كيمياء الحواس
تؤدي الجزيئات العضوية الطبيعية المنشأ دورًا مهمًّا في كيفية إدراكنا للعالم من خلال حواسِّنا المُختلفة من بصرٍ وشمٍّ وتذوق. وبالإضافة إلى ذلك، صُمِّمَ الكثير من الجزيئات العضوية المُخلَّقة بحيث يكون لها لون وطعم ورائحة، وهي ذات أهمية في مجال الصناعات الغذائية ومستحضرات التجميل.
كيمياء الإبصار
لا تزال الأبحاث تُجرى لاكتشاف جزيئاتٍ ملوَّنة. درس فريق بحثي في جامعة يَال الأمريكية حفريات الديناصورات لأخذ عيناتٍ منها وتحديد ما كان عليه لونها الأصلي. ثمَّة مُركب عضوي يُسمى الميلانين لعب دورًا محوريًّا في هذه الأبحاث. الميلانين صبغة لونية موجودة في الشعر والجلد والريش والفراء. أظهرت دراسة أُجريت على حيواناتٍ مُعاصرة أن هذه الصبغات تُخزَّن داخل الخلايا في حاوياتٍ صغيرة تُسمَّى الجسيمات الميلانينية أو الميلانوسومات. كما رُصِدت «حاويات الحبر الخلوية» هذه في الحفريات باستخدام مِجهر إلكتروني ماسح، وقُدِّمت أدلة على الألوان الأصلية لهذه الحفريات. تحتوي عادةً الجُسيمات الميلانينية التي تُشبه شكل النقانق على جزيء يُسمَّى الميلانين السوي، وهو ذو لونٍ بُنِّي داكن أو أسود اللون، بينما تحتوي الجسيمات الميلانينية الكروية الشكل على الفيوميلانين الأحمر اللون. ومن خلال دراسة أشكال الجسيمات الميلانينية (الميلانوسومات) في الطيور المعاصرة ومقارنتها بألوان الطيور الفعلية، أصبح من الممكن تحديد أنماط ألوان الديناصورات ذات الريش. كشفت دراسات أخرى أُجريت على الحفريات عن وجود الميلانين السوي، الذي ظلَّ موجودًا على مدى ١٦٠ مليون سنة.
بعض الجزيئات المُلوَّنة لها خصائص دوائية مفيدة. على سبيل المثال، تبيَّن أن لصبغة البرونتوزيل خصائص مضادَّة للبكتيريا، وهو ما أدى إلى اكتشاف السلفوناميدات في ثلاثينيات القرن العشرين. يُعَدُّ البروفلافين مثالًا آخر على هذه الأصباغ؛ إذ استُخدِم كمضادٍّ بكتيري موضعي. كما اكتُشِفَت مؤخرًا إمكانية قتل الخلايا الجرثومية باستخدام صبغةٍ تُسمى أزرق الميثيلين. أزرق الميثيلين ليس سامًّا بطبيعته، ولكنه يصبح عاملًا حسَّاسًا للضوء عند تعرُّضه للضوء. يتسبَّب ذلك في إنتاج مركبات الأكسجين التفاعلية التي ثبت أنها تؤدي إلى قتل الخلايا. تُعرف طريقة استخدام أزرق المِيثيلين والضوء في علاج العدوى البكتيرية باسم العلاج الضوئي الديناميكي. تتميز هذه الصبغة بدرجة عالية من الانتقائية تجعلها تقتل الخلايا البكتيرية وليس الخلايا البشرية؛ وذلك لأن الخلايا البكتيرية تمتصُّ كمياتٍ أكبر من أزرق الميثيلين. تحتوي صبغة أزرق الميثيلين على شحنةٍ موجبة، وتنجذب إلى الخلايا البكتيرية لأن لها شحنة سالبة أكبر على سطحها مقارنةً بخلايا الثدييات. ومِن ثَمَّ، فاعلية هذا العلاج تكون أجدى مع حالات العدوى السطحية التي يُمكن تعريضها للضوء. استُخدِم العلاج الضوئي الديناميكي أيضًا منذ ثمانينيات القرن العشرين في علاج بعض أنواع مرض السرطان.
