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Mitochondrien könnten einen unbekannten Quantenzustand beherbergen
Quantenphysik im Zellkraftwerk: Forscher haben in lebenden Zellen und Mitochondrien ein ungewöhnliches Infrarotsignal bei 71 Terahertz gemessen. Ein Modell führt es auf einen gekoppelten Zustand von Licht und Membranschwingungen zurück, und passende Infrarotfrequenzen ließen die ATP-Produktion um rund zehn Prozent steigen. Der Befund stammt jedoch aus einem noch nicht begutachteten Preprint und beweist den Quantenzustand nicht direkt.
Shanghai (China). Mitochondrien wandeln chemische Energie in Adenosintriphosphat (ATP) um, den wichtigsten unmittelbar nutzbaren Energieträger der Zelle. Wie effizient diese kleinen Zellorganellen Energie übertragen, hängt eng mit der stark gefalteten inneren Membran zusammen. Ob dabei zusätzlich ein kollektiver Quanteneffekt eine messbare Rolle spielt, ist jedoch offen.
Nun liefert eine neue Arbeit einen ungewöhnlichen Hinweis: In lebenden Zellen, tierischen Geweben und isolierten Mitochondrien tauchte eine Schwingung auf, die sich nicht einfach einer einzelnen bekannten Molekülart zuordnen ließ. Die Autoren deuten das Signal mit einem quantenphysikalischen Modell, doch dieser Erklärungsansatz ist bislang nicht direkt nachgewiesen.
Bo Song von der University of Shanghai for Science and Technology (USST) und Kollegen haben für ihre Untersuchung Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) eingesetzt. Sie untersuchten eine menschliche Zelllinie, Gewebe aus Nieren, Leber, Herz und Skelettmuskeln von Mäusen sowie isolierte Mitochondrien. Die Spektren sollten zeigen, bei welchen Frequenzen die Proben Infrarotlicht besonders aufnehmen oder darauf reagieren.
Dabei erschien ein auffälliges Signal bei 71 Terahertz, das in lebenden Zellen, den untersuchten Mausgeweben und isolierten Mitochondrien zu erkennen war. Trockneten und zermahlten die Forscher ihre Proben, verschwand die Signatur dagegen. Das spricht dafür, dass nicht nur ein bestimmtes Molekül, sondern die erhaltene räumliche Organisation der Mitochondrien für das Signal wichtig ist.
Als möglichen Ursprung betrachten die Autoren die Cristae, also die dicht gefalteten Bereiche der inneren Mitochondrienmembran. Deren Lipide enthalten viele CH₂-Gruppen, deren charakteristische Schwingung bei etwa 87 Terahertz liegt. Im Modell koppelt diese kollektive Molekülschwingung an elektromagnetisches Licht im Mitochondrium und bildet einen gemeinsamen Licht-Materie-Zustand, einen sogenannten Polaritonen-Zustand.
Die Rechnung sagt für diese Kopplung zwei neue Energieniveaus voraus, die aus der ursprünglichen Schwingung bei 87 Terahertz als Zustände nahe 71 und 103 Terahertz entstehen. Der niedrigere Wert passt zum gemessenen Signal. Der höhere läge dagegen im Bereich von rund 90 bis 110 Terahertz, in dem auch Wasser und zahlreiche Biomoleküle schwingen, und wäre deshalb schwer von anderen Signalen zu trennen.
Entscheidend ist jedoch die Beweisrichtung: Gemessen wurde das 71-Terahertz-Signal, während der postulierte Polaritonen-Zustand aus dem Modell folgt. Das Spektrum allein zeigt daher noch nicht eindeutig, dass tatsächlich ein Quantenzustand in Mitochondrien existiert, und andere physikalische Erklärungen müssen ausgeschlossen werden.
In einem weiteren Versuch bestrahlte das Team lebende HEK-293T-Zellen zehn Minuten lang mit schwachem mittleren Infrarotlicht. Bei 71 Terahertz stieg die gemessene ATP-Produktion um 10,3 Prozent, bei 87 Terahertz um 10,1 Prozent. Eine Kontrollfrequenz von 53,7 Terahertz bewirkte dagegen keine signifikante Veränderung, und jede Versuchsgruppe umfasste acht Proben.
Damit reagieren die Zellen offenbar frequenzabhängig auf die Bestrahlung, doch der Versuch belegt nicht, dass derselbe postulierte Quantenzustand den ATP-Anstieg verursacht. Auch mögliche Erwärmung und andere Wechselwirkungen mit Zellbestandteilen müssen weiter geprüft werden, obwohl die verwendete Strahlung schwach war und die Kontrollfrequenz keinen entsprechenden Effekt zeigte.