大約20億年前，演化進行了一場幾乎不可能成功的實驗。一個更大的祖先細胞吞噬了一個更小的細菌。按理說，這本該是一頓晚餐。但結(jié)果卻變成了一次融合。這個細菌在宿主內(nèi)部存活了下來，而雙方共同締造了生命史上最重要的合作關(guān)系之一。宿主提供庇護和獲取氧氣的機會；細菌則提供了一項革命性的能力：一種效率高得多的能量生成方式。

這種親密聯(lián)盟催生了真核細胞——以及復(fù)雜生命誕生的可能性。所有植物、動物和會思考的生命，都能將自己的譜系追溯到那場古老的共生。我們的反思能力、想象力與懷疑精神，都建立在一個曾經(jīng)自由生活的微生物之上。我們稱這些后代為線粒體。

它們存在于我們身體幾乎每一個細胞中，每個細胞內(nèi)有數(shù)百到數(shù)千個不等。總體而言，我們體內(nèi)大約擁有1000萬億億個線粒體——總質(zhì)量約占體重的十分之一。紅細胞是個例外：它們沒有線粒體，這使其能夠最大化運輸氧氣。幾乎所有其他細胞都絕對依賴線粒體。神經(jīng)元尤其“耗能”。每個神經(jīng)元中都含有數(shù)千個線粒體，可占據(jù)細胞體積的40%。

這些棒狀結(jié)構(gòu)常被稱為細胞的“動力工廠”。通過有氧代謝，它們產(chǎn)生維持細胞存活與運作所需的大部分化學(xué)能——這種分子燃料支撐著每一個生物過程。

盡管大腦僅占體重的2%，卻消耗了人體靜息狀態(tài)下約20%的能量。每一次感知、記憶、情緒與思想，代謝成本都極高。思考本身，就是一種高度耗能的行為。按單位重量計算，我們的大腦中線粒體的比例甚至高于神經(jīng)元。這不僅僅是一個生物學(xué)趣聞。它暗示著：認知與代謝不可分割——心智不僅由神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)塑造，也由能量網(wǎng)絡(luò)塑造。

二十年前，當(dāng)我還是博士生時，線粒體被描述成細胞中靜態(tài)的“動力工廠”，盡職盡責(zé)，卻在概念上乏味無趣。而今天，它們已成為科學(xué)重新評估的核心。線粒體遠非被動的電池，而是細胞生死、壓力反應(yīng)、炎癥與衰老的動態(tài)調(diào)節(jié)者。越來越多證據(jù)表明，它們影響著我們思維的清晰程度、心理韌性，以及適應(yīng)不確定性的能力。

過去20年間，科學(xué)圖景發(fā)生了巨大變化。作為一名神經(jīng)科學(xué)家、作家與播音員，在我自己的工作中，我親眼見證了線粒體如何從生物學(xué)邊緣走向中心，成為討論現(xiàn)代生活如何塑造大腦的新興議題核心。正如我在《21世紀的大腦：利用前沿神經(jīng)科學(xué)幫助我們應(yīng)對未來》（The 21st Century Brain: Using Cutting-Edge Neuroscience to Help Us Navigate the Future，2026）一書中探討的那樣，一場隱秘的能量危機，或許正在現(xiàn)代人的身體內(nèi)部展開。

久坐生活方式、慢性壓力、環(huán)境壓力以及營養(yǎng)過剩，反而可能給維持細胞能量的系統(tǒng)帶來負擔(dān)。如果認知建立在代謝基礎(chǔ)之上，那么我們的思維質(zhì)量，可能比我們目前認識到的更加依賴這些古老共生體的活力。

理解我們?nèi)绾螢樗枷胩峁┤剂?，就是重新審視?dāng)初使思考成為可能的那場演化交易。線粒體的故事不僅僅是細胞能量學(xué)的故事。它提醒我們：智能源于合作——而我們思維的清晰度，可能取決于數(shù)十億年前形成的那場聯(lián)盟是否健康。

智能依賴能量，這一觀點聽起來幾乎平淡無奇。當(dāng)然，大腦需要燃料。然而，直到最近，人類才終于能夠在活體中觀察支撐思維的能量機器。

在倫敦帝國學(xué)院，分子精神病學(xué)家奧利弗·豪斯（Oliver Howes）及其同事利用正電子發(fā)射斷層掃描（positron emission tomography，PET）繪制了線粒體復(fù)合體I（MC-I）的分布圖。MC-I是氧化磷酸化通路中最大的酶，而氧化磷酸化負責(zé)產(chǎn)生ATP——細胞的能量貨幣。MC-I位于呼吸鏈的最前端。沒有它，高效能量生產(chǎn)便無法實現(xiàn)。