للأصباغ دور أيضًا في إنتاج الخلايا الشمسية الصبغية، وتتمثَّل آلية عملها في إطلاق إلكتروناتٍ عند اصطدام الفوتونات بجزيئات الصبغة. تتفوَّق الخلايا الشمسية الصبغية على الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون بعددٍ من المزايا المُحتمَلة. فهي مُصمَّمة بحيث تعمل في ظروف إضاءة متنوعة ولا تحتاج إلى ضوء الشمس الساطع. كما أنها تعمل جيدًا في الإضاءة الصناعية أو مع الضوء الساقط عليها من عدة اتجاهات في وقتٍ واحد. يَعني هذا أن الخلايا الشمسية الصبغية لها القدرة على إنتاج كمياتٍ أكبر من الطاقة مقارنة بالخلايا الشمسية التقليدية. ولأن الخلايا تعمل جيدًا في الضوء الخافت، يمكن استخدامها في تشغيل الأجهزة الإلكترونية الصغيرة عن طريق امتصاص الضوء الداخلي. استخدم فندق «إم جي إم جراند هوتيل» في لاس فيجاس ستائر كهربية مُتحركة يمكن التحكُّم فيها عن بُعد وتستمدُّ طاقتها من الخلايا الشمسية الصبغية، بدلًا من ستائر غُرَفه التقليدية.
كيمياء الشم
تفرز النباتات والثدييات فيرمونات كذلك. على سبيل المثال، الأندروستينون عبارة عن فيرمون تفرزه الاستيرويدات الخاصة بالخنازير، يجعل أنثى الخنزير التي تستقبله تتَّخذ وضعية ممارسة الجنس. هذا الفيرمون يُباع في الأسواق على هيئة بخاخ، يرشُّه المزارعون في أنف أنثى الخنزير. وهذا الأمر يُسهِّل من حدوث التخصيب الصناعي. ويُفترَض أن الفيرمونات سريعة المفعول. توجَد أيضًا جاذبات جنسية وفيرمونات مُنبِّهة لدى الحشرات، وهي عبارة عن مواد سريعة التطاير وتتفاعل فوريًّا. تُستخدَم فيرمونات تعقب الأثر من قِبَل النحل والنمل والزنابير والنمل الأبيض في الإشارة إلى مصادر الطعام. هذه الفيرمونات أقل تطايرًا وتدوم لفتراتٍ أطول. تعمل بعض الفيرمونات بمعدَّل أبطأ وتكون لها تأثيراتٌ طويلة الأمد. تُفرز ملكة النحل فيرمون ملكة النحل، الذي يحول دون نموِّ المِبيضَين لدى النحلات العاملة. وبذلك، تنفرد الملكة وحدَها بإنتاج البيض. وإذا ماتت الملكة، فإن عدم وجود هذا الفيرمون لدى النحلات العاملة يدفعها إلى إطعام يرَقات النحل الغذاءَ الملَكي بهدف تنشئة ملكةٍ جديدة.
لا شك أن للجزيئات العطرية أهمية تجارية تتمثل في إنتاج العطور والصابون والمنظفات ومعطرات الجو. ويُعَدُّ تصميم العطور فنًّا بقدْر ما هو علم؛ إذ يتضمن مزج جزيئاتٍ عطرية مختلفة لإنتاج رائحة فريدة تختلف تمامًا عن رائحة كل جزيء منفردًا. ولهذا الأمر ما يُماثله في الطبيعة. ترجع رائحة الزهور الطبيعية في الغالب إلى ٢-فينيل الإيثانول، والجيرانيول، والسترونيلول. ولكن تؤثر جزيئات مثل الداماسكون على رائحة كل زهرة بصورة غير مباشرة. يمكن فصل الكثير من الجزيئات العطرية من مصادرها الطبيعية، إلا أن تخليقها عادةً ما يكون أسهل وأكثر حفاظًا على البيئة. على سبيل المثال، بعض الروائح الموجودة في الزهور توجد بكمياتٍ ضئيلة للغاية لدرجة أن الأمر سيتطلَّب زراعة أطنان من الزهور لاستخلاصها.
