探索宇宙奧秘 · 理性思考

一塊普通的海藻酸水凝膠，泡進氯化鈣溶液后，竟然能被磁鐵吸起來。

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

我們熟悉的鈣，做飯燉湯離不開它，骨骼牙齒需要它。但在物理學眼里，鈣離子向來是個“老實人”——它屬于抗磁性物質(zhì)，對磁場幾乎愛搭不理。傳統(tǒng)觀點認為，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電子的自由基。

這個認知，現(xiàn)在被推翻了。

研究團隊用一個非常巧妙的模型——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，一個鈣離子會與兩個羧基結(jié)合，形成一個類似“蛋盒”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這時候鈣離子規(guī)規(guī)矩矩，沒有凈磁矩，表現(xiàn)為抗磁性。

但當鈣離子濃度升高，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，單個鈣離子開始與單個羧基形成一種全新的“Alg—Ca”復合體 。

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

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

如果只在海藻酸里有效，那也就是個孤立的化學現(xiàn)象。但研究團隊進一步驗證發(fā)現(xiàn)，這個機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)信號傳遞、肌肉收縮、細胞凋亡——都可能伴隨著局部磁性的動態(tài)改變。

這項研究絕非一日之功。

這次發(fā)表的工作，正是理論與實驗的完美閉環(huán)。

實際上，中國科學家在生物磁性領(lǐng)域已經(jīng)形成一股不可忽視的力量。就在不久前，湖南大學宋國勝、張曉兵團隊也在《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現(xiàn)對體內(nèi)信號分子的高靈敏度成像 。不同團隊、不同技術(shù)路線，正在共同撬開生物磁性這個“黑箱”。

科學家的第一反應，往往是“能否調(diào)控”。

這項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，就能實現(xiàn)對磁場的響應。

在醫(yī)學影像領(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險，而鈣誘導的磁性生物分子，安全得多。在神經(jīng)科學領(lǐng)域，這甚至可能幫助科學家理解生物磁導航的奧秘——信鴿怎么認路？海龜怎么洄游？ 過去人們猜測與磁場有關(guān)，但一直找不到物質(zhì)基礎(chǔ)。現(xiàn)在，鈣離子這條路，似乎通了。

你身體里的鈣，遠比你想象的更有“磁”力。