Китайские ученые заявили об обнаружении квантового состояния внутри живых клеток

Фото из открытых источников

Каждая клетка тела работает на крошечных электростанциях. Митохондрии преобразуют энергию из пищи в АТФ (аденозинтрифосфат) — молекулу, которая обеспечивает энергией почти все процессы, происходящие в клетках. Механизм достижения такой эффективности до сих пор остается неясным.

Теперь исследователи в Китае считают, что часть ответа может быть связана с квантовой физикой.

В ходе экспериментов с живыми клетками, тканями мышей и изолированными митохондриями команда обнаружила необычную вибрацию, которая появлялась только тогда, когда структуры митохондрий оставались неповрежденными.

Одна из моделей связала вибрацию с возможным квантовым взаимодействием. Когда исследователи освещали клетки выбранными инфракрасными частотами, клетки производили на 10 процентов больше АТФ. В совокупности полученные результаты позволяют предположить, что митохондрии могут содержать квантовое состояние, влияющее на производство клеточной энергии.

Исследование опубликовано на bioRxiv в виде препринта, что означает, что оно еще не прошло рецензирование.

Бо Сонг из Школы оптико-электрической и вычислительной техники Шанхайского университета науки и технологий и его коллеги исследовали линию клеток человека, а также ткани почек, печени, сердца и скелетных мышц мышей.

Они использовали инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье — метод, позволяющий увидеть, как образцы реагируют на различные частоты инфракрасного света.

Молекулы и структуры вибрируют на характерных частотах, подобно радиостанциям, работающим на разных каналах. Эти частоты дают представление о том, что происходит внутри образца.

Исследователи обнаружили необычный сигнал на частоте 71 терагерц, что означает, что он колебался 71 триллион раз в секунду. Этот сигнал появлялся в живых клетках, тканях мышей и изолированных митохондриях. Но он исчезал после высушивания и измельчения образцов, в результате чего разрушались их упорядоченные структуры.

«Митохондриальное квантовое состояние дает хорошее объяснение неизвестной частоте», — сказал Сонг.

Эта интерпретация остается гипотетической, а не прямым доказательством.

Затем команда сосредоточилась на кристах — плотно свернутых внутренних мембранах митохондрий. Эти складки заполнены липидами, содержащими углеродно-водородные связи, или CH2, которые естественным образом вибрируют с частотой около 87 терагерц.

Так что же именно здесь означает "квантовый"?

Исследователи не предлагают какой-то таинственной формы энергии. Их модель предполагает, что частицы света внутри митохондрии взаимодействуют с коллективными колебаниями её CH2-связей. Они образуют общее гибридное состояние, называемое поляритоном, сочетающее в себе свойства света и материи.

Это квантовый эффект, поскольку связанная система описывается как суперпозиция света и молекулярных колебаний с различными квантованными уровнями энергии.

Согласно модели, в результате взаимодействия исходная вибрация с частотой 87 терагерц разделяется на два новых уровня: один около 71 терагерца, а другой около 103 терагерц.

Вот почему цифры имеют значение.

Предполагаемый нижний уровень совпадает с загадочным сигналом в 71 терагерц, обнаруженным в живых образцах. Верхний уровень будет перекрываться с колебаниями воды и других биологических молекул, что затруднит его различение.

Средняя длина активных митохондрий соответствовала длине волны света частотой 87 терагерц, находящегося внутри них. Таким образом, митохондрии могут действовать как микроскопические камеры, которые на короткое время ограничивают распространение света и обеспечивают это взаимодействие.

Но приносила ли эта предлагаемая структура какую-либо пользу?

Сонг предполагает наличие связи. Ее частота совпадает с колебаниями углекислого газа. CO2 образуется в ходе цикла трикарбоновых кислот, или цикла Кребса, процесса, обеспечивающего энергию для производства АТФ.

В более раннем теоретическом исследовании Сонг и его коллеги предположили, что восстановление NAD+ в течение этого цикла может высвобождать фотоны с частотой 87 терагерц.

«Квантовое состояние митохондрий может повысить эффективность цикла трикарбоновых кислот, влияя на производство АТФ», — сказал он.

Этот механизм не был продемонстрирован напрямую.

Чтобы это выяснить, команда подвергла живые клетки воздействию слабого среднеинфракрасного света в течение 10 минут.

Свет с частотой 71 терагерц совпал с необычным сигналом, а свет с частотой 87 терагерц совпал с вибрацией CH2, которая, как предполагалось, его и породила.

Оба метода дали схожий результат. Свет с частотой 71 терагерц увеличил выработку АТФ на 10,3 процента, а свет с частотой 87 терагерц — на 10,1 процента.

Использование несвязанной контрольной частоты не вызвало существенных изменений, что позволяет предположить, что результат зависел от частоты, а не только от воздействия инфракрасного излучения.

Группа исследователей интерпретирует полученные результаты как свидетельство того, что предложенное квантовое состояние может представлять собой энергоэффективный способ воздействия на производство АТФ.

Данная интерпретация не является окончательной.

Необычный спектральный сигнал не доказывает существование квантового состояния. Поляритон был выведен путем сопоставления наблюдений с моделью, а не путем непосредственного наблюдения. Другие объяснения все еще должны быть исключены.

В эксперименте с АТФ также использовалась одна культивированная линия клеток человека, по восемь образцов в каждой группе. Он не показывает, что один и тот же механизм контролирует метаболизм у животных или у человека.

Нагрев также вызывает опасения, хотя свет был очень слабым, а частота регулирования не влияла на уровень АТФ.

«Наше главное ограничение — отсутствие данных о динамике передачи энергии, связанной со светом на частоте 87 ТГц», — добавил Сонг.

Измерение этих динамических процессов могло бы прояснить предложенную взаимосвязь. Независимые лаборатории также должны воспроизвести сигнал и напрямую проверить наличие квантового поведения.

На данный момент полученные результаты поднимают интригующую возможность: энергетические станции ячейки могут работать не только за счет химических процессов.

Глубоко внутри своих складчатых мембран митохондрии также могут использовать странные законы квантовой физики.