Каждая клетка человеческого тела работает на крошечных электростанциях. Митохондрии превращают энергию пищи в АТФ — молекулу, которая питает почти всё, что делают клетки. Как им удаётся достичь такой эффективности, остаётся неясным. Теперь исследователи в Китае полагают, что часть ответа может быть связана с квантовой физикой.
В экспериментах с живыми клетками, тканями мышей и изолированными митохондриями команда обнаружила необычную вибрацию, которая появлялась только тогда, когда структуры митохондрий оставались неповреждёнными. Модель связала эту вибрацию с возможным квантовым взаимодействием. Когда исследователи освещали клетки выбранными инфракрасными частотами, клетки производили на 10 процентов больше АТФ. В совокупности результаты позволяют предположить, что митохондрии могут содержать квантовое состояние, влияющее на клеточное производство энергии.
Исследование размещено на bioRxiv в виде препринта, а значит, оно ещё не прошло рецензирование.
Бо Сун из Школы оптико-электронной и компьютерной инженерии Шанхайского университета науки и технологий и его коллеги изучали линию человеческих клеток и ткани из почек, печени, сердца и скелетных мышц мышей. Они использовали инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье — метод, показывающий, как образцы реагируют на разные частоты инфракрасного света.
Молекулы и структуры вибрируют на характерных частотах, как радиостанции на отдельных каналах. Эти частоты дают подсказки о том, что происходит внутри образца. Исследователи обнаружили необычный сигнал на 71 терагерце, то есть колеблющийся 71 триллион раз в секунду. Этот сигнал появлялся в живых клетках, тканях мышей и изолированных митохондриях. Но он исчезал после того, как образцы высушивали и измельчали, разрушая их организованные структуры.
«Квантовое состояние митохондрий даёт хороший способ объяснить неизвестную частоту», — сказал Сун в интервью ScienceAlert. Эта интерпретация остаётся гипотетической, а не прямым доказательством.
Затем команда сосредоточилась на кристах — плотно сложенных внутренних мембранах митохондрий. Эти складки наполнены липидами, содержащими связи углерод-водород, или CH2, которые естественно вибрируют на частоте около 87 терагерц.
Так что же здесь именно «квантового»? Исследователи не предлагают таинственную форму энергии. Их модель предполагает, что частицы света внутри митохондрии связываются с коллективными вибрациями её связей CH2. Они образуют общее гибридное состояние, называемое поляритоном, сочетающее свойства света и материи. Это квантовый эффект, потому что связанная система описывается как суперпозиция света и молекулярной вибрации с дискретными, квантованными уровнями энергии.
Согласно модели, взаимодействие расщепляет исходную вибрацию на 87 терагерцах на два новых уровня: один около 71 терагерца, другой около 103 терагерц. Вот почему эти числа важны. Предсказанный нижний уровень совпадает с загадочным сигналом на 71 терагерце, обнаруженным в живых образцах. Верхний уровень перекрывался бы с вибрациями воды и других биологических молекул, что затрудняло бы его различение.
Средняя длина активных митохондрий совпадала с длиной волны света 87 терагерц внутри них. Митохондрии, таким образом, могут действовать как микроскопические камеры, которые ненадолго удерживают свет и делают возможным это взаимодействие.
Но выполняло ли это предполагаемое состояние какую-либо полезную работу? Сун предлагает связь. Его частота перекрывается с вибрациями углекислого газа. CO2 производится в цикле трикарбоновых кислот, или цикле ТКА, — процессе, поставляющем энергию для производства АТФ. В более раннем теоретическом исследовании Сун и коллеги предположили, что восстановление NAD+ в ходе этого цикла могло бы высвобождать фотоны на 87 терагерцах.
«Квантовое состояние митохондрий может повышать эффективность циклов ТКА, влияя на производство АТФ», — сказал он. Этот механизм не был продемонстрирован напрямую.
Чтобы выяснить это, команда подвергала живые клетки воздействию слабого среднего инфракрасного света в течение 10 минут. Свет на 71 терагерце совпадал с необычным сигналом, а свет на 87 терагерцах — с вибрацией CH2, которая, как считается, его производит. Оба дали схожий результат. Свет на 71 терагерце увеличил производство АТФ на 10,3 процента, а свет на 87 терагерцах — на 10,1 процента.
Не связанная с ними контрольная частота не вызвала значимых изменений, что позволяет предположить: результат зависел от частоты, а не от инфракрасного воздействия как такового. Команда интерпретирует результаты как свидетельство того, что предполагаемое квантовое состояние может обеспечивать энергоэффективный путь влияния на производство АТФ.
Эта интерпретация не является окончательной. Необычный спектральный сигнал не доказывает существование квантового состояния. Поляритон был выведен путём сопоставления наблюдений с моделью, а не непосредственно наблюдался. Другие объяснения ещё предстоит исключить. Эксперимент с АТФ также включал одну культивируемую линию человеческих клеток, по восемь образцов в каждой группе. Он не показывает, что тот же механизм контролирует метаболизм у целых животных или людей. Нагрев — ещё одна проблема, хотя свет был очень слабым, а контрольная частота не влияла на АТФ.
«Наше главное ограничение — отсутствие данных о динамике переноса энергии, связанной со светом на 87 терагерцах», — добавил Сун. Измерение этой динамики могло бы прояснить предполагаемую связь. Независимые лаборатории также должны воспроизвести сигнал и напрямую проверить квантовое поведение.
Пока результаты поднимают интригующую возможность: электростанции клетки могут работать не только за счёт химии. Глубоко внутри своих сложенных мембран митохондрии могут также использовать странные правила квантовой физики.
