Изследователите съобщават за необяснима 71-терахерцова вибрация в живи клетки, тъкани на мишки и изолирани митохондрии, която изчезва, когато митохондриалната структура е нарушена.
Теоретичен модел предполага, че сигналът може да възникне от квантово хибридно състояние или поляритон, създадено чрез свързване на инфрачервена светлина с колективни вибрации на липидни молекули във вътрешните нагънати митохондриални структури.
Слабата инфрачервена светлина при 71 и 87 терагерца увеличава производството на АТФ с около 10% в култивирани човешки клетки, но препринтът не е рецензиран и не доказва директно, че митохондриите използват квантово състояние.
Митохондриите са еволюирали милиарди години за решаването на един от най-трудните проблеми на биологията: превръщането на енергията, съхранявана в храната, във форма, която клетките могат лесно да използват.
Нова провокативна статия - препринт предполага, че част от забележителната им производителност може да включва квантово взаимодействие, скрито в сгънатите им мембрани.
Изследователите откриват необичаен инфрачервен сигнал при 71 терахерца в живи човешки клетки, няколко миши тъкани и изолирани митохондрии. Сигналът е изчезнал след изсушаване и смилане на биологичните проби, което предполага, че той зависи от организирана митохондриална структура, а не от единична изолирана молекула.
След това екипът разработва модел, в който инфрачервената светлина се свързва с колективни молекулярни вибрации вътре в митохондриалните мембрани, произвеждайки хибридно състояние на светлина и материя, наречено поляритон. Когато култивираните клетки са изложени на избрани инфрачервени честоти, производството на АТФ се увеличава с около 10%.
Изследването, озаглавено A quantum state of mitochondria in the living cell ("Квантово състояние на митохондриите в живата клетка"), е публикувано наскоро в bioRxiv.
То не е рецензирано и предложеният квантов механизъм остава по-скоро интерпретация на измерванията, отколкото директно наблюдавано квантово състояние на митохондриите.
Инфрачервени абсорбционни спектри на биомолекули (сини) и вода (червени). Кредит: Bo Song et al, bioRxiv
Загадъчна вибрация се появява само в непокътнати проби
Изследователите, ръководени от Бо Сун (Bo Song) от Факултета по оптико-електрическо и компютърно инженерство към Шанхайския университет за наука и технологии, използват инфрачервена спектроскопия с трансформация по Фурие, за да изследват HEK-293T човешки клетки и тъкани от бъбреци, черен дроб, сърце и скелетни мускули на мишки. Технологията измерва как биологичният материал абсорбира различни честоти на инфрачервена светлина, което позволява на учените да идентифицират характерни молекулярни вибрации.
Появяват се няколко очаквани сигнала. Вибрациите около 50 терагерца са свързани с протеини, докато силна област близо до 87 терагерца съответства до голяма степен на въглерод-водородни връзки в липиди и други молекули.
Изследователите също така откриват пикове между 68 и 72 терахерца. Повечето могат да се припишат на разтворен или газообразен въглероден диоксид, но сигналът при приблизително 71,0 терахерца остава необясним.
Тази особеност се появява в живи клетки и тъкани, както и в митохондрии, изолирани от тях. Тя изчезва след структурно разрушаване на пробите, което е накарало изследователите да я свържат с непокътнатостта на митохондриалната организация, а не с вибрацията на някаква индивидуална молекула.
Същото необяснимо явление се появява в проби от бъбреци, черен дроб, сърце и скелетни мускули, което предполага, че не е уникално за един тип тъкан.
Кристите осигуряват основата за квантов модел
Екипът се фокусира върху кристите, сложните гънки на вътрешната митохондриална мембрана, където дихателната верига и АТФ синтазата извършват окислително фосфорилиране.
Вибрационните режими на CO2 и техният многопиков анализ. Измерването се извършва чрез FTIR-ATR. Кредит: Bo Song et al, bioRxiv
Кристите съдържат плътно опаковани фосфолипиди, чиито въглеводородни опашки съдържат много CH2 групи. Тези връзки имат характерна вибрация на разтягане близо до 87 терагерца.
Измерванията на активните митохондрии в HEK-293T клетки са показали средна дължина от около 2,2 микрометра. Изследователите са изчислили, че 87-терахерцовата инфрачервена светлина, преминаваща през материал с приблизителен коефициент на пречупване на митохондриалните мембрани, би имала дължина на вълната близо до 2,3 микрометра.
Това сходство на стойностите става централно за предложението на авторите.
Те предполагат, че една непокътната митохондрия може да се държи донякъде като микроскопична оптична кухина, позволявайки на инфрачервена стояща вълна да взаимодейства колективно с гъсто подредените CH2 вибрации в нейните кристи.
Подобни размерни зависимости са докладвани и за митохондриите от тъкани на мишки. Митохондриите на сърцето и скелетните мускули са средно около 1,2 микрометра, близо до половината от изчислената дължина на вълната, което също удовлетворява условието за стояща вълна в модела.
Моделът предсказва хибридно състояние на светлина и материя
Силната връзка между светлината и материята може да създаде поляритони, квантови състояния, които споделят свойствата както на фотоните, така и на материалните възбуждания. Такива състояния са добре установени в инженерните оптични системи, въпреки че демонстрирането им във функциониращи биологични органели би било значително по-необичайно. Изследователите предлагат да се нарече "мито-поляритон". В техния модел, електромагнитен режим с честота 87 терагерца се свързва колективно с CH2 вибрации, разпределени чрез подредени митохондриални кристи.
