生命科學(xué)有很多門(mén)類(lèi)，其中發(fā)展最快的無(wú)疑是遺傳學(xué)。如今的生物學(xué)研究已經(jīng)被核酸“統(tǒng)治”了，幾乎每一篇生物學(xué)論文都要測(cè)一下DNA 序列，看看有沒(méi)有基因突變。不過(guò)，近年來(lái)有不少科學(xué)家開(kāi)始質(zhì)疑這套研究模式，提出能源才是生命最核心的要素，很多疾病看似是遺傳或者生物結(jié)構(gòu)出了問(wèn)題，但本質(zhì)上都是能源供應(yīng)跟不上導(dǎo)致的。

我們可以拿電腦做個(gè)比喻。如果一塊硬盤(pán)的磁道壞了，電腦肯定會(huì)不正常，但有時(shí)還能湊合用。如果沒(méi)電了，那這臺(tái)電腦一定沒(méi)法用了。

假如你用的是一臺(tái)筆記本電腦，電量不足時(shí)可以將其設(shè)置成省電模式，此時(shí)電腦還可以工作，但各項(xiàng)參數(shù)的指標(biāo)都降低了，用起來(lái)肯定不會(huì)太順暢。同理，如果一只哺乳動(dòng)物餓了幾天肚子，它的大腦是否也會(huì)自動(dòng)進(jìn)入“省電模式”呢？這就是愛(ài)丁堡大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家娜塔莉·羅什福特想要回答的問(wèn)題。她和同事們用小鼠做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小鼠的大腦確實(shí)存在“省電模式”，其代價(jià)就是一些功能會(huì)受影響。

根據(jù)羅什福特博士在2022 年1 月29 日出版的《神經(jīng)元》雜志上發(fā)表的論文，當(dāng)小鼠因饑餓而減掉了15%～20% 的體重時(shí)，它會(huì)通過(guò)降低神經(jīng)信號(hào)強(qiáng)度的方式來(lái)節(jié)約能量，其大腦視覺(jué)皮層的能耗因此減少了29%。這么做的代價(jià)就是小鼠的視力會(huì)變得模糊，對(duì)細(xì)節(jié)的分辨率大打折扣。

人類(lèi)是否也會(huì)如此？這個(gè)問(wèn)題因?yàn)槿狈?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持而暫無(wú)明確答案。但這個(gè)小鼠實(shí)驗(yàn)告訴我們，哺乳動(dòng)物的大腦不會(huì)每時(shí)每刻都處于“滿格”狀態(tài)，而是會(huì)根據(jù)能量供應(yīng)的多少調(diào)整其工作狀態(tài)。事實(shí)上，一直有人懷疑某些神經(jīng)系統(tǒng)的疾病并不是因?yàn)椤坝布钡膿p傷，而是源于能量供應(yīng)不足而導(dǎo)致的“系統(tǒng)波動(dòng)”。

需要特別指出的是，這里所說(shuō)的能量供應(yīng)指的不是飲食狀況，而是三磷酸腺苷（ATP）的供應(yīng)量。ATP 是細(xì)胞的能量來(lái)源，所有的生命活動(dòng)都需要由ATP 來(lái)提供能量。如果我們將ATP 比作電能，那么線粒體就是真核細(xì)胞的發(fā)電機(jī)。所有其他形式的能源，無(wú)論是太陽(yáng)能還是食物內(nèi)蘊(yùn)含的化學(xué)能，都必須先由線粒體轉(zhuǎn)化成ATP 才能被細(xì)胞直接利用。

目前主流的理論認(rèn)為，線粒體的祖先是一個(gè)細(xì)菌。大約在20 億年前，另一個(gè)古細(xì)菌將這個(gè)細(xì)菌吞了下去，后者因?yàn)槟撤N原因沒(méi)有被前者消化掉，而是和前者達(dá)成了一種共生關(guān)系，由后者負(fù)責(zé)為前者生產(chǎn)ATP，以換取來(lái)自前者的保護(hù)。

這個(gè)理論很好地解釋了為什么線粒體具備很強(qiáng)的自主性，因?yàn)檫@是真核細(xì)胞內(nèi)唯一自帶基因組的細(xì)胞器。人類(lèi)的線粒體基因組包含37 個(gè)基因，負(fù)責(zé)編碼和線粒體功能密切相關(guān)的13 種蛋白質(zhì)。其余的線粒體蛋白質(zhì)則由細(xì)胞核內(nèi)的核基因組負(fù)責(zé)編碼。這兩個(gè)基因組之間的配合度，就成了決定線粒體功能好壞的關(guān)鍵因素。有些人體內(nèi)的這兩個(gè)基因組天生不匹配，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的線粒體病。但在大多數(shù)情況下，這兩個(gè)基因組之間的配合度是逐漸變差的，原因在于線粒體基因組的突變率要比核基因組高一個(gè)數(shù)量級(jí)。一種理論認(rèn)為，衰老的真正原因就是兩個(gè)基因組的配合度隨著年齡的增長(zhǎng)而逐漸下降，導(dǎo)致細(xì)胞因?yàn)槭チ丝煽康哪芰抗?yīng)而無(wú)法行使正常的生理功能。