يمكن أن تُسبِّب بعض المواد الكيميائية المستخدَمة في العطور ومستحضرات التجميل حساسيةً لدى الأشخاص الذين لديهم استعداد لذلك. تشمل هذه المواد الليمونين وطحلب البلوط واليوجينول (الموجود في القرنفل والتوابل). يوجد الليمونين طبيعيًّا في ثمار الحمضيات، وتبيَّن أن تناول ثمرة برتقال على ارتفاعاتٍ شاهقة قد يَستثير الحساسية لدى المتزلِّجين ومُتسلقي الجبال ضد الليمونين الموجود في مستحضرات التجميل. عادةً ما يُصاب سكان أمريكا الشمالية بالتحسُّس من اليوروشيول الموجود في اللَّبْلَاب السام. للأسف، عادةً ما يوجد اليوروشيول في مقاعد المراحيض المطلية بالورنيش في آسيا، وهو أمر قد تكون له عواقب غير محمودة على بعض السياح الأمريكيين.
تتضمن بعض المشروعات البحثية الحالية جزيئاتٍ طيَّارة. على سبيل المثال، قد يكون فهم كيفية «شمِّ» البعوض فرائسَه مفيدًا في مكافحة الأمراض التي يَنقُلها البعوض مثل الملاريا وحمَّى الضنك. يُعَدُّ ثاني أكسيد الكربون أحد أقوى جاذبات البعوض الموجودة، ولكن هذا لا ينفي أن روائح الجسم المُختلفة لها تأثير كذلك. كما أن بعض المواد الكيميائية تُغطي على روائح الجاذبات الكيميائية وتعمل كبديلٍ لمادة الدِّيت الطاردة للبعوض. يجذب العديدُ من النباتات البعوض، ومن ثَمَّ استُخدِمت المواد الكيميائية المسئولة عن ذلك (مثل أكسيد اللينالول) فِخاخًا لاصطياد البعوض. وعوضًا عن ذلك، يمكن زراعة النباتات نفسها التي لها هذه الخصائص حول القرى الأفريقية لجذب البعوض بعيدًا عنها.
أُجريت أبحاث بغرض تصميم مُستشعراتٍ يمكنها التعرُّف على المواد الكيميائية الطيَّارة. يمكن استخدام هذه «الأنوف الإلكترونية» بغرَض اكتشاف تسريبات المواد الكيميائية في المصانع، أو مراقبة جودة الطعام، أو الكشف عن المُخدرات أو المتفجرات. كما طُوِّرت مستشعراتٌ لاكتشاف أماكن الناجين من الزلازل أو الانهيارات الثلجية، أو لتحديد مواقع الجثث والمقابر السرية. كما يمكن استخدام المُستشعرات في تحديد الوقت الفعلي للوفاة؛ فالمُركبات العضوية الطيَّارة التي تنبعث من الجثث تختلف باختلاف مرحلة التحلُّل التي وصلت إليها. كذلك، تُطلق البكتيريا جزئياتٍ طيَّارة، وقد يكون اكتشافها مفيدًا في تحديد السلالة البكتيرية المُسبِّبة للعدوى. وفي حال ثبتت موثوقية ذلك، سيقل الوقت المُستغرَق في تحديد العدوى ويوفر أفضل مضادٍّ بكتيري لعلاجها.