Характерни пикове, свързани с митохондриите, с честота 71,0 THz в спектрите на живи тъкани на черен дроб (a), сърце (b) и скелетни мускули (c) на мишки, заедно с техните изолирани митохондрии. Кредит: Bo Song et al, bioRxiv
Това свързване разделя оригиналната вибрационна енергия на два предсказани клона. Долният клон се среща близо до 71 терахерца, докато горният клон е близо до 103 терахерца.
Предсказанието за 71 терагерца съвпада с необяснимата спектрална характеристика. Клонът от 103 терагерца би попаднал сред силните вибрации от вода и протеини, което би затруднило експерименталното му разграничаване.
Това съответствие е интригуващо, но не установява съществуването на предположения поляритон. Изследователите са извели състоянието от математически модел, предназначен да обясни спектралната характеристика, вместо директно да измерват отличителни квантови свойства, като например динамика на кохерентното състояние или пълното предсказано разделяне на енергията.
Инфрачервената светлина увеличава производството на АТФ
След това екипът решава да разбере дали стимулирането на предложената система може да повлияе на производството на митохондриална енергия.
Живите HEK-293T клетки получават слабо средна инфрачервена светлина в продължение на 10 минути при плътност на мощността от 10 микровата на квадратен милиметър. Всяко експериментално условие включва 8 проби.
Експозицията при 71 терахерца увеличи измереното производство на АТФ с 10,3% в сравнение с клетки, които не получиха инфрачервена стимулация. Осветяването при 87 терахерца доведе до подобно увеличение от 10,1%.
Връзка между дължината на митохондриите и квантовото състояние на митохондриите. Кредит: Bo Song et al, bioRxiv
Третата честота, 53.7 терагерца, служи като контрола и не води до статистически значима промяна. Честотната зависимост противоречи на напълно неспецифичния отговор на инфрачервеното облъчване, въпреки че сама по себе си не установява механизма, отговорен за увеличаването на АТФ.
Авторите интерпретират 71-терагерцовия отговор като резонансна стимулация на предложения мито-поляритон, а 87-терагерцовия резултат - като директно възбуждане на CH2 вибрацията, от която би възникнало това състояние.
Квантовата физика функционира вътре в митохондриите?
По-обобщеното твърдение изисква важно разграничение. Квантовата механика е от съществено значение за молекулярната биология, защото електроните, химичните връзки и молекулярните енергийни нива са квантово-механични.
Преносът на електрони през митохондриалните респираторни протеини например може да включва квантово тунелиране.
Това е различно от демонстрирането на по-мащабно кохерентно квантово състояние, което изпълнява биологична функция.
Новият препринт предлага последното: колективно състояние, образувано от светлина и молекулярни вибрации, които могат да повлияят на клетъчния метаболизъм. Това би поставило откритието по-близо до изследванията върху квантовата кохерентност и поляритоните във фотосинтетичните системи, отколкото до обикновената молекулярна квантова химия.
Това би изисквало и необичайно силни доказателства, тъй като биологичните клетки са топли, влажни и шумни среди, където кохерентните квантови състояния могат бързо да загубят определящите си свойства.
Модулация на производството на АТФ в живи HEK-293T клетки чрез 71.0-THz и 87.0-THz средноинфрачервена (MIR) светлина. Кредит: Bo Song et al, bioRxiv
Най-големите изпитания тепърва предстоят
Няколко ограничения правят резултатите предварителни. АТФ експериментът използва една култивирана човешка клетъчна линия и само 8 проби са включени във всяко условие. Работата не показва, че една и съща стимулация променя енергийния метаболизъм при непокътнати животни или човешки тъкани.
Нагряването и други неквантови инфрачервени ефекти също изискват по-задълбочено изследване, въпреки че интензитетът на светлината е бил нисък и контролната честота не е увеличила АТФ. По-важното е, че изследователите все още не са измерили динамиката на енергийния трансфер, която би свързала директно 87-терахерцовото възбуждане, предложения поляритон и производството на АТФ.
Независимото възпроизвеждане ще бъде от решаващо значение. Бъдещите експерименти биха могли да търсят директно и двете предвидени поляритонни разклонения, да измерват тяхната кохерентност и време на живот, да манипулират митохондриалната структура, докато проследяват сигнала, и да определят дали нарушаването на предложеното свързване елиминира метаболитния отговор.
Засега работата представя необичайно спектрално наблюдение, придружено от квантов модел, който му съответства, и честотно-специфичен метаболитен ефект.
Въпросът дали тези части наистина разкриват квантовите механизми вътре в енергийните станции на клетката, остава открит.
Справка: A quantum state of mitochondria in the living cell; Yu Yang, Zhenglong Gu, Bo Song; doi: https://doi.org/10.64898/2026.09.10.750628
Източник: Scientists propose a light-matter quantum state inside living cells, The Brighter Side of News
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Необикновена космическа експлозия, случваща се веднъж на хилядолетие
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Произходът на мартеницата трябва да се търси далече - в Индия и Древна Гърция
Откъде идва "химията" на междуличностните връзки?