在所有的細(xì)胞類(lèi)型當(dāng)中，神經(jīng)細(xì)胞對(duì)能量的需求最大。絕大部分人類(lèi)體細(xì)胞內(nèi)的線粒體數(shù)量在1000～10000 個(gè)，而腦神經(jīng)元內(nèi)的線粒體數(shù)量最高可達(dá)200 萬(wàn)個(gè)，由此可見(jiàn)神經(jīng)活動(dòng)的能耗之大。一旦腦神經(jīng)元內(nèi)的線粒體出了問(wèn)題，導(dǎo)致ATP 供應(yīng)不上，大腦就很可能被迫進(jìn)入“省電模式”，神經(jīng)性疾病也許就是這么來(lái)的。

除了神經(jīng)細(xì)胞，其他類(lèi)型的體細(xì)胞也會(huì)受線粒體質(zhì)量的影響，出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，比如衰老。衰老的真正原因是細(xì)胞失去了更新的能力，來(lái)不及修復(fù)損傷。這就好比一輛汽車(chē)，開(kāi)久了總會(huì)有磨損，油箱里的油也會(huì)逐漸耗盡。但如果你能按時(shí)加油，并把磨損的部件及時(shí)換新，這輛車(chē)就可以一直開(kāi)下去。對(duì)于細(xì)胞來(lái)說(shuō)，新部件就相當(dāng)于氨基酸、核苷酸和脂肪酸這些有機(jī)大分子，它們是合成蛋白質(zhì)、核酸和細(xì)胞膜的原材料。汽油則對(duì)應(yīng)于ATP 分子，所有的ATP 分子均來(lái)自線粒體。

為車(chē)加油和換部件需要去不同的地方，但ATP 的合成和有機(jī)大分子的合成全都來(lái)自同一組化學(xué)反應(yīng)，這就是三羧酸循環(huán)。食物中蘊(yùn)含的能量，正是通過(guò)三羧酸循環(huán)被轉(zhuǎn)化成ATP 的。三羧酸循環(huán)還可以反向運(yùn)行，其中每一步反應(yīng)所產(chǎn)生的中間體，都可以被用來(lái)合成生物大分子。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為合成代謝。這是維持細(xì)胞正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵步驟，因?yàn)榧?xì)胞在其生命過(guò)程中一定會(huì)出現(xiàn)各種差錯(cuò)或者磨損，比如蛋白質(zhì)老化、變性等，這就需要立即合成新的“配件”去替換。如果這個(gè)替換過(guò)程進(jìn)行得不順利，細(xì)胞就會(huì)積累大量廢物，導(dǎo)致其活性逐漸降低，直至成為“僵尸”。隨著年齡的增長(zhǎng)，這樣的“僵尸”細(xì)胞越積越多，其結(jié)果就是衰老。

合成代謝需要兩個(gè)非常重要的分子，一個(gè)是負(fù)責(zé)提供能量的ATP，另一個(gè)就是負(fù)責(zé)提供電子的還原型輔酶II（NADPH）。衰老的主要原因就是這兩種分子供應(yīng)不足，導(dǎo)致合成代謝出現(xiàn)問(wèn)題。比如大家熟悉的退行性關(guān)節(jié)炎，就是因?yàn)檐浌羌?xì)胞失去了合成膠原蛋白的能力，導(dǎo)致關(guān)節(jié)潤(rùn)滑液分泌不足。

一直有科學(xué)家試圖通過(guò)人為補(bǔ)充ATP 或者NADPH 的方式來(lái)延緩衰老，但多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明外源ATP 或NADPH 不但很難被細(xì)胞直接利用，還有可能影響細(xì)胞自身的其他代謝功能。

于是，有人試圖改變思路，把葉綠體中負(fù)責(zé)光合作用的最小單元類(lèi)囊體引入動(dòng)物細(xì)胞，因?yàn)楣夂献饔玫膬煞N主要產(chǎn)物就是ATP 和NADPH。這個(gè)做法看似匪夷所思，但有兩大好處。一是光合作用來(lái)自植物，不會(huì)和動(dòng)物細(xì)胞原有的代謝通路發(fā)生沖突，因此也就不會(huì)影響動(dòng)物自身的新陳代謝。二是我們可以通過(guò)改變光照強(qiáng)度調(diào)控光合作用的效率，這就避免了ATP 或者NADPH 產(chǎn)能過(guò)剩，后者對(duì)于細(xì)胞來(lái)說(shuō)同樣是有害的。

這個(gè)做法最大的困難就是如何杜絕免疫排斥反應(yīng)。浙江大學(xué)的科學(xué)家用動(dòng)物的細(xì)胞膜制成了一個(gè)載體，把納米級(jí)類(lèi)囊體單元裹在這個(gè)載體里面送入小鼠的軟骨細(xì)胞，從而騙過(guò)了小鼠的免疫系統(tǒng)。之后，研究人員用光照來(lái)激活類(lèi)囊體，使之開(kāi)始生產(chǎn)ATP 和NADPH， 衰老的小鼠軟骨細(xì)胞果然返老還童，關(guān)節(jié)炎的癥狀也得到了明顯的緩解。

雖然這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的只是為了驗(yàn)證一下這個(gè)做法是否可行，但結(jié)果令人驚喜。該方法有潛力成為治療各種退行性疾病的靈丹妙藥，甚至可以用于延緩衰老。不過(guò)，在美好的愿望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)之前，我們還是好好保護(hù)自己的線粒體吧。

可惜的是，目前尚無(wú)提高線粒體工作效率的特效藥，我們只能通過(guò)健康飲食和加強(qiáng)鍛煉來(lái)提高線粒體的質(zhì)量。在這一點(diǎn)上，線粒體和電池正相反，我們?cè)绞欠e極地使用線粒體，它的質(zhì)量就會(huì)越好。