Загадочный сигнал внутри живых клеток: учёные не могут объяснить, что его производит

Внутри живых клеток обнаружено нечто странное. Сигнал колеблется с частотой около 71 триллиона раз в секунду. Самое необъяснимое в нём то, что происходит, когда структуру, которая его производит, разрушают. Сигнал исчезает.

Исследователи нашли его в живых человеческих клетках, свежих тканях животных и изолированных митохондриях, сохранивших свою структуру. Но стоило эти структуры разрушить — высушить и измельчить образцы, — как сигнал пропадал. Молекулы никуда не делись, а вот архитектура, которая держала их вместе, была сильно нарушена.

Это наблюдение и стало отправной точкой. Если сигнал зависит не только от того, какие молекулы присутствуют, но и от того, как они организованы внутри работающих митохондрий, то объяснение может лежать в области, куда биология заглядывает нечасто.

Митохондрии — это структуры, которые часто называют энергетическими станциями клетки. Они производят аденозинтрифосфат, или АТФ, — молекулу, которая служит непосредственным источником энергии для бесчисленных биологических процессов, от сокращения мышц до восстановления клеток. Внутри каждой митохондрии есть сложно устроенная внутренняя мембрана. Её складки, называемые кристами, создают среду, где работает большая часть механизмов, ответственных за производство АТФ.

Ю Ян, Чжэнлун Гу и Бо Сун изучали клетки, ткани и митохондрии с помощью спектроскопии — метода, который показывает, на каких частотах молекулярные структуры поглощают электромагнитное излучение или взаимодействуют с ним. Биологический материал содержит множество характерных вибраций, потому что молекулы и химические связи откликаются на определённые частоты. Но среди этих ожидаемых сигналов исследователи обнаружили необычную особенность на частоте примерно 71 терагерц, которую не удалось отнести ни к одной обычной молекулярной вибрации.

Эта особенность проявилась в нескольких типах живого биологического материала. Её регистрировали в живых человеческих клетках HEK-293T, а также в свежеизвлечённых тканях почек, печени, сердца и скелетных мышц мышей. Её наблюдали и тогда, когда митохондрии изолировали, сохраняя их внутренние структуры неповреждёнными. Это говорило о том, что сигнал тесно связан с организованной митохондриальной средой, а не просто с каким-то одним типом ткани.

Дальше началось самое интересное. Когда образцы высушивали и измельчали, разрушая большую часть их организованной клеточной и митохондриальной структуры, сигнал на 71 терагерце больше не обнаруживался.

Команда предложила объяснение, которое уводит исследование в гораздо более странную область. По мнению авторов, частота может быть связана с квантовым состоянием, формирующимся внутри работающих митохондрий. Эта интерпретация остаётся теоретической, но сам сигнал и делает исследование таким интригующим.

Их объяснение сосредоточено на взаимодействии между электромагнитными полями и липидными молекулами, из которых состоят митохондриальные мембраны. Точнее, исследователи обратили внимание на группы углерод-водород, известные как связи CH₂, которых много в этих мембранах. Эти группы имеют характерную колебательную моду на частоте примерно 87 терагерц.

Исследователи построили теоретическую модель, в которой электромагнитное поле внутри митохондрии сильно взаимодействует с коллективными колебаниями этих связей по всей складчатой поверхности крист. Вместо того чтобы электромагнитное поле и молекулярные колебания вели себя независимо, модель позволяет им связываться в гибридное физическое состояние.

В физике такие взаимодействия могут порождать состояния, содержащие характеристики и света, и материи. Их часто описывают через понятие поляритонов. Согласно расчётам команды, связывание между электромагнитным полем и колебаниями CH₂ могло бы расщепить ожидаемую вибрацию на 87 терагерцах на два отдельных энергетических уровня. Один появился бы примерно на 71 терагерце, другой — около 103 терагерц.

Первый из этих предсказанных частот близко совпадает с необъяснённым сигналом, найденным в экспериментах. Второй, как предполагают исследователи, может быть гораздо труднее обнаружить, потому что он попадает в область, сильно подверженную влиянию воды и других биологических молекул. Любой отдельный сигнал там может утонуть в окружающем спектральном фоне.

Если их интерпретация верна, особенность на 71 терагерце — не просто ещё одна неопознанная молекулярная вибрация. Это может быть свидетельством коллективного физического состояния, созданного организованной архитектурой работающих митохондрий. А это было бы гораздо более значимым результатом, потому что означало бы: структура самой органеллы помогает создавать физическое поведение, которое исчезает, как только эту структуру разрушают.

Однако есть важное различие между тем, что исследователи наблюдали, и тем, что, по их мнению, это может объяснять. Спектроскопия напрямую не доказывает, что внутри митохондрий существует состояние, подобное квантовой суперпозиции. Исследователи наблюдали необычную частоту, связанную с неповреждённой митохондриальной структурой, а их квантовая модель — одно из предложенных объяснений того, почему эта частота появляется.

