Смелый «энергетический взгляд на жизнь» биолога рассматривает самые странные органеллы организма как связующее звено между клетками, здоровьем и разумом, а также как основу нашего ощущения жизни.
Было 9 утра четверга, и Мартин Пикард наблюдал за тем, как его кровь вытекает из капельницы в руке через отверстие в стене. Он сидел на односпальной кровати в тесной палате, на расстоянии меньше ширины плеча от раковины из нержавеющей стали и фарфорового унитаза. Каждый час в течение 24 часов, в том числе пока он спал, медсестра передавала кровь из его руки исследовательской группе, работавшей по соседству. В каждый момент времени, если он бодрствовал, он также сдавал образец слюны и заполнял опросник о своем настроении. Комната была похожа на камеру или, возможно, на очень тесный гостиничный номер, но на самом деле это была камера для метаболических исследований, одна из 50 подобных в мире. Из-за ее явно недостаточного размера Пикард не мог расходовать больше энергии, чем требовалось для поддержания жизни. Дневной сон был запрещен, как и любое питание, кроме строго регламентированных приемов пищи, рассчитанных с учетом его потребностей в калориях. Ложиться спать нужно было ровно в 11 вечера. Перед отбоем Пикард надел устройство для мониторинга жизненных показателей и активности мозга во время сна. Хотя делать было особо нечего — в основном он лежал в постели, читал или работал за ноутбуком, — в тот день в июле 2021 года Пикард испытывал в основном волнение. Дело в том, что он стал первым добровольцем в эксперименте, проводимом Лабораторией митохондриальной психобиологии, которой он руководит в Медицинском центре Ирвинга Колумбийского университета в Нью-Йорке. Изучая, сколько энергии требуется для поддержания жизнедеятельности на базовом уровне, его лаборатория стремится исследовать то, что, по его мнению, является недооцененным фактором здоровья и болезней, — митохондрии, от уровня молекул до уровня разума.
Большинство учеников средней школы знают, что митохондрии — это энергетические станции клетки. Эти органеллы вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ), энергетическую валюту жизни, посредством каскада химических реакций, в ходе которых расщепляются глюкоза и жиры из пищи. Но митохондрии — это не только фабрики энергии. Исследования последнего десятилетия показали, что они перерабатывают всевозможные молекулы, включая нейромедиаторы, гормоны и метаболиты, а значит, напрямую влияют на то, что мы воспринимаем как настроение, стресс, сексуальное возбуждение и потребность во сне. По словам Пикар, это делает их «точкой соприкосновения многих известных процессов, лежащих в основе сознания».
В более широком смысле, в рамках того, что он называет «энергетическим взглядом на жизнь», Пикар утверждает, что существуют различные энергетические состояния здоровья и болезни и что митохондрии — это крошечные преобразователи, отвечающие за них. Согласно этой точке зрения, поток электронов от пищи к кислороду в процессе метаболизма, осуществляемый митохондриями, является самым базовым уровнем ощущения жизни. «Если энергия перестанет поступать, вас больше не будет», — сказал Пикард. Геном может кодировать белки, поддерживающие жизнь, но если поток энергии, необходимый для их регуляции и выработки, нарушен или отсутствует, то, по его словам, «не будет ни сознания, ни эмоций, ни жизни».
Если энергия перестанет поступать, вас больше не будет. Мартин Пикард, Колумбийский университет.
Идеи Пикарда о связи митохондриальной биологии и энергетики со здоровьем и даже сознанием набирают популярность. Но они настолько новы, что пока не сформировались в отдельную область исследований. Пикард стремится изменить ситуацию, и другие ученые его поддерживают.
Хотя не стоит недооценивать важность генов и белков, митохондрии и метаболические пути, которые они контролируют, «более важны, чем мы думаем, и могут оказывать более существенное мгновенное воздействие на мозг», — считает Джон Брестофф — иммунолог из Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Идея о том, что митохондрии влияют на процессы, происходящие в мозге, «на самом деле не так уж надумана», — добавил он. — Мартин просто предлагает свежий взгляд на эту тему».