在一項針對健康志愿者的試點研究中，研究團隊測量了參與者的認知表現(xiàn)，隨后掃描其大腦以估算MC-I的可用性。結(jié)果令人震驚：IQ分數(shù)越高，MC-I可用性越高。研究人員的解釋十分謹慎，但含義耐人尋味。認知表現(xiàn)似乎與大腦在相關(guān)網(wǎng)絡(luò)中生成能量的能力有關(guān)。簡單來說，可用能量越多，復(fù)雜思維的潛力越大。

動物研究也得出了相同主題的結(jié)論。在紐約市西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院（Icahn School of Medicine at Mount Sinai），原由子（Yuko Hara）及其同事研究了恒河猴前額葉皮層中的突觸。工作記憶——即在腦海中保持并操作信息的能力——會隨著這些突觸內(nèi)線粒體的密度與形態(tài)而變化。工作記憶表現(xiàn)強的猴子擁有更多結(jié)構(gòu)健康的線粒體；表現(xiàn)較差的猴子則擁有更多畸形線粒體，這與氧化應(yīng)激和ATP生成減少相一致。

這些發(fā)現(xiàn)強化了一個簡單卻深刻的結(jié)論：能夠進行高級認知的大腦，需要可靠的能量系統(tǒng)。智能在某種程度上受制于生物能量學(xué)。

我們從父母那里繼承很多東西：說話方式、憂郁傾向、面部結(jié)構(gòu)。但在細胞深處，還存在一種更加安靜的遺傳，而且它只來自母親。線粒體——這些生成生命所需化學(xué)能量的微小細胞器——擁有自己的DNA。在受孕時，卵細胞向胚胎提供線粒體基因組；而精子貢獻的線粒體通常會被拆解并銷毀。在這種不對稱的生物遺傳中，演化寫下了一部母系劇本。

這種特殊遺傳模式長期以來引發(fā)了大量猜想。如果線粒體是細胞的發(fā)電廠，而且它們只通過母系傳遞，那么其DNA中的細微差異，是否會影響我們的衰老，甚至壽命長短？

2017年，愛丁堡大學(xué)的伊娃·丘基奇（Iva ?uki?）與伊恩·迪里（Ian Deary）發(fā)表了關(guān)于智力與壽命關(guān)系最全面的研究之一。他們利用1947年蘇格蘭心理調(diào)查（Scottish Mental Survey of 1947）的數(shù)據(jù)，追蹤了超過7萬人，這些人在11歲時參加了IQ測試。令人驚訝的是，研究人員最終掌握了原始隊列94%的信息，并持續(xù)追蹤他們直到79歲。

研究規(guī)模與持續(xù)時間，使研究者能夠得出格外可靠的結(jié)論。一個人11歲時IQ越高，其壽命往往越長。乍看之下，這似乎違反直覺。智力與癌癥、運動神經(jīng)元病或事故有什么關(guān)系？然而，就連這些結(jié)果也與兒童時期IQ存在統(tǒng)計相關(guān)性。這類發(fā)現(xiàn)引發(fā)了關(guān)于因果機制的棘手問題。智力并不會直接抵御不幸。相反，它可能反映了更深層的生物完整性——即維持生命系統(tǒng)中的一種微妙效率。

在線粒體重新成為主角的地方，演化生物學(xué)家戴維·吉里（David Geary）提出，線粒體是連接智力、健康與衰老的關(guān)鍵樞紐。由于線粒體負責(zé)細胞能量生產(chǎn)，而大腦又是一個極度耗能的器官，因此，即便生物能量效率只有微小差異，也可能在一生中不斷累積。幾十年后，這些邊緣差異或許會表現(xiàn)為認知韌性、身體健康與壽命的差異。衰老本身，某種程度上可能就是能量生產(chǎn)逐漸衰退的故事。

線粒體會不斷復(fù)制，受損后也會被選擇性清除。而在人類一生中，這兩種過程都會逐漸下降。功能異常的線粒體開始積累。這種低效狀態(tài)已經(jīng)被證明與神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病、腸道炎癥和癌癥有關(guān)。

與此同時，細胞損傷不斷累積，并需要修復(fù)。而修復(fù)需要能量。因此，衰老或許意味著能量需求與供給之間的鴻溝越來越大。當(dāng)能量生產(chǎn)減少、成本上升時，身體開始進行優(yōu)先級排序。低優(yōu)先級過程會被抑制，隨后便出現(xiàn)疲勞、認知遲緩與炎癥增強。

