Κινέζοι ερευνητές εντόπισαν ενδείξεις κβαντικής κατάστασης στο εσωτερικό ζωντανών κυττάρων!

Σύνοψη

• Κινέζοι επιστήμονες παρατήρησαν μια ανεξήγητη δόνηση στα 71 THz εντός ανέπαφων ζωντανών κυττάρων και απομονωμένων μιτοχονδρίων.
• Η συγκεκριμένη δόνηση αποδίδεται στη διαμόρφωση μιας κβαντικής κατάστασης (πολαρόνιο), όπου σωματίδια φωτός αλληλεπιδρούν με τους λιπιδικούς δεσμούς εντός των μιτοχονδρίων.
• Πειράματα έδειξαν ότι η διέγερση των κυττάρων με υπέρυθρο φως στη συχνότητα των 71 THz αυξάνει την παραγωγή του ενεργειακού μορίου ATP κατά 10%.
• Τα ευρήματα της μελέτης απαιτούν ανεξάρτητη επαλήθευση αλλά ανοίγουν νέους δρόμους για την κατανόηση της τεράστιας ενεργειακής αποδοτικότητας των βιολογικών συστημάτων,.

Η μελέτη των βιολογικών μηχανισμών παραγωγής ενέργειας αποκτά μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα διάσταση, καθώς ερευνητές από την Κίνα υποστηρίζουν πως έχουν εντοπίσει πειραματικές ενδείξεις κβαντικών καταστάσεων στο εσωτερικό ζωντανών κυττάρων. 

Τα μιτοχόνδρια, τα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας των κυττάρων, αναλαμβάνουν τον κρίσιμο ρόλο να μετατρέψουν τα θρεπτικά συστατικά στην τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), το κύριο μόριο που τροφοδοτεί σχεδόν όλες τις βιολογικές λειτουργίες του οργανισμού μας. 

Αν και η επιστημονική κοινότητα γνωρίζει τη βασική χημική διαδικασία εδώ και δεκαετίες, η εκπληκτική αποδοτικότητα με την οποία επιτυγχάνεται αυτή η μετατροπή ενέργειας παραμένει δυσνόητη και δύσκολα εξηγείται αποκλειστικά μέσω των μοντέλων της κλασικής φυσικής και της παραδοσιακής θερμοδυναμικής. 

Σύμφωνα με την πρόσφατη μελέτη που αναρτήθηκε στο αποθετήριο bioRxiv, μια διεπιστημονική ομάδα ερευνητών προτείνει ότι η απάντηση στο μυστήριο της κυτταρικής αποδοτικότητας πιθανότατα κρύβεται στους περίπλοκους κανόνες της κβαντικής μηχανικής.

Πώς δημιουργείται η κβαντική κατάσταση στο εσωτερικό των κυττάρων

Η κβαντική κατάσταση στα κύτταρα προκύπτει όταν σωματίδια φωτός αλληλεπιδρούν με τις συλλογικές δονήσεις των δεσμών άνθρακα-υδρογόνου (CH2) στα μιτοχόνδρια, σχηματίζοντας μια υβριδική μορφή ενέργειας και ύλης που ονομάζεται πολαριτόνιο. Αυτή η κατάσταση υπέρθεσης δημιουργεί μια χαρακτηριστική δόνηση στα 71 THz, η οποία αυξάνει την αποδοτικότητα της παραγωγής τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) κατά 10%.

Οι ερευνητές σχεδίασαν μια σειρά εξαιρετικά ευαίσθητων πειραμάτων για να μελετήσουν τη συμπεριφορά των κυττάρων κάτω από συνθήκες που επιτρέπουν την παρατήρηση κβαντικών φαινομένων. Χρησιμοποιώντας τεχνικές φασματοσκοπίας, ανέλυσαν τον τρόπο με τον οποίο διάφορα βιολογικά δείγματα, συμπεριλαμβανομένων κυτταρικών σειρών όπως τα ανθρώπινα επιθηλιακά κύτταρα νεφρού HEK-293T και οι αντίστοιχοι νεφρικοί ιστοί ποντικιών, ανταποκρίνονται σε διαφορετικές συχνότητες υπέρυθρου φωτός. Τα μόρια και οι βιολογικές δομές πάλλονται σε πολύ συγκεκριμένες, χαρακτηριστικές συχνότητες, λειτουργώντας με τρόπο που θυμίζει ραδιοφωνικούς σταθμούς οι οποίοι εκπέμπουν σε διακριτά κανάλια, παρέχοντας έτσι πολύτιμα στοιχεία για τις φυσικοχημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των δειγμάτων.

Κατά τη διάρκεια αυτών των αναλύσεων, η ομάδα ανακάλυψε ένα επίμονο, ανώμαλο σήμα στα 71 τεραχέρτζ (THz), το οποίο μεταφράζεται σε 71 τρισεκατομμύρια ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο. Η σημαντικότερη διαπίστωση της διαδικασίας ήταν ότι αυτή η δόνηση εμφανιζόταν σταθερά στα ζωντανά δείγματα και στα απομονωμένα μιτοχόνδρια, αλλά χανόταν εντελώς τη στιγμή που η οργάνωση των κυττάρων καταστρεφόταν με μηχανικά μέσα, αποδεικνύοντας ότι το φαινόμενο εξαρτάται απόλυτα από την άθικτη, λειτουργική δομή του οργανιδίου και δεν αποτελεί απλώς την ιδιότητα ενός μεμονωμένου χημικού μορίου.