«Быть живым»
Как и все остальные животные на планете, Пикард унаследовал митохондрии от своей матери. Она была медсестрой и вела собственную службу по уходу на дому во франкоязычном городке недалеко от Монреаля. Иногда по дороге домой после того, как она забирала его с хоккейной тренировки, они заходили к одному-двум пациентам. Кто-то восстанавливался после операции, кто-то был парализован или находился в паллиативном отделении. Пикард начал замечать, что некоторые люди переходили от одной болезни к другой, так и не выздоравливая полностью, в то время как другие восстанавливались после серьезных травм или болезней «почти чудом», вспоминал он. Это его сильно озадачивало. Это любопытство привело его в Университет Макгилла, где он изучал физиологию и нейроиммунологию. По мере обучения у него начал формироваться вопрос: как молекулярные, клеточные и физиологические процессы влияют на чувства, поведение и способность к саморазвитию? Учебные курсы не давали ответов, которые он искал, поэтому он начал изучать холистическое здоровье. Кое-что из того, чему его учили, вызывало у него смешанные чувства, но он понял ценность комплексного подхода к здоровью и начал осознавать индивидуальный характер заболеваний. По его словам, самое главное — «научиться находить общий язык с другим человеком».
Тем временем в ходе более формальных исследований его все больше интересовали митохондрии. Пикард узнал, что преобразование энергии, необходимое практически для всех процессов в нашем организме, — это лишь часть функций этих органелл. Они также вырабатывают множество химических сигналов, которые влияют на наши ощущения, поведение и функции. Митохондрии обеспечивают сырьем для создания нейромедиаторов глутамата и ацетилхолина, которые управляют нашим мозгом, нервами и мышцами. Первый этап синтеза всех стероидных гормонов, включая кортизол, эстроген, тестостерон и прогестерон, происходит в органеллах, что делает их ключевыми регуляторами сна, половой функции и стресса. Они также активно участвуют в передаче сигналов внутри клеток и между ними: митохондрии накапливают и высвобождают кальций, который участвует во всех процессах — от мышечного сокращения до транскрипции генов, а также активные формы кислорода, которые активируют иммунные клетки и передают сигналы, участвующие в росте клеток. Митохондрии также играют ключевую роль в обнаружении стресса и реагировании на него, и даже в запуске процесса самоуничтожения клеток, если повреждения считаются слишком серьезными. Постоянно расширяющийся список основных процессов, на которые влияют митохондрии, — иммунная активность, репродукция, метаболизм, рост и подавление раковых клеток, здоровье кишечника, старение и долголетие и многое другое — убедительно свидетельствует о том, что митохондриальная дисфункция может быть связана с множеством различных заболеваний и расстройств. Это привело к смене парадигмы в том, как исследователи видят и понимают эти органеллы. «Пожалуй, сейчас самое интересное время для изучения митохондрий, — говорит А. Филлип Уэст, изучающий влияние этих органелл на иммунный ответ в Лаборатории Джексона, некоммерческом исследовательском учреждении в Бар-Харборе, штат Мэн. — Нам еще многое предстоит узнать, но я думаю, что мы действительно вступаем в удивительный период».
Любопытно, что митохондрии также создают небольшие молекулы, которые клетки используют для включения и выключения генов по мере роста, развития и реакции на окружающую среду. Это делает митохондрии «порталом между инертным геномом и динамичной средой», — говорит Пикард. К концу обучения в аспирантуре он начал подозревать, что эти органеллы могут дать ответы на некоторые из его самых глубоких вопросов. Он решил проверить свою догадку, устроившись постдоком к Дугласу Уоллесу — ученому из Пенсильванского университета, которого считают одним из основоположников митохондриальной генетики.