وأخيرًا، قدَّم لوكا تورين في جامعة أولم الألمانية نظريةً جديدة تتعلَّق بالآلية التي تستخدِمها بروتينات مُستقبلات الشمِّ في اكتشاف الجزيئات العطرية. عادةً ما يعتمد تنشيط الجزيء العطري لأيٍّ مِن مُستقبِلات الشمِّ على شكل الجزيء نفسه وتفاعُلات الارتباط الخاصة به. اقترح تورين أن اهتزازات الروابط تؤدي دورًا مهمًّا في هذا الشأن. وقد تُفسِّر نظرية تورين السبب في أن الجزيئات المُختلفة التركيب تكون لها روائح مُتماثلة. على سبيل المثال، كلٌّ من السيانيد والبنزألدهيد لهما رائحة اللوز المر. كما أنها قد تُفسِّر سبب وجود اختلافاتٍ كبيرة في روائح الجزيئات ذات الأشكال المُتماثلة. على الجانب الآخر، أوضح مُنتقدو النظرية أن هناك نحو ٤٠٠ نوع من مُستقبلات الشمِّ لدى البشر، كلٌّ منها عبارة عن بروتين ينشط عند تفاعُله مع جزيء عطري مُعين في عملية إحيائية شديدة التعقيد. ويتولَّى الدماغ بعد ذلك تفسير أنماط الإشارات التي يَستقبلها من هذه التفاعُلات من أجل التعرُّف على الرائحة.
كيمياء التذوق
ترجع حاسة التذوق إلى تفاعل جزيئاتٍ عضوية مع مستقبلات التذوق الموجودة في اللسان. قد يختلف المذاق من مُركبٍ عضوي إلى آخر، ومن ثَمَّ يمكن استخدام هذه الخاصية للمركبات العضوية في صناعة الأغذية بغرَض تحسين النكهات. تُستخدَم العديد من المركبات الطبيعية في هذا الغرض. على سبيل المثال، يُستخدَم الكارفون في صناعة العلكة ومعجون الأسنان بنكهة النعناع لإعطائهما طعم النعناع. تشمل مكسبات الطعم الأخرى المِنتول المستخلص من زيت النعناع، والفانيلين المُستخلص من الفانيليا، والبنزألدهيد المستخلص من اللوز.
عادةً ما يُفترض في مكسبات الطعم المخلَّقة أن تكون مركباتٍ غير طبيعية، ولكن هذا ليس صحيحًا بالضرورة. فالعديد من مكسبات الطعم الطبيعية، مثل الفانيلين، يكون من الأسهل تخليقه في المعامل.
لكلٍّ من السكروز والسكارين والأسبرتام تركيبه المختلف تمامًا عن الآخر، والسبب في كونها جميعًا حلوة المذاق غير معلوم. ولكن تحتوي المركبات الثلاثة على ذرة هيدروجين يمكنها أن تعمل كمانِح للرابطة الهيدروجينية، وذرة أكسجين يمكنها أن تعمل كمستقبِلٍ للرابطة الهيدروجينية، وتفصل بينهما مسافة تُقدَّر بنحو ٣ أنجستروم (٠٫٣ نانومتر). ويُعتقَد أن هذه المجموعات تكوِّن روابط هيدروجينية مُماثلة لمُستقبلات المذاق الحُلو.
دارت مناقشاتٌ عامة متنوعة حول سلامة المُحلِّيات الصناعية ومدى أمانها. حُظِر استخدام السيكلامات في الولايات المتحدة الأمريكية عام ١٩٦٩ بسبب مخاوف تتعلق بآثار مُسرطنة محتملة، ولكن سمحت الهيئة الأوروبية لسلامة الأغذية باستخدامه. استمر التشكيك في سلامة السكارين في الفترة ما بين عامَي ١٩٧١ و٢٠٠١ عندما أعلنت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية أنه آمن للاستخدام. اعتُبر الأسبرتام أيضًا غير آمِن مِن قِبَل بعض مجموعات المستهلكين بناءً على اختباراتِ سُمِّيةٍ غير موثوقة. ومنحت الهيئة الأوروبية لسلامة الأغذية الأسبرتام شهادة سلامة صحية في عام ٢٠١٣.
