探索宇宙奧秘 · 理性思考

一塊普通的海藻酸水凝膠，泡進(jìn)氯化鈣溶液后，竟然能被磁鐵吸起來。

這不是魔術(shù)，也不是科幻電影橋段。這是中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)中心張欣課題組與華東理工大學(xué)方海平教授等團(tuán)隊(duì)合作，剛剛發(fā)表在《自然-材料》上的一項(xiàng)重磅發(fā)現(xiàn) 。

我們熟悉的鈣，做飯燉湯離不開它，骨骼牙齒需要它。但在物理學(xué)眼里，鈣離子向來是個(gè)“老實(shí)人”——它屬于抗磁性物質(zhì)，對(duì)磁場(chǎng)幾乎愛搭不理。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，生物體內(nèi)能產(chǎn)生磁性的，只有鐵、鈷、鎳這類過渡金屬元素，或者某些帶有未成對(duì)電子的自由基。

這個(gè)認(rèn)知，現(xiàn)在被推翻了。

研究團(tuán)隊(duì)用一個(gè)非常巧妙的模型——海藻酸水凝膠，捕捉到了鈣離子“變心”的全過程。

在常規(guī)條件下，一個(gè)鈣離子會(huì)與兩個(gè)羧基結(jié)合，形成一個(gè)類似“蛋盒”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這時(shí)候鈣離子規(guī)規(guī)矩矩，沒有凈磁矩，表現(xiàn)為抗磁性。

但當(dāng)鈣離子濃度升高，情況變了。碳氧雙鍵上的π電子開始“不安分”，產(chǎn)生離域特性。這導(dǎo)致鈣與羧基的耦合能量大幅提高。于是，原本的“蛋盒”結(jié)構(gòu)解體，單個(gè)鈣離子開始與單個(gè)羧基形成一種全新的“Alg—Ca”復(fù)合體 。

關(guān)鍵就在這里：在這個(gè)新復(fù)合體中，鈣離子只獲得了一個(gè)外層電子，存在未成對(duì)電子。

物理學(xué)告訴我們，只要有未成對(duì)電子，物質(zhì)就會(huì)表現(xiàn)出順磁性。就這樣，一個(gè)原本“絕緣”于磁場(chǎng)的鈣離子，被硬生生逼出了磁性。

如果只在海藻酸里有效，那也就是個(gè)孤立的化學(xué)現(xiàn)象。但研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，這個(gè)機(jī)制普遍存在于各種富含羧基或酰胺基的水凝膠中——羧甲基殼聚糖、聚丙烯酰胺都中招了 。

更令人驚訝的是，人體內(nèi)常見的生物分子，比如透明質(zhì)酸鈉，同樣存在這種現(xiàn)象 。

這意味著什么？

意味著我們身體里，可能廣泛存在著一種以前被完全忽略的磁性來源。那些我們習(xí)以為常的生理過程，那些鈣離子濃度變化的瞬間——神經(jīng)信號(hào)傳遞、肌肉收縮、細(xì)胞凋亡——都可能伴隨著局部磁性的動(dòng)態(tài)改變。

這項(xiàng)研究絕非一日之功。

這次發(fā)表的工作，正是理論與實(shí)驗(yàn)的完美閉環(huán)。

實(shí)際上，中國科學(xué)家在生物磁性領(lǐng)域已經(jīng)形成一股不可忽視的力量。就在不久前，湖南大學(xué)宋國勝、張曉兵團(tuán)隊(duì)也在《自然-材料》等期刊上發(fā)表了一系列分子影像探針的工作，利用磁性納米顆粒實(shí)現(xiàn)對(duì)體內(nèi)信號(hào)分子的高靈敏度成像 。不同團(tuán)隊(duì)、不同技術(shù)路線，正在共同撬開生物磁性這個(gè)“黑箱”。

科學(xué)家的第一反應(yīng)，往往是“能否調(diào)控”。

這項(xiàng)研究最讓人興奮的地方在于：通過改變結(jié)構(gòu)、序列、濃度等參數(shù)，就能精細(xì)調(diào)控這種新發(fā)現(xiàn)的磁性 。

這意味著什么？意味著未來我們可能設(shè)計(jì)出全新的磁性生物材料，不需要摻雜有毒的重金屬，僅靠鈣、鎂這類生物相容性極好的元素，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)。

在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域，這可能催生新一代的MRI造影劑。傳統(tǒng)的釓類造影劑有腎毒性風(fēng)險(xiǎn)，而鈣誘導(dǎo)的磁性生物分子，安全得多。在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，這甚至可能幫助科學(xué)家理解生物磁導(dǎo)航的奧秘——信鴿怎么認(rèn)路？海龜怎么洄游？ 過去人們猜測(cè)與磁場(chǎng)有關(guān)，但一直找不到物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，鈣離子這條路，似乎通了。

你身體里的鈣，遠(yuǎn)比你想象的更有“磁”力。