用磁铁吸血液会发生什么事?做完实验的物理大佬惊呆了

来源:把科学带回家

铁块,也就是铁单质具有铁磁性,能和磁铁吸住,因此很多人会想当然地认为,含铁的血液必然也有磁性吧。在电影《X战警》里面,万磁王曾通过操控警卫血液里的铁控制他的行动。但是血液真的会被磁场吸引吗?

1845年11月8日,法拉第做了一件万磁王看了想撕剧本的事,那就是测试了一下血液是否有磁性。法拉第在日记中写下:“血液没有磁性,我很震惊。考虑到铁在几乎各种状态下都具有磁性,这件事就更令人惊讶了。”

法拉第实际上只发现了真相的一半。91年后,另一位大佬、曾两次获得诺奖的美国化学家莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)和同事发现,动脉血和静脉血的磁性也有差别,和静脉血相比,动脉血更容易被磁铁排斥。

在物理学中,会被磁铁吸引的性质叫做顺磁性,会被磁铁排斥的性质叫做抗磁性。实际上“diamagnetic”(抗磁性)这个词也是法拉第在1845年玩滴一滴血的时候发明的。

法拉第还发现,所有物质都具有不同程度的抗磁性:水、大多数有机化合物、金属和水银(汞)都会被磁铁排斥。

铅笔里的石墨的抗磁性让它们能在磁铁上悬浮。而在所有具有抗磁性的物质中,超导体是王者,它们拥有超抗磁性。

要确定某个物质具有抗磁性还是顺磁性很简单:看它的分子有没有不成对的电子就可以了。

不成对电子就是单身电子的意思,也就是在分子轨道中形单影只、没有形成电子对的电子。众所周知,单身令人躁动,单身电子也是一样,容易暴走发生化学反应。比如,青蒿素就是利用单身电子制造的自由基杀死疟原虫的。

此外,单身电子也容易失去定力被磁场吸引,让分子具有顺磁性。也就是说,如果一个分子的所有电子都成双成对,那么它就具有抗磁性;反之,要是一个分子里有未成对的电子,那么它就有顺磁性。

水银和金是金属,但它们因为没有未成对的电子而具有抗磁性。我们平时观察不到金啊、水银啊被磁铁排斥,主要是它的抗磁性比较弱。

那么人的血液是什么情况呢?

血红蛋白有4块“腹肌”,也就是4个含铁的亚基。每块“腹肌”都可以挂上氧O。腹肌挂环的叫做氧合血红蛋白,没挂环的叫做脱氧血红蛋白。

鲍林和同事发现,氧合血红蛋白具有抗磁性,但是脱氧血红蛋白具有顺磁性,因为没被氧上套的铁原子含有未成对的电子,气质浮躁,被套牢以后它就淡定了。

所以,静脉血的顺磁性比动脉血更强。那么,这个冷知识有什么用呢?

实际上,静脉血和动脉血所具有的不同电磁学性质正是哺乳动物血液输送氧气的基础。

要知道,血红蛋白的4块“腹肌”上若有一块已经被氧气套住的话,其他“腹肌”上的铁原子和氧气的结合会变得更容易。这有点像马太效应——强者恒强。在生化领域,这个现象被称为“协同效应”(cooperativity effect)。

协同效应对氧气的运输极为重要。如果血红蛋白和氧气死活不分手,那么动脉血即使流到了组织里,也无法把氧气释放出来,身体组织就会缺氧。反过来,如果血红蛋白和氧气不容易结合,那么静脉血就无法在肺部带氧气上车。最好的血红蛋白要能顺应时势、见风使舵。

正是由于协同效应,血红蛋白成为了最好的自己:它与氧气的结合能力随着氧气浓度的增加而增加。因此在肺泡里血红蛋白可以高效吸氧,到了身体组织中再愉快地把氧气吐出来,促进了氧气的流动性。

协同效应和血红蛋白的磁性变化密不可分。

鲍林当初就预测,血红蛋白某块“腹肌”上的铁和氧结合后的磁性变化让其他腹肌更容易被氧套住。后来在20世纪80年代,奥地利分子生物学家马克斯·佩鲁茨(Max Perutz)和其他人的研究进一步证实了血红蛋白的磁性变化对协同效应的贡献。

机智的血红蛋白让你元气满满拉满好感,这让人误以为它们对人只有好处,但你可能不知道,血红蛋白对人体是有毒性的。

刚才说到,在红细胞中,血红蛋白有4块“腹肌”——4个含铁亚基形成的四聚体。但是在红细胞之外,血红蛋白的4块“腹肌”很容易劈叉,成为两个二聚体。血红蛋白的这种倾向被称为二聚化(dimerization)。

二聚体会在人体内搞事情。20世纪70年代的研究发现,直接给人注射血红蛋白(即血红蛋白氧载体(HBOC))的话会出大事,没有细胞封印的血红蛋白会造成心脏、肾脏等脏器损伤,甚至导致死亡。

实际上,不少制药企业都曾研发 HBOC,用于替代昂贵且供给不足的血液,但目前没有任何一家企业成功,美国食品药品监督管理局(FDA)和大多数国家的监管机构也没有批准任何 HBOC。

比如,美国军方和美国医疗器械公司百特国际(Baxter International Inc)就曾推出血红蛋白氧载体 HemAssist。这种人造血液曾一路过关进入了临床3期试验。遗憾的是,在临床3期试验中,研究人员发现使用了这种人造血液的患者的死亡率高于控制组。

因此,只有被封印在红细胞里、成为红细胞“式神”的血红蛋白才能安心给人体打工。这也是为什么人造血液始终没有出现,而献血依然还是主流啊。

你没有吸引力的原因:身体里的电子都成双成对。

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