С тех пор Пикард проводил исследования и разрабатывал инструменты для изучения связи между митохондриями; энергией; настроением и здоровьем, приближаясь к своей главной гипотезе о том, что органеллы — это недостающее звено в медицине, которое может объяснить, почему человек может впадать в уныние или, наоборот, преуспевать, — впервые он столкнулся с этим, когда навещал свою мать. Если у человеческого организма ограниченный энергетический бюджет, то при превышении одного из биологических процессов своей обычной доли неизбежно возникнут компромиссы. Конфликтующие потребности — например, связанные с болезнью, травмой или хроническим стрессом — могут проявляться не только в ухудшении здоровья, но и в негативных сознательных переживаниях, таких как тревожность, затуманенность сознания и усталость. С другой стороны, хорошее самочувствие, бодрость и энергия часто идут рука об руку. «Люди испытывают что-то хорошее, а затем субъективно ощущают прилив сил», — говорит Пикард.
Сегодня он предпочитает думать о митохондриях как об «организаторах клеточных функций». Он сравнивает организм с электрической цепью, в которой митохондрии играют роль резисторов. Он объяснил, что в электрической цепи сопротивление преобразует ток в нечто полезное, а не позволяет ему течь бесконтрольно. Митохондрии аналогичным образом удерживают поток энергии в организме в узком диапазоне сопротивления — не слишком низком и не слишком высоком, — что соответствует здоровому состоянию.
Саша Маслов для Quanta Magazine
Таким образом, органеллы — это не просто пассивные каналы, а «генераторы паттернов в цепи», по словам Пикара, которые преобразуют необработанный ток в значимые сигналы. Он выдвигает гипотезу, что различия в этих паттернах могут помочь объяснить, почему некоторые люди склонны к определенным психическим состояниям и расстройствам или хроническим заболеваниям. «Это очень интересная гипотеза, которую продвигает [Пикард]», — сказал Уэст. «Он пытается расширить рамки и помочь нам всем понять всеобъемлющие принципы движения энергии». Тем самым он также ставит под сомнение устоявшиеся в медицине и биологии представления о том, что гены и белки являются основными факторами здоровья и болезней. Что, если, задается вопросом Пикар, количество и характер энергии, преобразуемой митохондриями, на самом деле лежат в основе человеческого опыта?
Энергичная погоня
Холодным солнечным утром в декабре 2025 года Пикард поднялся на трибуну в свитере, на котором была вышита схематичная митохондрия. Позади него в окнах открывался панорамный вид на реку Гудзон. Перед ним за столами по всему залу сидели около 100 ученых, студентов, предпринимателей, инвесторов и пациентов, а также один журналист.
Митохондрии могут функционировать как динамичный интерфейс между организмом и внешним миром.
«Я стою перед вами и произношу эту речь — мое эго под угрозой», — сказал Пикард, и его голубые глаза загорелись энтузиазмом. Нервная реакция организма на эту угрозу — учащенное сердцебиение, вспотевшие подмышки и вставшие дыбом волосы — стала для него уроком. «Все требует энергии», — сказал он, имея в виду даже субъективные психологические переживания.
Пикард организовал однодневный симпозиум, чтобы дать коллегам-энтузиастам митохондрий возможность обсудить последние открытия в этой стремительно развивающейся области — от биоэнергетики иммунных клеток до восприятия времени. «Когда я узнала, что Мартин проводит симпозиум, я просто не могла не приехать», — сказала Робин Гейнс Ланци, специалист по поведенческой медицине из Университета Алабамы в Бирмингеме, которая прилетела, чтобы выступить с докладом.
Стресс был подходящей темой для рассуждений Пикара, поскольку его энергетические затраты интересовали ученого еще с тех пор, как он был постдоком. В одном из первых экспериментов, опубликованном в 2015 году, он намеренно подвергал мышей стрессу, помещая их в трубу, в которой они не могли двигаться. У некоторых из них были нормальные митохондрии, а у других — поврежденные или дефектные. Он обнаружил, что в зависимости от конкретных дефектов митохондрий у животных наблюдались совершенно разные реакции на дискомфорт, вызванный ограничением подвижности, что приводило к различным молекулярным сигналам. «Изменив митохондрии, вы измените то, как организм воспринимает психический стресс или реагирует на него», — сказал Пикард.
