В небольшой герметичной комнате человек провёл 24 часа почти без движения. Помещение напоминало тесную гостиницу или камеру: односпальная кровать, раковина и туалет помещались на участке шириной чуть больше человеческих плеч. Каждый час медсестра брала кровь через внутривенный катетер, а во время бодрствования участник также сдавал слюну и отмечал своё настроение. Даже ночью забор образцов не прекращался.
Комната предназначалась для точного измерения обмена веществ. Малый размер не позволял расходовать лишнюю энергию на ходьбу и другие действия. Дневной сон запрещался, приёмы пищи проходили строго по расписанию, а количество калорий рассчитывали отдельно для каждого участника. В 23 часа выключался свет, после чего приборы продолжали регистрировать жизненные показатели и активность мозга во время сна.
Эксперимент должен был показать, сколько энергии человеческий организм тратит на поддержание жизни в состоянии почти полного покоя. Исследователей интересовали не только калории, но и работа митохондрий — клеточных структур, от которых зависят обмен веществ, реакция на стресс и многие процессы в нервной системе.
В школьных учебниках митохондрии обычно называют клеточными электростанциями. Подобное сравнение верно, но описывает лишь часть их работы. Митохондрии перерабатывают глюкозу и жиры из пищи, передают электроны кислороду и создают аденозинтрифосфат, или АТФ. Молекулы АТФ снабжают энергией сокращение мышц, передачу нервных импульсов, синтез белков и другие клеточные процессы.
Одновременно митохондрии преобразуют множество сигнальных молекул и поставляют исходные вещества для их производства. От работы органелл зависят нейромедиаторы глутамат и ацетилхолин, которые участвуют в передаче сигналов в мозге, нервах и мышцах. Внутри митохондрий начинается синтез стероидных гормонов, включая кортизол, эстроген, тестостерон и прогестерон. Поэтому нарушения в органеллах могут влиять на сон, половую функцию и реакцию организма на нагрузку.
Митохондрии также регулируют содержание кальция в клетках. Ионы кальция нужны для сокращения мышц, межклеточной коммуникации и управления активностью генов. Ещё органеллы образуют активные формы кислорода. В больших количествах подобные молекулы повреждают клетки, но в нормальной концентрации помогают иммунной системе и участвуют в передаче сигналов, связанных с ростом тканей.
При серьёзном повреждении клетки митохондрии могут запустить апоптоз — контролируемое самоуничтожение. Организм использует этот механизм, чтобы устранить повреждённые или нежизнеспособные структуры. Получается, что митохондрии одновременно обеспечивают ткани энергией, оценивают внутреннее состояние клетки и помогают решить, сможет ли она продолжать работу.
Перечень связанных с митохондриями процессов постоянно расширяется. Исследования обнаруживают их участие в иммунных реакциях, размножении, пищеварении, старении, продолжительности жизни, росте опухолей и подавлении раковых клеток. Широкий набор функций помогает понять, почему нарушения митохондрий встречаются при заболеваниях разных органов и не всегда проявляются одинаково.
Особый интерес вызывает способность органелл связывать неизменную наследственную информацию с текущими условиями жизни. Гены хранят инструкции по созданию белков, но клетке необходимо постоянно решать, какие участки ДНК использовать. Митохондрии производят небольшие молекулы, участвующие в переключении генов. Питание, физическая нагрузка, инфекция или стресс меняют обмен веществ, после чего митохондриальные сигналы могут повлиять на активность генома.
На основе накопленных данных возникла гипотеза, согласно которой здоровье зависит не только от набора генов и белков, но и от распределения энергии между процессами в организме. Человеческое тело располагает ограниченным энергетическим бюджетом. Болезнь, травма или хронический стресс увеличивают расходы на восстановление, иммунную защиту и поддержание внутреннего равновесия. На другие задачи остаётся меньше ресурсов, что может сопровождаться усталостью, тревогой, заторможенностью мышления и ощущением нехватки сил.
Исследователи предлагают рассматривать митохондрии не как пассивные каналы для производства АТФ, а как регуляторы клеточной работы. Электрический резистор ограничивает ток и поддерживает его в допустимом диапазоне. Митохондрии похожим образом управляют потоком энергии, не позволяя ему упасть ниже необходимого уровня или стать чрезмерным и повредить клетку.
Модель пока не доказывает, что митохондрии напрямую создают настроение или сознание. Однако работа органелл способна быстро менять состояние мозга. Нейроны особенно чувствительны к энергетическому дефициту, поскольку постоянно расходуют АТФ на передачу электрических и химических сигналов. Изменение митохондриальной активности может воздействовать на нервную систему быстрее, чем перестройка генов или синтез новых белков.
Первые эксперименты показали, что дефекты митохондрий действительно меняют реакцию организма на стресс. В одном исследовании мышей помещали в узкую трубку, где животные не могли двигаться. У части грызунов митохондрии работали нормально, у остальных органеллы имели разные нарушения. Одинаковая неприятная ситуация вызывала у групп разные молекулярные реакции. Вид ответа зависел от конкретного дефекта митохондрий.
Другой опыт показал, что вмешательство в работу органелл меняет активность генов и скорость роста клеток даже тогда, когда производство энергии сохраняется на прежнем уровне. Следовательно, митохондрии влияют на клетку не только через количество АТФ. Сигнальные функции позволяют им передавать информацию о состоянии организма и внешней среде.