這種框架有助于解釋一個核心悖論。氧化磷酸化——即產(chǎn)生ATP的過程——同時也會生成活性氧（reactive oxygen species，ROS）。在適度水平下，ROS是重要的信號分子，甚至可能與更高認知表現(xiàn)相關(guān)。但過量ROS會損傷線粒體DNA與細胞結(jié)構(gòu)。能量過低會令人虛弱；而失控的氧化副產(chǎn)物過多則具有破壞性。大腦只能在狹窄的能量走廊中運行。即便是同樣年齡的人，其活力、清晰度與韌性差異往往也極其明顯。一個新興框架正試圖通過生物能量學(xué)來解釋這種差異。

能量生產(chǎn)并不是控制細胞衰老的唯一時鐘。端粒——位于染色體末端的保護帽——會隨著每次細胞分裂而縮短。當(dāng)縮短到臨界程度時，它們會觸發(fā)導(dǎo)致細胞死亡的過程。如今，端粒長度已被廣泛用作生物衰老的標志物。

端粒酶能夠恢復(fù)端粒長度，但其活性會隨時間下降，并對生活方式與壓力十分敏感。在加州大學(xué)舊金山分校，艾麗莎·埃佩爾（Elissa Epel）及其同事發(fā)現(xiàn)，長期承受高壓力的女性，其端粒明顯更短——相當(dāng)于額外老化約10年——相比那些壓力較低的人而言。

相比之下，運動似乎能夠增強端粒酶活性。健康的線粒體功能也有類似作用。越來越多證據(jù)表明，線粒體效率與端粒維持之間存在密切聯(lián)系。受損的生物能量系統(tǒng)可能加速端粒侵蝕；而強健的生物能量系統(tǒng)則可能起到緩沖作用。

在紐約哥倫比亞大學(xué)馬丁·皮卡德（Martin Picard）領(lǐng)導(dǎo)的一項聯(lián)合研究中，原發(fā)性線粒體疾病患者表現(xiàn)出更高的靜息能量消耗——一種類似“生物通貨膨脹”的狀態(tài)，僅僅活著就需要付出異常高的能量成本。能量壓力越高，端粒侵蝕速度越快。

在另一項針對長期照顧自閉癥兒童母親的縱向研究中，皮卡德與埃佩爾發(fā)現(xiàn)，基線線粒體健康程度越高，9個月內(nèi)端粒酶活性越穩(wěn)定；而慢性壓力則與線粒體功能下降和端粒酶活性下降同時相關(guān)。能量衰竭與細胞衰老似乎糾纏在一起。

如果壓力會損傷線粒體，而線粒體又幫助調(diào)節(jié)細胞衰老速度，那么壓力就不僅僅是心理問題。它同時也是代謝問題。

線粒體研究的影響范圍，已經(jīng)擴展到一些曾被認為過于主觀、無法納入生物學(xué)解釋的領(lǐng)域：人格與幸福感。

在長期進行的“巴爾的摩衰老縱向研究”（Baltimore Longitudinal Study of Aging）中，一項分析發(fā)現(xiàn)：血細胞中更高的線粒體DNA拷貝數(shù)——這是線粒體健康的標志——與更長壽相關(guān)的人格特質(zhì)有關(guān)，包括外向性（extraversion）、責(zé)任心（conscientiousness）、開放性（openness）與宜人性（agreeableness），同時神經(jīng)質(zhì)（neuroticism）更低。在一個獨立的意大利隊列中進行重復(fù)驗證后，這一發(fā)現(xiàn)得到了加強。線粒體健康不僅與生存有關(guān)，也與氣質(zhì)特征有關(guān)。

在哥倫比亞大學(xué)，由卡羅琳·特朗普夫（Caroline Trumpff）領(lǐng)導(dǎo)的一項尸檢研究發(fā)現(xiàn)，那些幾十年來報告更高生活滿意度與社會融合感的老年人，其背外側(cè)前額葉皮層（dorsolateral prefrontal cortex）中的線粒體蛋白豐度更高。該區(qū)域是執(zhí)行功能與情緒調(diào)節(jié)的核心區(qū)域。積極的社會心理體驗，能夠在線粒體生物學(xué)層面被實際測量出來。

孤獨則提供了另一面。在一項針對英國生物銀行（UK Biobank）參與者的大規(guī)模分析中，劍橋大學(xué)精神病學(xué)家芭芭拉·薩哈基安（Barbara Sahakian）及其同事發(fā)現(xiàn)，生長分化因子15（GDF15）——一種線粒體能量壓力標志物——是與社會孤立關(guān)聯(lián)最強的蛋白質(zhì)。GDF15升高已被證明與疾病、虛弱和死亡風(fēng)險相關(guān)。

