الكيرالية

الفيزياء

من جانب آخر، وفي الكهرومغناطيسية، تظهر الكيرالية في تفاعل الموجات الكهرومغناطيسية المستقطبة دائرياً مع الأوساط الكيرالية، إذ تختلف سرعة انتشارها وامتصاصها باختلاف اتجاه الاستقطاب، وهي ظواهر تُعرف بـالانكسار المزدوج الدائري وازدواج اللون الدائري، وتُعتبر من مظاهر النشاط الضوئي. كما يمكن لبعض الميتامواد الكيرالية أن تُظهر معامل انكسار سالباً لأحد اتجاهي الاستقطاب الدائري.

ومن ناحية أخرى، في الفيزياء، تُستعمل الكيرالية لوصف خاصية تتعلق بتماثل الأنظمة الفيزيائية وسلوكها تحت الانعكاس المرآتي. وفي فيزياء الجسيمات، تُعد الكيرالية خاصيةً كموميةً داخليةً للجسيمات ترتبط بطريقة تحولها تحت تناظرات الزمكان، وتختلف عن اللولبية (Helicity) التي تُعرَّف بإسقاط اللف المغزلي على اتجاه الحركة. ولا يتطابق المفهومان إلا بالنسبة إلى الجسيمات عديمة الكتلة، في حين يختلفان بالنسبة إلى الجسيمات ذات الكتلة.

الكيرالية في العلوم

ومن جهة أخرى، لا يقتصر مفهوم الكيرالية على تخصصٍ بعينه، بل يمتد ليشمل طيفاً واسعاً من فروع الرياضيات والعلوم الطبيعية، مثل الفيزياء والكيمياء وعلم الأحياء. وقد يختلف تعريف الكيرالية من مجال إلى آخر تبعاً لطبيعة الأجسام أو الظواهر المدروسة، إلا أن جوهر المفهوم يبقى واحداً، ويتمثل في عدم قابلية جسم أو نظام أو بنية للانطباق على صورته المرآتية وفق معايير التطابق والتحويلات المعتمدة في ذلك المجال. وتتخذ الكيرالية في كل علم مظاهر وتطبيقات خاصة، مما يجعلها مفهوماً أساسياً لفهم التناظر والبنية والخواص في الأنظمة الرياضية والفيزيائية والكيميائية والحيوية.

الكيمياء

في هذا الإطار، ويتحقق ذلك باستخدام محفزات أو كواشف أو مساعدات كيرالية (Chiral auxiliaries)، وهي مجموعات تُستعمل مؤقتاً لتوجيه المسار الفراغي للتفاعل نحو تكوين أحد المتقابلين المرآتيين بنسبة أعلى من الآخر، فيما يُعرف بالانتقائية المرآتية (Enantioselectivity). وقد أصبح التخليق غير المتماثل أحد أهم ركائز الكيمياء العضوية الحديثة، نظراً لدوره في تحضير المركبات الكيرالية ذات النقاوة المرآتية العالية المستعملة في الصناعات الدوائية والكيميائية والزراعية والكيميائيات الدقيقة، بما يسهم في تحسين الفعالية وخفض الآثار غير المرغوبة للمتصاوغات الأخرى.

علاوةً على ذلك، وقد مثّل تطوير طرائق التحفيز غير المتماثل إنجازاً بارزاً في الكيمياء الحديثة، تُوّج بمنح جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2001 إلى ويليام س. نولز وريوجي نويوري وكارل باري شاربلس، تقديراً لإسهاماتهم الرائدة في تطوير طرائق التحفيز الكيرالي التي أحدثت تحولاً في إنتاج المركبات الكيرالية بصورة انتقائية.

وفي هذا السياق، في الكيمياء، يُوصف الجزيء بأنه كيرالي إذا تعذر مطابقته على صورته المرآتية، وتُسمى الصورتان المرآتيتان غير القابلتين للتطابق متقابلين مرآتياً (إنانتيومرين). وترجع الكيرالية الجزيئية في كثير من المركبات إلى وجود مركز فراغي، يتمثل غالباً في ذرة كربون غير متماثلة ترتبط بأربع مجموعات مختلفة، إلا أن الكيرالية قد تنشأ كذلك من عناصر بنيوية أخرى لا تعتمد على وجود ذرة كربون غير متماثلة.

