Chinesische Forscher entdecken möglichen Quantenzustand in lebenden Zellen: Was heißt das für die Energiegewinnung?

Chinesische Wissenschaftler haben in lebenden Zellen ein rätselhaftes Signal entdeckt, das mit einem möglichen Quantenzustand der Mitochondrien zusammenhängen könnte. Die kleinen Zellorganellen stellen nämlich Energie für Zellvorgänge bereit – und womöglich spielen sich in ihrem Inneren Vorgänge ab, an denen Materie und Licht beteiligt sind.

Wissenschaftler haben eigenwillige Schwingungen der Mitochondrien gemessen – die womöglich mit der Energiebereitstellung zu tun haben. Bild: KI-generiert

Mitochondrien versorgen Zellen mit Energie, indem sie Nährstoffe in das energiereiche Molekül ATP (Adenosintriphosphat) umwandeln. Wie diese winzigen „Kraftwerke der Zelle“ ihre Vorgänge genau organisieren, konnte jedoch noch nicht vollständig geklärt werden.

Ein Forschungsteam um Bo Song von der University of Shanghai for Science and Technology hat nun menschliche Zellen und Gewebe aus Nieren, Leber, Herz und Skelettmuskeln von Mäusen untersucht – und dabei möglicherweise einen quantenphysikalischen Zusammenhang entdeckt.

Ein Signal aus den Zellkraftwerken

Die Wissenschaftler setzten bei der Untersuchung die sogenannte Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie ein – mit der lassen sich charakteristische Schwingungen von Molekülen und Zellstrukturen bestimmen, womit man wiederum prüfen kann, wie sie auf verschiedene Frequenzen reagieren. Dabei stießen sie auf ein ungewöhnliches Signal bei 71 Terahertz – also 71 Billionen Schwingungen pro Sekunde.

Bemerkenswert war, dass das Signal sowohl in lebenden Zellen und Mausgewebe als auch in isolierten Mitochondrien auftrat. Wurden die Proben dagegen getrocknet und zermahlen, verschwand es. „Der mitochondriale Quantenzustand bietet eine gute Möglichkeit, die unbekannte Frequenz zu erklären“, sagt Song gegenüber ScienceAlert.

Elektronenmikroskopische Aufnahme zweier Mitochondrien. Die genauen Vorgänge im Innern dieser Zellorganellen werden derzeit noch erforscht. Bild: Public Domain

Die Forscher vermuten, dass die Ursache in den gefalteten Innenmembranen der Mitochondrien, den sogenannten Cristae, zu suchen ist. Dort befinden sich nämlich Lipide mit CH2-Bindungen, die natürlicherweise bei etwa 87 Terahertz schwingen.

Ein möglicher Quanteneffekt

Das theoretische Modell beschreibt eine Kopplung zwischen Lichtteilchen und diesen kollektiven Molekülschwingungen. Dabei könnte ein sogenannter Polaritonen-Zustand entstehen, der Eigenschaften von Licht und Materie miteinander verbindet. Das Modell sagt voraus, dass sich die ursprüngliche 87-Terahertz-Schwingung in zwei Energieniveaus aufspaltet – bei etwa 71 und 103 Terahertz.

Die Forscher sehen darin eine mögliche Erklärung für ihr Messergebnis. Mitochondrien könnten aufgrund ihrer Größe und Struktur zudem wie winzige Resonanzräume wirken, in denen Licht kurzfristig eingeschlossen wird und eine solche Wechselwirkung ermöglicht.

Doch der Quantenzustand wurde nicht unmittelbar beobachtet, sondern nur aus dem gemessenen Signal und dem übereinstimmenden theoretischen Modell abgeleitet. Die Studie wurde als Preprint auf bioRxiv veröffentlicht.

Mit Polaritonenzustand ist ein Zustand gemeint, bei dem Licht extrem stark mit Materie wechselwirkt. Womöglich spielt sich so etwas auch in Mitochondrien ab, sagen die Forschenden. Bild: KI-generiert

Anschließend untersuchte das Team, ob die vermutete Wechselwirkung die Energieproduktion tatsächlich beeinflussen könnte. Lebende Zellen wurden zehn Minuten lang schwachem mittleren Infrarotlicht ausgesetzt.

Bei 71 Terahertz stieg die ATP-Produktion um 10,3 Prozent, bei 87 Terahertz um 10,1 Prozent. Eine Kontrollfrequenz von 53,7 Terahertz zeigte dagegen keinen signifikanten Effekt. Das spricht dafür, dass nicht allein die Bestrahlung, sondern möglicherweise die gewählte Frequenz entscheidend war.

Die Forscher bringen den Effekt mit dem Citratzyklus in Verbindung, ein grundlegender Stoffwechselvorgang bei der ATP-Produktion. „Der mitochondriale Quantenzustand könnte die Effizienz der TCA-Zyklen erhöhen und dadurch die ATP-Produktion beeinflussen“, sagt Song.

Noch kein Beweis

Die Ergebnisse müssen jedoch mit Vorsicht interpretiert werden. Getestet wurde unter anderem nur eine kultivierte menschliche Zelllinie, und jede Versuchsgruppe umfasste acht Proben. Ob der vorgeschlagene Mechanismus auch in Organismen oder im menschlichen Körper eine Rolle spielt, bleibt offen.

Auch andere Erklärungen für das 71-Terahertz-Signal müssen ausgeschlossen werden. Ebenso ist noch unklar, ob tatsächlich ein Energieaustausch zwischen Licht und Molekülschwingungen stattfindet.

„Unsere wichtigste Einschränkung ist das Fehlen einer Dynamik des energiebezogenen Transfers durch 87-Terahertz-Licht“, sagt Song. Daher müssen noch unabhängige Experimente und direkte Messungen des Quantenzustands durchgeführt werden.

Artikelreferenz

Yang, Y., Gu, Z., & Song, B.. (2026). A quantum state of mitochondria in the living cell. bioRxiv.