В каждой клетке тела работают крошечные энергетические станции. Митохондрии превращают энергию пищи в АТФ — молекулу, которая питает почти всё, что делают клетки. Каким образом достигается такая эффективность, до сих пор неясно. Теперь исследователи из Китая 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 излучением на выбранных инфракрасных частотах, клетки производили на десять процентов больше АТФ. В совокупности результаты говорят о том, что митохондрии могут содержать квантовое состояние, влияющее на клеточное энергопроизводство.
Работа опубликована на портале «биоАрхив» в виде препринта, то есть ещё не прошла рецензирование.
Бо Сун из Школы оптико-электронного и компьютерного инжиниринга Шанхайского университета науки и технологий вместе с коллегами изучал линию человеческих клеток и ткани 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, подобно радиостанциям, вещающим на разных частотах. Эти частоты дают подсказки о том, что происходит внутри образца.
Исследователи обнаружили необычный сигнал на частоте семьдесят один терагерц, то есть колеблющийся семьдесят один 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 хорошее объяснение неизвестной частоты», — сказал Сун в интервью изданию «СайенсАлерт». Это толкование остаётся гипотезой, а не прямым доказательством.
Затем команда сосредоточилась на кристах — плотно сложенных внутренних мембранах митохондрий. Эти складки насыщены липидами, содержащими связи углерода с водородом, которые естественно вибрируют на частоте около восьмидесяти семи терагерц.
Что же здесь собственно квантового? Исследователи не предлагают таинственную форму энергии. Их модель предполагает, что частицы света внутри митохондрии взаимодействуют с коллективными колебаниями связей углерода и водорода. Они образуют общее гибридное состояние, называемое поляритоном, которое сочетает свойства света и вещества. Это квантовый эффект, поскольку связанная система описывается как суперпозиция света и молекулярной вибрации с различными квантованными уровнями энергии.
Согласно модели, взаимодействие расщепляет исходную вибрацию на восемьдесят семь терагерц на два новых уровня: один около семидесяти одного терагерца, другой около ста трёх терагерц. Именно поэтому числа имеют значение. Предсказанный нижний уровень совпадает с загадочным сигналом на семидесяти одном терагерце, обнаруженным в живых образцах. Верхний уровень перекрывался бы с колебаниями воды и других биологических молекул, что затрудняет его различение.
Средняя длина активных митохондрий совпадала с длиной волны света в восемьдесят семь терагерц внутри них. Таким образом, митохондрии могут действовать как микроскопические камеры, которые на короткое время удерживают свет и делают возможным это взаимодействие.
Но выполняет ли это предполагаемое состояние какую-либо полезную работу? Сун предлагает связь. Его частота перекрывается с колебаниями углекислого газа. Углекислый газ образуется в цикле трикарбоновых кислот — процессе, поставляющем энергию для производства АТФ. В более раннем теоретическом исследовании Сун и коллеги предположили, что восстановление НАД+ в этом цикле может высвобождать фотоны с частотой восемьдесят семь терагерц.
«Квантовое состояние митохондрий может повышать эффективность цикла трикарбоновых кислот, влияя на производство АТФ», — сказал он. Этот механизм не был продемонстрирован напрямую.
Чтобы выяснить это, команда подвергла живые клетки воздействию слабого среднего инфракрасного света в течение десяти минут. Свет на частоте семьдесят один терагерц совпадал с необычным сигналом, а на частоте восемьдесят семь терагерц — с вибрацией связей углерода и водорода, которая, как считалось, его порождает. Оба варианта дали схожий результат. Свет на семидесяти одном терагерце увеличил производство АТФ на десять целых три десятых процента, а на восьмидесяти семи терагерцах — на десять целых одну десятую процента. Несвязанная контрольная частота не вызвала значительных изменений, что говорит о зависимости результата от частоты, а не просто от инфракрасного облучения.
Команда толкует эти данные как свидетельство того, что предполагаемое квантовое состояние может обеспечивать энергоэффективный путь влияния на производство АТФ. Это толкование не является окончательным.
Необычный спектральный сигнал не доказывает существование квантового состояния. Поляритон был выведен путём сопоставления наблюдений с моделью, а не непосредственно обнаружен. Другие объяснения ещё предстоит исключить. Эксперимент с АТФ также проводился на одной культивируемой линии человеческих клеток, по восемь образцов в каждой группе. Он не показывает, что тот же механизм управляет обменом веществ в целом организме животных или человека.
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 восьмидесяти семи терагерцах», — добавил Сун. Измерение этой динамики могло бы прояснить предполагаемую связь. Независимые лаборатории также должны воспроизвести сигнал и напрямую проверить квантовое поведение.
Пока же результаты открывают интригующую возможность: энергетические станции клетки могут работать не только за счёт химии. В глубине своих складчатых мембран митохондрии, возможно, используют и странные правила квантовой физики.