В другом исследовании, проведенном примерно в то же время, Пикар обнаружил, что нарушение работы митохондрий влияет на экспрессию генов и рост клетки-хозяина, даже если способность органелл преобразовывать энергию остается неизменной. По словам Пикара, эти результаты подтвердили идею о том, что митохондрии могут функционировать как динамический интерфейс между организмом и внешним миром.
С тех пор новые методы, разработанные Пикаром и другими учеными, расширили спектр исследований, которые могут проводить специалисты по митохондриям. Среди наиболее полезных — технологии «митотипирования», которые позволяют ученым профилировать и классифицировать различные типы митохондрий по их функциям и активности (фенотип), базовой последовательности ДНК (генотип) и экспрессии генов. В 2018 году Пикар и его коллеги представили индекс здоровья митохондрий — молекулярный показатель способности митохондрий преобразовывать энергию, который рассчитывается путем извлечения органелл из образца ткани и количественной оценки их содержимого. Индекс позволяет исследователям измерять активность митохондрий в невиданных ранее масштабах и с невиданной ранее точностью, а также обрабатывать тысячи образцов по сравнению с десятками всего несколько лет назад.
По словам Кармен Санди — нейробиолога, специализирующегося на поведенческой и системной нейронауке, из Швейцарской высшей технической школы Лозанны, после многих лет забвения исследования митохондрий набирают обороты. Некоторые исследования, к удивлению ученых, показали, что митохондрии дифференцируются. Субпопуляции митохондрий могут различаться в зависимости от органа или даже от клетки и отвечать за разное количество энергии или виды биохимических процессов. Различные исследовательские группы начали публиковать статьи, в которых митохондриальная биология связывалась со всем подряд — от формирования памяти и депрессии до болезни Альцгеймера и сердечно-сосудистых заболеваний. В совокупности эти исследования повысили значимость митохондрий как обширной и динамичной области изучения. «Семь лет назад надо мной буквально смеялись, а теперь люди обращаются ко мне за помощью, — сказал Брестофф о своих исследованиях митохондрий. — Они стали гораздо более открытыми».
Предоставлено Кармен Санди
Некоторые из первых исследований, прямо указывающих на то, что митохондрии влияют на психическое состояние и что такое состояние можно скорректировать с помощью терапевтического вмешательства, были проведены в лаборатории Санди. В 2021 году она показала, что у некоторых крыс с тревожным или депрессивным поведением митохондрии в клетках мозга работали неправильно. Когда она и ее коллеги экспериментально повысили активность митохондрий у крыс, нейроны восстановились, и у животных стало меньше признаков тревожности. В последующем исследовании она и ее коллеги показали, что доступная в продаже добавка дает такие же положительные результаты. «Она все восстановила», — сказала Сэнди.
Тем временем Пикар сделал ряд открытий, связывающих митохондрии с функциями мозга. В частности, в 2025 году он стал соавтором митохондриальной карты человеческого мозга, которая показала, что митохондрии различаются не только в разных областях мозга, но и в разных типах клеток внутри органа. По словам исследователей, эта карта — приглашение для других ученых начать изучение «молекулярного энергетического ландшафта», лежащего в основе структуры, процессов и функций мозга, включая сознание. Это был призыв к другим присоединиться к ним в создании новой области исследований.
Генерация паттернов
По мере накопления новых данных Пикард пришел к выводу, что работа мозга зависит не только от молекул, нейронов и нейронных цепей, но и от того, как преобразуется и структурируется энергия. По его мнению, наше познание, настроение и сознательный опыт отражают более глубокие энергетические процессы — вплоть до субклеточного уровня. Он даже предполагает, что митохондрии могут оказаться недостающим элементом головоломки «разум и тело» — микроскопическими алхимиками, которые извлекают мысль из материи и отвечают ни много ни мало за «материализацию сознания в жизнь».
