【十大美麗化學實驗】巴斯德召喚光之美

■ 細菌學開山祖師巴斯德有個小嗜好,他愛喝酒,名言是:「酒的味道像精緻的詩。」注意到製酒時酒石酸晶體會在醱酵過程中沉積,於是著手研究,竟一舉解決了旋光性的問題。那年巴斯德27歲。

左旋,右旋,此其為掌性。(插畫/牧貓人)

撰文 ∣ 周炳辰

  這是微生物學之父巴斯德(Louis Pasteur,1822-1895)年輕時候的故事。

  巴斯德在法國鄉下一個叫作多爾(Dole)的小鎮出生。在他三歲那年,全家遷至阿伯瓦(Arbois)定居。父親是皮匠,收入不多,但盡可能幫助他學習,母親也很努力地鼓勵他追求知識,供予他完善的教育。

  起初他在學校表現普通,但很愛問問題,凡事追根究底,甚至因此成為某些老師的眼中釘。就這樣不斷地發問、學習,對化學、物理和藝術都有深厚興趣的巴斯德漸漸變成優秀的學生。

  當他從法國高等師範學校(l'École normale supérieure)畢業,考官發現他有教授化學和物理的能力,甚至還說:「這屆畢業生中只有巴斯德有教育上的才華。」他很快就收到圖爾農中學(le Lycée de Tournon)物理教師的約聘書。這對巴斯德來說是令人沮喪的消息,他想在巴黎作科學研究。於是他盡可能拖延赴職時間,計畫在高等師範學校多待一年,並寫信給巴黎中央理工學院(l'École centrale)的創辦人之一杜瑪(Jean-Baptiste Dumas,1800-1884)尋求在巴黎任教職的機會:

  「敝校考官會在三年級評估學生的能力,而他們對我的評語,讓我可以自信地告訴您:我能夠清楚、熱情地教導科學。我向您保證:這個請求和金錢無關,僅僅是希望能夠和像您一樣被科學界敬仰的人物連繫。我此生最大的希望就是將生命奉獻給教育……」

  杜瑪終究沒有幫助巴斯德。不過這件事被巴萊(Antoine Jérôme Balard,1802-1876)知道了。巴萊年輕時發現溴元素,名氣很大,他決定幫助巴斯德留在巴黎。就這樣,巴斯德在二十六歲那年,進入巴萊的實驗室當博士班研究生,也暫時不用去圖爾農中學擔任物理教師。

  巴萊認為自己的研究生涯已告一段落,想把所有的精神放在學生上,也給予他的學生很大的自由,任憑他們選擇學習的方法和方向。他注重學生的原創力和想像力,不希望他們使用既有的實驗器材,如果他們必須使用器材,只能自行設計。為了待在巴萊的實驗室,巴斯德欣然接受這個特別的要求。

「酒的味道有如詩」

巴斯德名言之二:「機會留給準備好的人。」(插畫/牧貓人)

  巴斯德在巴萊的實驗室確認自己想成為化學家。當時晶體的研究開始蓬勃發展,巴斯德也很有興趣,認為晶體的研究是「有用的科學」,可以補足拉瓦錫(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743-1794)等較早期化學家比較缺乏的分子結構、分子組成的理論。

  巴斯德喜歡酒,從啤酒到葡萄酒都愛。他曾說:「酒的味道像精緻的詩」、「仔細想想,酒其實是最健康、乾淨的飲品」。他注意到製酒時酒石酸(tartaric acid)的晶體會在醱酵過程中沉積,於是選擇酒石酸鹽類當研究題材。其實在醱酵桶槽沉積的不只有酒石酸,還有在當時被稱為類酒石酸(paratartaric acid)的沉積物。碰巧酒石酸和類酒石酸的分子式剛剛被定出來,而且竟然一模一樣!這是令人難以信服的事情──因為酒石酸溶液和類酒石酸溶液特性大不相同,極化光通過酒石酸溶液會產生右旋光,通過類酒石酸溶液則什麼事也不會發生。

  為什麼分子式一模一樣的化合物會有截然不同的光學特性?