Ο ρόλος των πολαρονίων και η αρχιτεκτονική των μιτοχονδρίων

Προκειμένου να ερμηνεύσουν τα ευρήματα τους, οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα πολύπλοκο θεωρητικό μοντέλο, το οποίο επικεντρώνεται στις έντονα αναδιπλωμένες εσωτερικές μεμβράνες των μιτοχονδρίων. Αυτές οι μεμβράνες προσφέρουν τεράστια επιφάνεια για τις χημικές αντιδράσεις της κυτταρικής αναπνοής, ωστόσο, το μοντέλο προτείνει μια πρόσθετη, εξαιρετικά προηγμένη λειτουργία. Τα σωματίδια φωτός στο εσωτερικό των μιτοχονδρίων μπορούν να συζευχθούν στενά με τις συλλογικές ταλαντώσεις των δεσμών άνθρακα-υδρογόνου (CH2) των λιπιδίων, διαμορφώνοντας μια νέα κατάσταση υπέρθεσης που διαθέτει ταυτόχρονα τις ιδιότητες τόσο του φωτός όσο και της ύλης,. Η κατάσταση αυτή αποτελεί ένα γνήσιο κβαντικό φαινόμενο επειδή το συζευγμένο σύστημα χαρακτηρίζεται από διακριτά, κβαντισμένα ενεργειακά επίπεδα, διατηρώντας τα μόρια σε μια ευαίσθητη ενεργειακή ισορροπία.

Βάσει των υπολογισμών της ερευνητικής ομάδας, η φυσιολογική εγγενής δόνηση των λιπιδικών δεσμών που καταγράφεται στα 87 THz υφίσταται μια ενεργειακή διάσπαση λόγω της κβαντικής αλληλεπίδρασης, δημιουργώντας δύο νέα ενεργειακά επίπεδα,. Το πρώτο επίπεδο διαμορφώνεται κοντά στα 71 THz και ταιριάζει απόλυτα με το μυστηριώδες σήμα που εντοπίστηκε κατά τις φασματοσκοπικές αναλύσεις των ζωντανών κυττάρων. Το δεύτερο ενεργειακό επίπεδο τοποθετείται υψηλότερα, γύρω στα 103 THz, ωστόσο η ανίχνευσή του καθίσταται πρακτικά αδύνατη καθώς επικαλύπτεται από τον τεράστιο θόρυβο υποβάθρου που δημιουργούν οι δονήσεις των μορίων του νερού και άλλων άφθονων βιολογικών ενώσεων σε αυτό ακριβώς το φάσμα. Ο μέσος όρος μήκους των ενεργών μιτοχονδρίων φαίνεται να αντιστοιχεί ακριβώς στο μήκος κύματος του φωτός των 87 THz, επιτρέποντας στους μεμβρανικούς σχηματισμούς να συμπεριφέρονται σαν μικροσκοπικά αντηχεία που παγιδεύουν στιγμιαία το φως, μεγιστοποιώντας την πιθανότητα σχηματισμού του πολαρονίου.

Επιπτώσεις στην παραγωγή ATP και τη βιολογία

Η απλή ανίχνευση μιας κβαντικής κατάστασης μέσα σε έναν ζωντανό οργανισμό συνιστά ένα τεράστιο επιστημονικό επίτευγμα, όμως η ομάδα προχώρησε ένα βήμα παραπέρα αναζητώντας τον πραγματικό βιολογικό ρόλο αυτής της κατάστασης. Διεξάγοντας στοχευμένα πειράματα όπου εξέθεσαν καλλιέργειες ζωντανών κυττάρων σε ασθενές φως μέσου υπέρυθρου εύρους για διάστημα δέκα λεπτών, παρατήρησαν μετρήσιμες αλλαγές στον μεταβολισμό. Χρησιμοποιώντας φως στη συχνότητα των 71 THz, η οποία συντονίζεται με το ασυνήθιστο σήμα που κατέγραψαν, καθώς και στα 87 THz, που αντιστοιχεί στην αρχική δόνηση των λιπιδικών δεσμών, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα κύτταρα ανταποκρίθηκαν αυξάνοντας την παραγωγή του μορίου ATP κατά 10%. Τα αποτελέσματα αυτά ενισχύουν την υπόθεση ότι η προτεινόμενη κβαντική κατάσταση προσφέρει μια ενεργειακά βελτιστοποιημένη οδό για την ενίσχυση του μεταβολισμού, παρακάμπτοντας ενδεχομένως τους αυστηρούς περιορισμούς που θέτουν οι παραδοσιακοί νόμοι της θερμοδυναμικής.

Η προσέγγιση αυτή εντάσσεται στον ευρύτερο και ταχέως αναπτυσσόμενο κλάδο της κβαντικής βιολογίας, ο οποίος εξετάζει το ενδεχόμενο η εξέλιξη να έχει αξιοποιήσει κβαντικά φαινόμενα για να λύσει κρίσιμα προβλήματα επιβίωσης. Προηγούμενες έρευνες έχουν ήδη τεκμηριώσει την παρουσία κβαντικής συνοχής στις διαδικασίες της φωτοσύνθεσης στα φυτά, καθώς και τον ρόλο του κβαντικού εναγκαλισμού στην ικανότητα πλοήγησης των αποδημητικών πουλιών μέσω του μαγνητικού πεδίου της Γης. Η επέκταση αυτών των αρχών στον θεμελιώδη μεταβολισμό των κυττάρων των θηλαστικών υποδεικνύει ότι τα όρια μεταξύ της θεωρητικής φυσικής και της μοριακής βιολογίας γίνονται ολοένα και πιο δυσδιάκριτα όσο η τεχνολογία των μετρήσεων βελτιώνεται.