Изучать различия между митохондриями долгое время мешали технические ограничения. Новые методы позволяют распределять органеллы по группам в зависимости от активности, последовательности ДНК и работы генов. Подобное профилирование иногда называют митотипированием.
В 2018 году появился индекс митохондриального здоровья. Для его расчёта органеллы выделяют из образца ткани и измеряют вещества, связанные с преобразованием энергии. Метод позволяет количественно оценить возможности митохондрий и обрабатывать тысячи проб. Несколькими годами ранее аналогичные исследования обычно ограничивались несколькими десятками.
Выяснилось, что митохондрии внутри организма неоднородны. Органеллы в разных тканях выполняют неодинаковые задачи, а их свойства могут различаться даже между соседними типами клеток одного органа. Одни группы вырабатывают больше энергии, другие сильнее участвуют в синтезе молекул или передаче сигналов.
Исследования связывают митохондриальные процессы с формированием памяти, депрессией, болезнью Альцгеймера и заболеваниями сердца. Подобная связь сама по себе не доказывает, что дефект органелл служит единственной причиной нарушения. Во многих случаях митохондриальные изменения могут одновременно влиять на болезнь и возникать под её воздействием.
Более прямые данные получили в опытах на животных с тревожным и депрессивным поведением. У части крыс обнаружили нарушения митохондрий в клетках мозга. После экспериментального усиления работы органелл нейроны восстановили нормальные функции, а животные проявляли меньше признаков тревоги. В следующем исследовании похожего эффекта добились с помощью доступной пищевой добавки. Результаты требуют проверки на людях и не означают, что добавка подходит для самостоятельного лечения тревожных расстройств.
В 2025 году исследователи составили карту митохондрий человеческого мозга. Анализ показал различия между областями мозга и типами клеток внутри каждой зоны. Карта помогает изучать, как энергетический обмен связан с устройством нервной ткани, мышлением и неврологическими заболеваниями.
Связь митохондрий с сознанием остаётся гипотезой. Сторонники направления предполагают, что восприятие, настроение и мышление зависят не только от нейронов и молекулярных сигналов, но и от того, как клетки преобразуют и распределяют энергию. Критики отмечают, что эксперименты пока не позволяют вывести сознание непосредственно из митохондриальных процессов.
Проверить связь клеточного обмена с ощущениями человека должен был опыт в метаболической камере. Среди участников находились люди с двумя редкими типами митохондриальных заболеваний. Даже во сне их организм тратил примерно на 15 процентов больше энергии, чем у здоровых добровольцев. Дополнительный расход достигал около 180 килокалорий в сутки, что сопоставимо с энергетической ценностью одного куска пиццы.
Участники с митохондриальными заболеваниями чаще сообщали об усталости и стрессе. Анализы крови выявили повышенное содержание лактата и других метаболических молекул. Это вещество может накапливаться, когда клетки не справляются с обычным преобразованием энергии и активнее используют менее эффективные пути обмена. Повышенный уровень также связывают с тревожными состояниями, хотя одно измерение не позволяет установить прямую причинную связь.
Затем учёные наблюдали за расходом энергии в обычной жизни в течение девяти дней. Добровольцы пили воду с безопасными изотопными метками, после чего исследователи измеряли скорость их выведения с мочой. Метод позволяет оценить общий обмен веществ без постоянного пребывания человека в лаборатории.
За пределами камеры различие между группами почти исчезло. Здоровые участники тратили в повседневной жизни на 16 процентов больше энергии, чем в тесном помещении. У людей с митохондриальными заболеваниями расход увеличивался лишь на 5 процентов.
Результат объяснили различиями в активности. Здоровые добровольцы после выхода из камеры больше ходили и занимались обычными делами. Люди с митохондриальными нарушениями двигались меньше из-за постоянного дефицита сил. Ограничения камеры почти не меняли их привычный уровень активности, поэтому суточные энергозатраты оставались близкими к лабораторным показателям.
Полученные данные показывают, как клеточное нарушение может постепенно проявляться на уровне всего организма. Неэффективная работа митохондрий повышает стоимость основных физиологических процессов. Человек быстрее расходует доступную энергию, сильнее устаёт и меньше двигается. Снижение активности, в свою очередь, меняет общий расход калорий и повседневное самочувствие.
Пока выводы нельзя считать окончательными. В исследовании участвовали только 20 человек, не считая первого добровольца, а результаты ещё проходят научную проверку. Редкие митохондриальные заболевания также не позволяют автоматически переносить наблюдения на здоровых людей, пациентов с депрессией или тех, кто испытывает хронический стресс.
Следующий этап должен охватить около ста участников. Часть измерений пройдёт в метаболической камере, а затем добровольцев будут наблюдать шесть месяцев. Носимые устройства и приложение зарегистрируют активность и другие повседневные показатели. Исследователи также соберут образцы слюны и регулярные отчёты о самочувствии.
Новая работа должна проверить, совпадают ли изменения митохондриального обмена с колебаниями настроения, поведения и уровня энергии. Подобное соответствие ещё не подтвердит прямую причинную связь, но поможет точнее определить процессы, которые стоит проверять в дальнейших экспериментах.
Исследования митохондрий постепенно соединяют молекулярную биологию, обмен веществ, работу мозга и субъективные ощущения. Наиболее смелые предположения о роли органелл в сознании пока остаются недоказанными. Однако измеряемые различия в расходе энергии уже показывают, что клеточные сбои способны влиять на сон, активность, усталость и повседневное поведение человека.