نظرًا إلى الجدل الدائر حول المُحلِّيات الصناعية، بدأت العديد من شركات الأغذية والمشروبات في تصنيع منتجاتٍ تحتوي على مُحلِّيات طبيعية منخفضة السعرات الحرارية. على سبيل المثال، يحتوي منتج «كوكاكولا لايف» على مُحلِّيات طبيعية تُسمَّى جليكوسيدات ستيفيول، تُستخلَص من أوراق إحدى الشجيرات في أمريكا الجنوبية. أدى هذا إلى خفض تركيزات السكر بنسبة ٣٧٪ عن الموجودة في مشروب الكوكاكولا العادي. أكثر مُركب فعَّال في مجموعة جليكوسيدات الستيفيول يُسمى «ريبوديوسايد إيه». ويُضاف إليه مُحلٍّ آخر اسمه الإريثريتول لكي يعطي مذاقًا أقرب إلى مذاق السكروز.
الموجروسيدات مجموعة أخرى من المُحلِّيات الطبيعية تُستخلص من فاكهة الراهب التي تنمو في جنوب شرق آسيا. المُركب الأحلى مذاقًا في هذه المجموعة هو «موجروسايد إيه» أو «إرجوسايد».
اكتُشِفَ أيضًا أن بعض البروتينات النباتية تعمل كمُحلِّياتٍ طبيعية. تشمل هذه البروتينات الثوماتين والبرازين والبنتادين والميراكولين. الميراكولين هو بروتين يُستخلَص من الفاكهة المعجزة، وهي ثمرة توت من نبات ينمو في غرب أفريقيا لها قدرة استثنائية على تحويل مذاق الطعام الحامض إلى المذاق الحُلو. يرتبط الميراكولين بقوة مع مُستقبلات المذاق الحُلو لما يقرب من ساعة كاملة، ولكنه لا يتمكن من تنشيطها. وفي حال تناوُل طعام حامضي المذاق لاذع خلال تلك الفترة، تنخفض درجة الحموضة في الفم، مما يجعل الميراكولين المرتبط بالمستقبلات يُغيِّر شكله. وبذلك، يتمكَّن الميراكولين من تنشيط مستقبلات المذاق الحُلو، ويخفي تمامًا المذاق الحامضي اللاذع الذي تُنتجه عادةً هذه الأطعمة. صُرِّح باستخدام الميراكولين كإحدى المواد المضافة الغذائية في اليابان، ولكن لم يُصرَّح باستخدامه في أوروبا أو الولايات المتحدة الأمريكية.
تحدَّدت بنية مستقبلات المذاق الحُلو في عام ٢٠٠١، واتضح أنها تتكوَّن من بروتينَين مرتبطَين عبر جدار الخلية. يُطلَق على دايمر البروتين الذي يرتبط بالسكريات اسم نطاق «خناق الذباب»؛ وذلك بسبب الطريقة التي يغيِّر بها شكله عندما يرتبط بالسكريات. كما اكتُشِفَ وجود مستقبِلات المذاق الحُلو في الأمعاء، حيث تعمل على تنظيم امتصاص السكر وإدخاله إلى مجرى الدم. تستجيب هذه المستقبِلات إلى المُحلِّيات الطبيعية والصناعية على حدٍّ سواء، وقد يفسِّر ذلك السبب في أن المُحلِّيات ذات السعرات الحرارية المنخفضة لا تُجدي في خسارة الوزن. ومن هنا، بدأ التفكير في طريقة بديلة للحمية الغذائية، حيث تُصمَّم جزيئاتٌ لتثبيط مستقبلات المذاق الحُلو.
توجد على الطرف الآخر من مقياس المذاق الجزيئات ذات المذاق المُقزز. لهذه الجزيئات استخداماتٌ تجارية أيضًا. على سبيل المثال، يُضاف مركب بيتركس الذي يناسب اسمه المنتجات المنزلية السامة مثل منظفات المراحيض، لمنع الأطفال من شُربها. كما تُنتج النباتات مواد كيميائية رديئة المذاق لإبعاد الحيوانات والحشرات عنها. ويلعب النيكوتين هذا الدور مع نباتات التبغ.
