七君

順磁性和抗磁性

1845年11月8日，法拉第做了一件萬(wàn)磁王看了想撕劇本的事，那就是測(cè)試了一下血液是否有磁性。法拉第在日記中寫道：“血液沒(méi)有鐵磁性，我很震驚……考慮到鐵在幾乎各種狀態(tài)下都具有鐵磁性，這件事就更令人驚訝了。”

法拉第實(shí)際上只發(fā)現(xiàn)了真相的一半。91年后，另一位大佬、曾兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)的美國(guó)化學(xué)家萊納斯·鮑林（Linus Pauling）和同事發(fā)現(xiàn)，動(dòng)脈血和靜脈血的磁性也有差別，和靜脈血相比，動(dòng)脈血更容易被磁鐵排斥。

在物理學(xué)中，會(huì)被磁鐵吸引的性質(zhì)叫做順磁性，會(huì)被磁鐵排斥的性質(zhì)叫做抗磁性。實(shí)際上“diamagnetic”（抗磁性）這個(gè)詞也是法拉第在1845年玩滴一滴血的時(shí)候發(fā)明的。法拉第還發(fā)現(xiàn)，所有物質(zhì)都具有不同程度的抗磁性：水、大多數(shù)有機(jī)化合物、金屬和水銀（汞）都會(huì)被磁鐵排斥。

水會(huì)被磁鐵排斥

鉛筆筆芯中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(zhì)中，超導(dǎo)體是王者，它們擁有超強(qiáng)的抗磁性。要確定某個(gè)物質(zhì)具有抗磁性還是順磁性很簡(jiǎn)單：看它的分子有沒(méi)有不成對(duì)的電子就可以了。

不成對(duì)電子就是單個(gè)電子的意思，也就是在分子軌道中形單影只、沒(méi)有形成電子對(duì)的電子。眾所周知，單身令人躁動(dòng)，單個(gè)電子也是一樣，容易暴走發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。比如，青蒿素就是利用單個(gè)電子制造的自由基殺死瘧原蟲的。

此外，單個(gè)電子也容易失去定力被磁場(chǎng)吸引，讓分子具有順磁性。也就是說(shuō)，如果一個(gè)分子的所有電子都成雙成對(duì)，那么它就具有抗磁性;反之，要是一個(gè)分子里有未成對(duì)的電子，那么它就有順磁性。水銀和金是金屬，但它們因?yàn)闆](méi)有未成對(duì)的單個(gè)電子從而具有抗磁性。我們平時(shí)觀察不到金和水銀被磁鐵排斥，主要是它的抗磁性比較弱。

提取青蒿素的黃花蒿

人體血液具有抗磁性

血紅蛋白是怎么工作的血紅蛋白由4個(gè)含鐵亞基構(gòu)成.紅點(diǎn)為鐵原子

血紅蛋白是怎么工作的

那么人的血液是什么情況呢？血紅蛋白有4塊“腹肌”，也就是4個(gè)含鐵的亞基。每塊“腹肌”都可以掛上氧。腹肌掛環(huán)的叫做氧合血紅蛋白，沒(méi)掛環(huán)的叫做脫氧血紅蛋白。

鮑林和同事發(fā)現(xiàn)，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?yàn)闆](méi)被氧套上的鐵原子含有未成對(duì)的電子，“氣質(zhì)”浮躁，被套牢以后它就淡定了。所以，靜脈血的順磁性比動(dòng)脈血更強(qiáng)。那么這個(gè)冷知識(shí)有什么用呢？實(shí)際上，靜脈血和動(dòng)脈血所具有的不同電磁學(xué)性質(zhì)，正是哺乳動(dòng)物血液輸送氧氣的基礎(chǔ)。

要知道，血紅蛋白的4塊“腹肌”上若有一塊已經(jīng)被氧氣套住的話，其他“腹肌”上的鐵原子和氧氣的結(jié)合會(huì)變得更容易，這有點(diǎn)像馬太效應(yīng)——強(qiáng)者恒強(qiáng)。在生化領(lǐng)域，這個(gè)現(xiàn)象被稱為“協(xié)同效應(yīng)”。

協(xié)同效應(yīng)對(duì)氧氣的運(yùn)輸極為重要。如果血紅蛋白和氧氣死活不分手，那么動(dòng)脈血即使流到了組織里，也無(wú)法把氧氣釋放出來(lái)，身體組織就會(huì)缺氧。反過(guò)來(lái)，如果血紅蛋白和氧氣不容易結(jié)合，那么靜脈血就無(wú)法在肺部帶氧氣上車。最好的血紅蛋白要能順應(yīng)時(shí)勢(shì)、見風(fēng)使舵。

正是由于協(xié)同效應(yīng)，血紅蛋白成為了最好的自己：它與氧氣的結(jié)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(lái)，促進(jìn)了氧氣流動(dòng)。協(xié)同效應(yīng)和血紅蛋白的磁性變化密不可分。

鮑林當(dāng)初就預(yù)測(cè)，血紅蛋白某塊“腹肌”上的鐵和氧結(jié)合后的磁性變化，讓其他“腹肌”更容易被氧套住。后來(lái)在20世紀(jì)80年代，奧地利分子生物學(xué)家馬克斯·佩魯茨（Max Perutz）和其他人的研究，進(jìn)一步證實(shí)了血紅蛋白的磁性變化對(duì)協(xié)同效應(yīng)的貢獻(xiàn)。

血紅蛋白負(fù)責(zé)運(yùn)輸氧氣

為什么沒(méi)有人造血液

血紅蛋白氧載體HemAssist

機(jī)智的血紅蛋白讓你元?dú)鉂M滿充滿好感，這讓人誤以為它們對(duì)人只有好處，但你可能不知道，血紅蛋白對(duì)人體是有毒性的。

剛才說(shuō)到，在紅細(xì)胞中，血紅蛋白有4塊“腹肌”——4個(gè)含鐵亞基形成的四聚體。但是在紅細(xì)胞之外，血紅蛋白的4塊“腹肌”很容易劈叉，成為兩個(gè)二聚體。血紅蛋白的這種傾向被稱為二聚化。

二聚體會(huì)在人體內(nèi)搞事情。20世紀(jì)70年代的研究發(fā)現(xiàn)，直接給人注射血紅蛋白（即血紅蛋白氧載體）的話會(huì)出大事，沒(méi)有細(xì)胞封印的血紅蛋白會(huì)造成心臟、腎臟等臟器損傷，甚至導(dǎo)致死亡。

實(shí)際上，不少制藥企業(yè)都曾研發(fā)HBOC，用來(lái)替代昂貴且供給不足的血液，但目前沒(méi)有任何一家企業(yè)成功，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）和大多數(shù)國(guó)家的監(jiān)管機(jī)構(gòu)也沒(méi)有批準(zhǔn)任何HBOC。

比如，美國(guó)軍方和美國(guó)醫(yī)療器械公司百特國(guó)際就曾推出血紅蛋白氧載體HemAssist。這種人造血液曾一路過(guò)關(guān)進(jìn)入了臨床3期試驗(yàn)，遺憾的是，在臨床3期試驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)使用了這種人造血液的患者的死亡率高于控制組。

因此，只有被封印在紅細(xì)胞里、成為紅細(xì)胞“式神”的血紅蛋白，才能安心地給人體打工。這也是為什么人造血液始終沒(méi)有出現(xiàn)，而獻(xiàn)血依然還是主流的原因。

（本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”公眾號(hào)，有刪節(jié)）