研究人员在活细胞线粒体中发现71THz异常振动，提出光与线粒体膜脂质耦合的量子模型，并发现特定频率的中红外光可促进ATP生成。
生命为何能如此高效地利用能量？科学家长期尝试从量子力学寻找答案，但一直缺乏活细胞层面的直接实验证据。近日，复旦大学、上海理工大学等机构的研究团队在bioRxiv发表预印本论文，报告了一种与活细胞线粒体密切相关的特殊振动模式，并提出它可能源于光与线粒体内部脂质分子的量子耦合。
线粒体是细胞的能量工厂，负责合成大部分三磷酸腺苷(ATP)。研究人员首先利用傅里叶变换红外光谱技术，分析了活HEK-293T细胞及小鼠肾脏组织。
结果发现，活体样本在71.0THz附近存在一个异常光谱峰，而经过干燥、研磨处理的样本中，这一特征消失了。研究人员进一步排除了附近二氧化碳振动峰的干扰，并在分离的线粒体中发现了相同信号。
随后，他们在小鼠肝脏、心脏和骨骼肌组织及其线粒体中观察到了类似现象。这说明71.0THz振动并非某种特定细胞独有，而可能与功能完整的线粒体结构有关。
那么，这种异常振动究竟从何而来？
研究人员将注意力转向线粒体内膜中的嵴结构。线粒体嵴由高度有序的脂质双分子层组成，其中大量亚甲基(CH₂)化学键具有约87THz的固有振动频率。
通过共聚焦显微成像，研究人员发现，HEK-293T细胞中具有较高膜电位的线粒体平均长度为2.2±0.4微米。与此同时，87THz光在线粒体内部的理论波长约为2.3微米，两者十分接近。
研究团队据此提出，线粒体可能形成一种微型光学谐振腔，使光与脂质CH₂键的振动发生强耦合，产生名为“线粒体极化激元”(mito-polariton)的量子叠加态。
根据理论计算，原本87THz的振动能级会分裂为71THz和103THz两个分支。其中，71THz对应实验观测到的异常光谱峰；103THz则与其他生物分子和水的振动频段重叠，难以单独辨认。
为了检验这一现象是否具有生物学功能，研究人员进一步开展了中红外光照射实验。
他们使用功率密度仅10微瓦/平方毫米的中红外激光，分别以71.0THz、87.0THz和53.7THz照射活细胞10分钟，随后检测ATP含量。
结果显示，与未照射的对照组相比，71.0THz照射使细胞ATP含量增加10.3%，87.0THz照射增加10.1%，均达到统计学显著水平。而53.7THz照射没有产生显著变化。
研究人员认为，这种频率选择性效应支持了线粒体内部存在光与物质耦合机制的解释，也表明特定频率的中红外光可能成为调节细胞能量代谢的高效途径。
不过，异常光谱峰和ATP增加并不等于量子态机制已经得到直接证明。目前，线粒体极化激元的具体形成过程仍主要依靠理论模型解释，尚需独立实验进一步验证。此外，研究尚未明确这种调节效应是否完全由量子耦合引起，也没有证明它能在人体内产生相同效果。
这项研究为理解生命能量转换提供了新的物理学视角。如果相关机制得到进一步证实，未来或可用于研究细胞能量代谢调节，甚至探索量子过程是否参与生物信息传递。
需要注意的是，这篇论文目前仍是未经同行评审的预印本，其提出的线粒体量子态机制应被视为值得继续验证的科学假说，而非已经确立的生物学事实。
原文：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.10.750628v1