皮卡德提出，大腦會持續(xù)監(jiān)測身體能量狀態(tài)——他將這一過程稱為“代謝感知”（metaboception）。當(dāng)能量需求即將超過供給時，像GDF15這樣的信號分子可能會啟動節(jié)能反應(yīng)，而人們主觀上會體驗為疲勞或焦慮。從這個角度看，社會孤立不僅令人情感痛苦；它可能屬于一種生物能量征稅機制。

值得注意的是，在一項小規(guī)模日記研究中，積極情緒能夠預(yù)測第二天線粒體能量轉(zhuǎn)換效率的提升；但線粒體指標卻無法預(yù)測之后的情緒。盡管這仍屬初步結(jié)果，但這種不對稱性暗示：心理體驗可能比相反方向更容易塑造細胞能量學(xué)。

我們早已習(xí)慣說，與優(yōu)秀的人相處會“讓人充滿能量”。而這個隱喻，或許比我們想象中更接近生理現(xiàn)實。

在一個癡迷于認知增強與人工智能的時代，我們值得記住：智能依賴于維持脆弱而精細的能量平衡。從字面意義上說，照顧我們的身體、人際關(guān)系與環(huán)境，就是在照顧讓思維成為可能的能量。

孕育線粒體的那場演化融合，還帶來了最后一個啟示。復(fù)雜性與智能并非源于統(tǒng)治，而是源于合作。在我們體內(nèi)，古老細菌仍在持續(xù)勞動——它們不是仆人，而是合作者。我們的每一個想法、每一道想象力火花，都由這種細胞層面的安靜合作提供動力。任何形式的智能，本質(zhì)上都是與能量本身的合作關(guān)系。

其中一個重要啟示是：一個適應(yīng)21世紀的大腦，也許應(yīng)當(dāng)理解——并尊重——自己的生物能量基礎(chǔ)。

關(guān)于線粒體的科學(xué)仍在不斷發(fā)展，但我們已經(jīng)知道足夠多的信息，可以提出以下建議：

以支持能量穩(wěn)定的方式飲食

以盡量少加工的食物、充足蛋白質(zhì)、不飽和脂肪（如富含于油性魚類、堅果與橄欖油中的脂肪）以及高纖維蔬菜為核心的飲食，有助于穩(wěn)定葡萄糖供應(yīng)并減少氧化應(yīng)激。相反，過量飲酒與吸煙會直接損傷線粒體膜與DNA。充足營養(yǎng)——尤其是B族維生素、鎂與輔酶Q10（CoQ10）——是高效氧化磷酸化的基礎(chǔ)。

每天運動，并偶爾進行高強度鍛煉

身體運動是刺激線粒體生成的最強因素之一。尤其是有氧運動，能夠提升肌肉與大腦中的線粒體密度和效率。規(guī)律運動不僅能在短期內(nèi)改善情緒，也能擴大身體長期的能量容量。

將睡眠視為生物學(xué)必需品，而非奢侈享受

在睡眠期間，大腦會鞏固記憶、清除代謝廢物，并重新校準能量平衡。線粒體自噬（mitophagy）——即清除受損線粒體的過程——需要穩(wěn)定的晝夜節(jié)律支持。相反，長期睡眠不足會使能量殘骸無法被及時清除，從而縮小適應(yīng)性壓力與氧化過載之間的安全緩沖區(qū)。

將壓力視為代謝問題，而不僅僅是情緒問題

長期心理壓力會轉(zhuǎn)化為線粒體功能和端粒動態(tài)的可測量變化。短暫壓力可能具有適應(yīng)意義；而持續(xù)不斷的壓力則會侵蝕韌性。那些能夠降低主觀威脅感的做法——例如正念、社會支持、親近自然以及有意識地安排恢復(fù)時間——并不是放縱享受，而是一種能量修復(fù)形式。

投資于社會連接

孤獨不僅僅在主觀上令人痛苦；它似乎也具有生物學(xué)代價。積極的人際互動與更高的線粒體效率相關(guān)，而社會隔離則與能量壓力標志物有關(guān)。因此，人際關(guān)系也是我們代謝生態(tài)的一部分。對話、共同目標與歸屬感，或許都有助于維持支撐認知的能量流動。

用“能量預(yù)算”的方式思考生活

衰老或許意味著能量需求與能量供給之間的差距不斷擴大。智慧的一部分，在于把能量分配到真正重要的地方——減少低價值承諾、擁抱恢復(fù)性活動，并理解：節(jié)約能量并非軟弱，而是一種策略。

作者：Hannah Critchlow

譯者：EY

https://aeon.co/essays/how-understanding-bioenergetics-can-help-our-brain-health