Команда также проверила, может ли облучение живых клеток выбранными инфракрасными частотами влиять на производство АТФ. Культивируемые человеческие клетки HEK-293T подвергали воздействию в течение десяти минут, сравнивая излучение на 71 терагерце, 87 терагерцах и не связанной с ними контрольной частоте 53,7 терагерца. Цель была в том, чтобы увидеть, могут ли частоты, связанные с предложенным механизмом, производить измеримые изменения в клеточном производстве энергии.

Клетки, подвергнутые воздействию 71 терагерца, по сообщениям, производили примерно на 10,3 процента больше АТФ, чем необлучённые клетки. Воздействие на 87 терагерцах, соответствующее колебанию CH₂, центральному для модели исследователей, было связано с увеличением примерно на 10,1 процента. Воздействие на контрольной частоте 53,7 терагерца не дало статистически значимого увеличения.

Эти результаты добавляют ещё один слой к загадке, потому что позволяют предположить: задействованные частоты могут иметь измеримые биологические эффекты. Однако эксперимент с АТФ включал только восемь образцов в каждой группе и использовал одну культивируемую линию человеческих клеток. Независимое воспроизведение в разных лабораториях, на разных типах клеток и в разных экспериментальных условиях будет поэтому необходимо, прежде чем можно будет делать сильные выводы.

Исследователи также не наблюдали напрямую каждую стадию механизма, предложенного их моделью, внутри живой митохондрии. Обнаружить частоту, построить теоретическую модель, предсказывающую почти ту же частоту, а затем наблюдать изменения в производстве АТФ после облучения — это интересная цепочка доказательств. Но она пока не устанавливает, что весь процесс происходит точно так, как предлагают исследователи.

Если более поздние эксперименты независимо воспроизведут результаты, последствия могут выйти далеко за пределы необъяснённого спектроскопического сигнала. Современная биология уже зависит от квантовой механики на молекулярном уровне, потому что сама химия в конечном счёте следует квантовым правилам. Гораздо более крупный вопрос в том, могут ли более крупные организованные биологические структуры использовать когерентные или коллективные квантовые эффекты так, чтобы они оставались функционально важными в масштабе целых клеток.

Исследователи изучали возможные квантовые эффекты в самых разных областях — от фотосинтеза до магнитного чувства у животных. Митохондрии были бы особенно значимым местом для выявления такого феномена, потому что они находятся в центре клеточного энергетического метаболизма. Их внутренние мембраны высоко организованы, а белки, липиды, электрические градиенты и химические реакции действуют на чрезвычайно малых расстояниях, постоянно превращая питательные вещества в полезную энергию.

Коллективное состояние, способное влиять на этот процесс, могло бы указывать на ещё один слой физики под биохимической машиной, которую учёные уже понимают. Авторы даже предполагают, что будущие работы должны исследовать, может ли такое состояние играть роль не только в энергетическом метаболизме, но потенциально и в передаче информации внутри живых систем. Эта идея гораздо более умозрительна, но она показывает, насколько значимым исследователи считают этот феномен, если лежащее в его основе наблюдение подтвердится.

Ничто в текущем исследовании не демонстрирует, что митохондрии общаются через какую-то ранее неизвестную квантовую сеть. Работа также не даёт доказательств в пользу утверждений, связанных с сознанием, или других идей, которые иногда привязывают к разговорам о квантовой биологии. Собственно экспериментальное утверждение уже достаточно странное, чтобы не добавлять ничего сверх того, что было измерено.

Исследователи говорят, что необъяснённый сигнал с частотой 71 триллион колебаний в секунду появляется в живых клетках, свежих тканях и структурно неповреждённых митохондриях. Разрушьте эту организованную митохондриальную структуру — и сигнал исчезнет. При этом теоретическая модель предсказывает взаимодействие, способное генерировать частоту, крайне близкую к наблюдаемой. Облучение на той же частоте, по-видимому, также изменяет производство АТФ в протестированных культивируемых клетках.

Опишут ли эти фрагменты в конечном счёте подлинное митохондриальное квантовое состояние, остаётся нерешённым. Исследование пока существует как препринт на bioRxiv и не прошло рецензирование, а независимые лаборатории ещё не воспроизвели результаты. Другие объяснения особенности на 71 терагерце также нужно будет изучить, прежде чем исследователи смогут определить, что именно они видят.

Если сигнал переживёт эту проверку, учёные, возможно, обнаружили неожиданный физический феномен, действующий внутри одной из самых фундаментальных структур сложной жизни. Пока же 71 терагерц остаётся странно точной частотой, появляющейся внутри работающих митохондрий, исчезающей, когда их архитектура разрушается, и оставляющей исследователей с вопросом, на который пока нет ответа: что именно её производит?