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围绕着我们的生物电

来源:文汇报
摘要:科研人员意外地在哺乳动物的软组织中验证了一种奇异的被称为铁电性的电气现象。迄今为止,铁电性一直被用于计算机的存储器,而新的发现使科研人员浮想联翩地琢磨起各种可能性,例如利用“电性”药物使胆固醇无法粘附于动脉,甚至会有与“电性”药物兼容的生物存储器出现。现在,他和他的同事们......

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  科研人员意外地在哺乳动物的软组织中验证了一种奇异的被称为铁电性的电气现象。迄今为止,铁电性一直被用于计算机的存储器,而新的发现使科研人员浮想联翩地琢磨起各种可能性,例如利用“电性”药物使胆固醇无法粘附于动脉,甚至会有与“电性”药物兼容的生物存储器出现。  

  电性在人体中发挥着传递神经和肌肉脉动等维持生命的作用。天然电场似乎还会协助胚胎的发育和伤口的愈合。“实际上,我们浑身上下都带有电性。”西雅图华盛顿大学的李江玉(音译)说。

  现在,他和他的同事们为生物电性找到了一个新的出路。他们的实验表明:猪动脉与主动脉壁的组织是带铁电性的,这意味着电场能控制至少某些分子成分的取向。构成软组织的蛋白质广泛地见之于哺乳动物,包括人类在内的身体,所以“它完全有可能在一切组织层面上发生。”田纳西州橡树岭国家实验室的谢尔盖·加利宁说。

  铁电性是于1920年被发现的,其效应取决于分子或结晶固体中正、负电荷不均等的分布。例如在温度超过阈值的情况下,构成晶体锆钛酸铅的离子会排列成一个立方体,致使电荷呈现对称状。但在低于该温度的情况下,居中的正离子会移动到新的位置,在晶体的一端形成更多的正电荷。这个“偶极”跟条形磁铁的南北极很相似。

  给压电材料施加压力能让电荷移动得甚至更远,进一步降低温度则会对热电材料产生同样的影响。这两种效应均可倒向地发挥作用,所以一个电场就能改变这些材料的形状或温度。铁电性材料则又进了一步:除了在某个温度下形成的偶极外,它们的极性还可能因电场接通而发生翻转。这使它们适宜对数据进行二进制位的存储——一个偶极排列对a0进行编码,反过来则编码a1。与某些其他存储类型相比,铁电性仪器在数据编码中耗用的能量更少,它们的排列甚至在电能切断的情况下也会保持不变。

  那么,铁电性究竟会在主动脉壁上起到什么作用呢?美国布朗大学的高华健(音译)提出了若干见解。在海贝壳的蛋白质中,最近发现了有助于形成物理弹性的铁电性。当蛋白质受到冲击而发生畸变时,可能引起它们的偶极翻转而使原本可能撞击贝壳的能量得以消散。据高华健解释,“电偶极每一次发生转换,它都会以热量的形式被驱散。”

  类似的作用可能会对主动脉壁产生影响,主动脉作为人体中最大的动脉,最容易受到高血压的侵袭。“如果我们的人体有办法转换那种能量,那么大概就不会受到压力峰值的影响了。”高华健声称。

  不管人体如何使用铁电性,它客观存在的事实可能导向同疾病斗争的新途径。胆固醇有一个偶极。据李江玉解释,由于同类电荷相互排斥,因此如能逆转主动脉壁上的电荷,或许就可以防止胆固醇的积淀。“这在很大程度是一种推测,但如果我们能将带有一定电荷的药物送抵动脉壁,那就有可能同胆固醇形成不一样的互动。”

  离开目标还有很长的路要走,因为目前还没有弄清动脉壁上测得的铁电性背后隐藏着什么秘密。研究人员怀疑它源自软组织成分之一的蛋白质、弹力蛋白和胶原。如果是后者,则铁电性可能源自胶原的基础材料之一——甘氨酸。

  在《高级功能材料》刊载的论文中,葡萄牙阿威罗大学的安德烈·霍尔金及其同事宣称,甘氨酸在其分子按特定晶格排列时也有铁电性。李江玉认为,甘氨酸在人体内是否具有这种结构尚不清楚,即使有的话,“断言它构成了我们所见到的铁电性还为时太早”。

  现已退休的生物物理学家理查德·洛伊泰格说,铁电性——或其细微的迹象——先前是在生物分子中被发现的。有助于细胞分裂、被称为微管的蛋白质据称是带有铁电性的,他认为允许离子通过细胞膜,从而将脉动携带过神经和肌肉纤维的分子同样如此。“我要强调的是铁电性存在于人体的所有细胞。”他声称。他又补充说,若要让这些成分在组织层面上显现铁电性,或许需要它们的偶极至少有一部分形成排列。

  霍尔金表示,不管出于什么原因,这项发现都为用人体内早已存在的分子构筑存储设备铺平了道路。“甘氨酸是完全安全的,”他说,“它可以构成存储器的基础,插入体内后能为输送药物的微型植入片编制程序。”

  是到挖掘潜能的时候了。

作者: 2012-9-5
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