用磁鐵吸血液會發生什麼事?做完實驗的物理大佬驚呆了

  來源:把科學帶回家

  鐵塊,也就是鐵單質具有鐵磁性,能和磁鐵吸住,因此很多人會想當然地認為,含鐵的血液必然也有磁性吧。在電影《X戰警》裏面,萬磁王曾通過操控警衛血液里的鐵控制他的行動。但是血液真的會被磁場吸引嗎?

  1845年11月8日,法拉第做了一件萬磁王看了想撕劇本的事,那就是測試了一下血液是否有磁性。法拉第在日記中寫下:「血液沒有磁性,我很震驚。考慮到鐵在幾乎各種狀態下都具有磁性,這件事就更令人驚訝了。」

血液的抗磁性。圖片來源:brainiac75血液的抗磁性。圖片來源:brainiac75

  法拉第實際上只發現了真相的一半。91年後,另一位大佬、曾兩次獲得諾獎的美國化學家萊納斯·鮑林(Linus Pauling)和同事發現,動脈血和靜脈血的磁性也有差別,和靜脈血相比,動脈血更容易被磁鐵排斥。

  在物理學中,會被磁鐵吸引的性質叫做順磁性,會被磁鐵排斥的性質叫做抗磁性。實際上「diamagnetic」(抗磁性)這個詞也是法拉第在1845年玩滴一滴血的時候發明的。

  法拉第還發現,所有物質都具有不同程度的抗磁性:水、大多數有機化合物、金屬和水銀(汞)都會被磁鐵排斥。

水會被磁鐵排斥。圖片來源:UCLA水會被磁鐵排斥。圖片來源:UCLA

  鉛筆里的石墨的抗磁性讓它們能在磁鐵上懸浮。而在所有具有抗磁性的物質中,超導體是王者,它們擁有超抗磁性。

鉛筆里的熱解石墨具有抗磁性,能在磁鐵上「懸浮」。圖片來源:UCLA鉛筆里的熱解石墨具有抗磁性,能在磁鐵上「懸浮」。圖片來源:UCLA

  要確定某個物質具有抗磁性還是順磁性很簡單:看它的分子有沒有不成對的電子就可以了。

  不成對電子就是單身電子的意思,也就是在分子軌道中形單影隻、沒有形成電子對的電子。眾所周知,單身令人躁動,單身電子也是一樣,容易暴走發生化學反應。比如,青蒿素就是利用單身電子製造的自由基殺死瘧原蟲的。

提取青蒿素的黃花蒿 圖片來源:Scamperdale提取青蒿素的黃花蒿 圖片來源:Scamperdale

  此外,單身電子也容易失去定力被磁場吸引,讓分子具有順磁性。也就是說,如果一個分子的所有電子都成雙成對,那麼它就具有抗磁性;反之,要是一個分子里有未成對的電子,那麼它就有順磁性。

  水銀和金是金屬,但它們因為沒有未成對的電子而具有抗磁性。我們平時觀察不到金啊、水銀啊被磁鐵排斥,主要是它的抗磁性比較弱。

金屬鉍也具有抗磁性。圖片來源:UCLA金屬鉍也具有抗磁性。圖片來源:UCLA

  那麼人的血液是什麼情況呢?

  血紅蛋白有4塊「腹肌」,也就是4個含鐵的亞基。每塊「腹肌」都可以掛上氧O。腹肌掛環的叫做氧合血紅蛋白,沒掛環的叫做脫氧血紅蛋白。

血紅蛋白由4個含鐵亞基構成,鐵原子為紅點。圖片來源:study.com血紅蛋白由4個含鐵亞基構成,鐵原子為紅點。圖片來源:study.com

  鮑林和同事發現,氧合血紅蛋白具有抗磁性,但是脫氧血紅蛋白具有順磁性,因為沒被氧上套的鐵原子含有未成對的電子,氣質浮躁,被套牢以後它就淡定了。

  所以,靜脈血的順磁性比動脈血更強。那麼,這個冷知識有什麼用呢?

  實際上,靜脈血和動脈血所具有的不同電磁學性質正是哺乳動物血液輸送氧氣的基礎。

  要知道,血紅蛋白的4塊「腹肌」上若有一塊已經被氧氣套住的話,其他「腹肌」上的鐵原子和氧氣的結合會變得更容易。這有點像馬太效應——強者恆強。在生化領域,這個現象被稱為「協同效應」(cooperativity effect)。

  協同效應對氧氣的運輸極為重要。如果血紅蛋白和氧氣死活不分手,那麼動脈血即使流到了組織里,也無法把氧氣釋放出來,身體組織就會缺氧。反過來,如果血紅蛋白和氧氣不容易結合,那麼靜脈血就無法在肺部帶氧氣上車。最好的血紅蛋白要能順應時勢、見風使舵。

  正是由於協同效應,血紅蛋白成為了最好的自己:它與氧氣的結合能力隨著氧氣濃度的增加而增加。因此在肺泡里血紅蛋白可以高效吸氧,到了身體組織中再愉快地把氧氣吐出來,促進了氧氣的流動性。

  協同效應和血紅蛋白的磁性變化密不可分。

  鮑林當初就預測,血紅蛋白某塊「腹肌」上的鐵和氧結合后的磁性變化讓其他腹肌更容易被氧套住。後來在20世紀80年代,奧地利分子生物學家馬克斯·佩魯茨(Max Perutz)和其他人的研究進一步證實了血紅蛋白的磁性變化對協同效應的貢獻。

  機智的血紅蛋白讓你元氣滿滿拉滿好感,這讓人誤以為它們對人只有好處,但你可能不知道,血紅蛋白對人體是有毒性的。

  剛才說到,在紅細胞中,血紅蛋白有4塊「腹肌」——4個含鐵亞基形成的四聚體。但是在紅細胞之外,血紅蛋白的4塊「腹肌」很容易劈叉,成為兩個二聚體。血紅蛋白的這種傾向被稱為二聚化(dimerization)。

  二聚體會在人體內搞事情。20世紀70年代的研究發現,直接給人注射血紅蛋白(即血紅蛋白氧載體(HBOC))的話會出大事,沒有細胞封印的血紅蛋白會造成心臟、腎臟等臟器損傷,甚至導致死亡。

  實際上,不少製藥企業都曾研發 HBOC,用於替代昂貴且供給不足的血液,但目前沒有任何一家企業成功,美國食品藥品監督管理局(FDA)和大多數國家的監管機構也沒有批准任何 HBOC。

  比如,美國軍方和美國醫療器械公司百特國際(Baxter International Inc)就曾推出血紅蛋白氧載體 HemAssist。這種人造血液曾一路過關進入了臨床3期試驗。遺憾的是,在臨床3期試驗中,研究人員發現使用了這種人造血液的患者的死亡率高於控制組。

  因此,只有被封印在紅細胞里、成為紅細胞「式神」的血紅蛋白才能安心給人體打工。這也是為什麼人造血液始終沒有出現,而獻血依然還是主流啊。

   你沒有吸引力的原因:身體里的電子都成雙成對。

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