كذلك، واستجابةً للحاجة إلى إنتاج أحد المتقابلين المرآتيين بصورة انتقائية، طُوِّرت أساليب تُعرف بالتخليق غير المتماثل (Asymmetric synthesis)، وتهدف إلى إنتاج المركبات الكيرالية بانتقائية مرتفعة بدلاً من تكوين خليط راسيمي يحتوي على نسب متساوية من المتقابلين المرآتيين، مما يحد من الحاجة إلى فصل المتصاوغات المرآتية بعد انتهاء التفاعل.

كذلك، وتتشابه المتقابلات المرآتية في أغلب خواصها الفيزيائية والكيميائية، لكنها تختلف في اتجاه تدوير مستوى استقطاب الضوء، وفي تفاعلها مع الأنظمة الكيرالية، وهو ما يمنحها أهمية كبيرة في الكيمياء العضوية والكيمياء غير العضوية والكيمياء الفيزيائية والكيمياء الحيوية والكيمياء فوق الجزيئية.

الأحياء

من جانب آخر، وتنعكس الكيرالية كذلك في النشاط الحيوي للمركبات الكيميائية؛ فقد تختلف المتصاوغات الضوئية للمركب الواحد اختلافاً كبيراً في تأثيرها الحيوي أو الدوائي، إذ قد يمتلك أحدها فعالية علاجية، بينما يكون الآخر أقل فعالية أو يسبب آثاراً جانبية أو سمية، وهو ما أدى إلى اعتماد مفهوم التحول الكيرالي (Chiral switch) في تطوير بعض المستحضرات الدوائية.

في هذا الإطار، وتظهر الكيرالية كذلك على المستوى التشريحي في كثير من الكائنات الحية، إذ تتجلى في عدم التناظر التام للأعضاء الداخلية واتجاه التفاف بعض البنى الحيوية، كما في القواقع والفقاريات. ومن التفسيرات المطروحة لذلك ، التي تفترض أن الالتواء المبكر لمحور الجسم أثناء التطور الجنيني يسهم في تحديد التوضع غير المتناظر للأعضاء، ويبرز أثره في حالات مثل انعكاس الأحشاء.

كذلك، في علم الأحياء، تُعد الكيرالية سمةً أساسية للحياة، إذ تُظهر الكائنات الحية ما يُعرف بـالتجانس الكيرالي (Homochirality)، حيث تمتلك الجزيئات الحيوية الرئيسة اتجاهاً كيرالياً مميزاً؛ فالأحماض الأمينية الداخلة في تركيب البروتينات توجد في الطبيعة غالباً بالصورة L، في حين توجد السكريات الأحادية في الأحماض النووية والعمليات الحيوية غالباً بالصيغة D. كما يتميز الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) ببنية حلزونية يمينية، وتؤدي هذه الانتقائية الكيرالية دوراً أساسياً في التخليق الحيوي والتمييز الجزيئي والوظائف الحيوية.

الرياضيات

علاوةً على ذلك، ومن المنظور الهندسي، يكون الشكل أكيرالياً إذا احتوت زمرة التناظر الخاصة به على تحويل يعكس الاتجاه، مثل محور التناظر في المستوي أو مستوى التناظر أو مركز التناظر في الفضاء ثلاثي الأبعاد. أما الأشكال الكيرالية فتخلو من مثل هذه التحويلات، ولذلك لا يمكن مطابقتها على صورها المرآتية.

من جهة ثانية، وفي نظرية العقد، تُسمى العقدة أكيرالية إذا أمكن تشويهها تشويهاً مستمراً حتى تنطبق على صورتها المرآتية، وإلا عُدت كيرالية. ومن أمثلة العقد الأكيرالية العقدة البسيطة و ، في حين تُعد العقدة الثلاثية مثالاً على العقد الكيرالية.

وعلى صعيد آخر، في الرياضيات، يُعد الشكل كيرالياً إذا تعذر مطابقته على صورته المرآتية باستخدام الدوران والانسحاب وحدهما. ويُطلق على الجسم الكيرالي وصورته المرآتية اسم متقابلين مرآتياً، في حين يُسمى الشكل غير الكيرالي أكيرالياً.

في هذا الإطار، ومن الأمثلة الرياضية الشائعة على الأجسام الكيرالية اللولب وشريط موبيوس، كما تُظهر بعض قطع لعبة تتريس ذات الأشكال J وL وS وZ خاصية الكيرالية في الفضاء ثنائي الأبعاد، بينما تمثل الأحذية والقفازات مثالين مألوفين على الأجسام الكيرالية في الحياة اليومية. ويمكن كذلك وصف بعض الأجسام الكيرالية ثلاثية الأبعاد، مثل اللولب، بأنها يمينية أو يسارية بحسب ـقاعدة اليد اليمنى.