Не все разделяют эту точку зрения. Хосе Антонио Энрикес — молекулярный биолог из Испанского национального центра сердечно-сосудистых исследований, предупредил, что идеи Пикара о митохондриях и сознании интересны, но «ни в коем случае» не доказаны. «Мартин — хороший мыслитель, хотя иногда и немного эксцентричный, — сказал Энрикес. — Его утверждения действительно требуют вдумчивой и научной оценки». Пикард знает, что его идеи могут показаться спорными некоторым его коллегам-биомедикам. «Я немного еретик в том, что хочу связать биоэнергетические процессы внутри митохондрий с человеческим опытом, — сказал он. — Но я считаю, что если мы этого не сделаем, то упустим самую большую возможность».
Исследование с использованием метаболической камеры, результаты которого сейчас анализируются, делает шаг в этом направлении, изучая, как митохондрии влияют на субъективные ощущения. Во второй половине дня на конференции 2025 года Эван Шаулсон, аспирант лаборатории Пикара, представил некоторые предварительные результаты.
Участники с одним из двух типов редкого митохондриального заболевания сжигали на 180 калорий в день больше и расходовали на 15% больше энергии, даже когда спали. «Каждый день жизни им приходится платить налог в размере 180 калорий», — говорит Шаулсон. Это примерно равноценно куску пиццы. Эти испытуемые сообщали, что чувствуют себя более уставшими и испытывают больший стресс по сравнению со здоровыми участниками из контрольной группы. Биомаркеры в их крови показали повышенный уровень метаболических молекул, таких как лактат, которые указывают на нарушение работы митохондрий и коррелируют с тревожностью.
Во второй части исследования ученые отслеживали расход энергии участников в течение девяти дней «свободной жизни», то есть их обычной жизни.Вместо капельницы они пили специальную воду с изотопами, а сотрудники лаборатории Пикара измеряли, как быстро эти изотопы выводятся из организма с мочой (это хорошо зарекомендовавший себя показатель скорости метаболизма).
Неожиданно оказалось, что в реальной жизни разница в калориях между двумя группами почти исчезла. Это произошло потому, что здоровые испытуемые расходовали на 16% больше энергии, чем в камере, в то время как у испытуемых с митохондриальными заболеваниями этот показатель составил всего 5%. Другими словами, по словам Шаулсона, ограничения, наложенные камерой, представляли собой «более типичный день» для людей с митохондриальными заболеваниями, которые двигаются меньше, потому что чувствуют упадок сил.
По его мнению, наше мышление, настроение и сознательный опыт отражают более глубокие энергетические процессы — вплоть до субклеточного уровня.
Результаты являются предварительными и основаны на данных небольшого количества испытуемых: на данный момент их предоставили только 20 человек (не считая Пикара). Тем не менее они показывают, как митохондриальные процессы могут «распространяться и влиять на организм», как сказал Шаулсон. По его словам, изучение того, как эти изменения происходят на уровне молекул и клеток и проявляются в настроении и поведении, может привести к новому пониманию митохондриальных заболеваний и новым методам их лечения, а также к более глубокому пониманию того, как митохондрии поддерживают здоровье и функционирование организма.
Герман Понцер — эволюционный антрополог из Университета Дьюка, специализирующийся на биоэнергетике человека, не принимавший участия в исследовании, но знакомый с его результатами, сказал, что эксперимент в камере проливает свет на «системы контроля в нашем организме, регулирующие количество калорий, которые мы сжигаем каждый день, — системы, которые нам еще предстоит полностью изучить».
«Пикард и его команда помогли пролить свет на эти системы и заложили основу для будущих исследований в области метаболизма и здоровья», — добавил он.
По словам Пикарда, следующим шагом станет более масштабное исследование с участием около 100 человек под руководством Шаулсона. Участники нового исследования не только проведут несколько часов в камере, но и в течение шести месяцев будут находиться под наблюдением с помощью носимых устройств, приложения, образцов слюны и отчетов о своих ощущениях. По словам Шаулсона, полученные результаты могут «стать связующим звеном между поведением, биологией и разумом».