Chemical Society. Retrieved 5 May 2018.
• Sedbrook, Danielle (28 July 2016). "Must the Molecules of Life Always be Left-Handed or Right-Handed?". Smithsonian (in الإنجليزية). Retrieved 10 August 2018.

 وصلات خارجية

• Observations Support Homochirality Theory. Photonics TechnologyWorld November 1998.
• Origins of Homochirality Archived 2010-08-21 at the Wayback Machine. Conference in Nordita Stockholm, February 2008.