  當時有位德國化學家米切利希(Eilhard Mitscherlich,1794-1863)表示:「真令人困惑,它們的原子數和相對距離完全一樣!」並寫信和光學權威畢歐(Jean-Baptiste Biot,1774-1862)討論這個問題。畢歐認為這個問題很有趣,連忙重複自己的酒石酸鹽類實驗,但沒有獲得新的結論。對結晶很有熱忱的巴斯德當然也聽說這個問題,他覺得困擾:酒石酸和類酒石酸在當時被認為是很熟悉的化合物,已經作過非常多實驗了,幾乎不可能有更深入的理解,然而米切利希指出的問題顛覆他對分子的認識和想像!其中一定有被大家忽略的地方,必須找出來。

左旋與右旋

  巴斯德決定仿傚他先前作過的石英結晶實驗,運用他化學和物理的知識,來解決這個問題。他以驚人的直覺,假設這裡的問題和不對稱性有關,然後用鑷子慢慢挑出酒石酸鹽類結晶。細心的觀察結果發現:酒石酸鹽類結晶有一面較長,不是完全對稱的,也因此通過酒石酸溶液的極化光會產生右旋現象。這個發現符合巴斯德的假設,所以他並不感到意外。

  巴斯德接著假設:類酒石酸鹽類晶體應該是對稱的,也因此通過類酒石酸溶液的極化光才不會改變。然而當他將類酒石酸鹽類結晶挑出來觀察,卻嚇一大跳!類酒石酸鹽類結晶和酒石酸鹽類結晶一樣,都有一個較長的、不對稱的晶面。

  原以為解開謎底的巴斯德再次陷入困惑之中。為什麼酒石酸鹽類結晶和類酒石酸鹽類結晶都有不對稱的晶面,但前者有光學活性,後者卻沒有?他想了想,只能更大膽地假設:某些結晶較長的晶面在左邊,某些結晶較長的晶面在右邊,只有這樣,才可能解釋為什麼類酒石酸鹽類結晶具有不對稱的晶面,卻沒有光學活性。

  想到這裡,巴斯德興奮地重新檢視類酒石酸鹽類結晶。果然!他發現其中有些晶體較長的晶面在左邊,另外一些則在右邊,就像左手和右手,像本體和鏡像。當他把所有較長的晶面在左邊的晶體一一挑出、溶解,然後將溶液通過極化光,即產生左旋現象;而若將所有較長的晶面在右邊的晶體挑出、溶解,然後將溶液通過極化光後,即產生右旋現象。換句話說,類酒石酸溶液不具有光學活性,是因為它是混合物,同時具有左旋和右旋的光學特性,互相消弭所致。

讓前輩先瞧瞧

  巴斯德以他極其細心的觀察力,小心實驗、大膽假設,解決米切利希提出的問題。他自然欣喜若狂,想立刻發表研究成果,但是他的指導老師巴萊建議他應該先請教年長巴斯德半世紀,研究光偏振多年的畢歐,較符合當時法國科學界的禮俗。

  謹慎的畢歐知道巴斯德的實驗後,決定在擁護巴斯德的發現之前,親自重複這個實驗。當他最終獲得相同的結論,畢歐激動地對巴斯德說:「親愛的孩子,我這一生熱愛科學,這個結果撼動我的心。」從此,畢歐屢屢給予巴斯德實驗上的建議,也成為他重要的良師摯友。

  巴斯德的成功確實有運氣的成分,歷年來許多化學家重複巴斯德的實驗,想找出影響實驗的每個細節。巴斯德到底有多好運呢?在酒石酸鹽類中,酒石酸銨鈉是惟一可以形成肉眼即可分離的晶體,而酒石酸鈉、酒石酸鉀、酒石酸銻鉀都只會形成單一種晶體;再者,巴斯德是在寒冷的巴黎進行這項實驗,若環境溫度超過攝氏 26 度,同樣也只會形成單一種晶體。

  許多教科書上提及巴斯德利用鑷子配合放大鏡挑選晶體,但巴斯德的紀錄並未明確記載。晶體的差異真有大到憑肉眼即可分辨嗎?日本中崎教授重複檢驗這個實驗,發現控制良好的晶體成長環境,甚至可長出不用放大鏡也可分辨的晶體。不過中崎教授表示,需要相當多次的嘗試,才能再現巴斯德的成果。這說明巴斯德的實驗縱然有部分來自機運,但他豐富的知識與嚴謹的態度才是引領至成功的關鍵。

  

參考資料

Vallery-Radot, Rene. The Life of Pasteur. Montana: Kessinger Publishing, 2003.
Debré, Patrice. Louis Pasteur. Maryland: The Johns Hopkins University Press, 1998.
Keim, Albert, and Lumet, Louis. Louis Pasteur. New York: Frederick A. Stokes Company, 1914.

本文亦刊登於《科學研習月刊》2011年1月號‧系列文章介紹的實驗名單靈感來自英國皇家化學會(Royal Society of Chemistry)2005年選出的十大美麗化學實驗

責任編輯:MissZoe

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One thought on “【十大美麗化學實驗】巴斯德召喚光之美

  • 2011 年 03 月 01 日 at 22:34:56
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    大膽的假設
    看來也是科學進步的一大要素之一呢!

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