线粒体将生化能量还原为光、热+信息

身体和心灵都需要能量来运转。那么，能量是从哪里来的呢？

太阳通过光子把能量送到地球，植物吸收这些光子，并把能量储存在碳和氧的分离过程中。
当动物呼吸时，它们在线粒体中重新结合碳和氧，产生能量，这些能量用来维持身体的温暖、思维、感觉、心灵和意识。

所以，生命的能量是从光通过化学反应转化而来的。

研究这种能量在生物体中如何转化，特别是如何影响心灵，是线粒体心理生物学的一个挑战。

新的研究发现，能量是连接身体和心灵的基础，它把生物体内的分子过程和我们的主观体验联系起来。建立一个关于生物能量和心理生物学的框架，可以从三个方面推动健康科学的发展：它为研究人和环境的相互作用提供了科学依据，强调健康是一个动态的过程，并可能最终找到优化身体和心灵能量交流的新方法，从而促进人类健康。

身心单元
人类既有身体也有心灵。我们通过对外界的有意识的主观体验——也就是我们在心灵中感受到的东西——来认识自己的存在。而且，据我们所知，拥有心灵的前提是拥有一个活生生的大脑和身体。所以，心灵和身体其实是同一个生物体的两种不同表现。

为了进一步说明心灵和身体是紧密相连的，我们可以看几个例子。比如，当你在公共场合演讲时感到紧张，这种恐惧感会在几秒钟内让你心跳加快、血压升高，甚至手心出汗。对于运动员来说，仅仅是想到比赛，血液中就会充满强大的激素（如肾上腺素和皮质醇），这些激素会释放能量，为即将到来的挑战做好准备。血液中的免疫细胞也会受到大脑和内分泌腺释放的压力激素的影响，这些激素会触发基因的变化，决定基因何时以及如何表达。虽然心灵是主观的，但它却实实在在地影响着身体的生物学和生理学。

另一方面，身体内部的过程也会引发主观体验。比如，运动员在跑步时，肌肉收缩会感到酸痛的灼烧感，可能会因为担心输掉比赛而感到焦虑。其他内感受过程——也就是身体传递给大脑的信号——也会塑造我们的感受、情绪和情感。比如，呼吸困难——气管堵塞导致缺氧——会在几秒钟内引发恐慌。疼痛也会影响我们对未来的活力和乐观态度。身体虽然是客观的生物实体，但它却塑造了心灵。心灵和身体通过双向的能量流相互联系。

那么，这种能量流到底是什么呢？身心单元是一种双向的能量流，能量从一种形式转化为另一种形式。它携带信息，从一个地方传递到另一个地方，将细胞和器官连接成一个协调的整体。如果没有能量来激活身体，生物体就只是几万亿个无生命细胞的集合——它们的基因组、蛋白质和代谢物都会停滞在时间里。但是，有了能量的激活，身体就会活跃起来，并产生心灵：感觉、情绪、思想、观念、希望和爱。身心之间的联系是一种能量联系，研究这种联系在亚细胞水平上是如何产生的，可以为我们理解维持人类健康的力量和机制带来新的见解。

身心之间基于能量的信息传递
将心灵状态转化为身体状态，或者反过来，对生命来说非常重要。但这个过程需要能量。实际上，维持大脑和身体的正常运转消耗了我们每天能量预算（称为基础代谢率）的最大部分。虽然大脑是一个相对较小的器官，但它却消耗了大量的能量。它用这些能量来处理信息、预测未来（有时也会反思过去）、制定计划以及调节生理功能。通过神经和激素，大脑与身体之间的信息传递涉及到动作电位的传递、神经递质的合成、释放、再摄取和降解、突触的形成和修剪、基因的调控等等。在我们生物学的每一个步骤中，大脑与身体交流背后的分子操作都会消耗宝贵的能量。

但能量流动不仅仅让我们活下去，它还塑造了我们是谁。能量为神经元、腺体和肌肉中的离子泵、酶、核糖体和分子马达提供动力。反过来，这些活动又构成了我们行为的基础。动物研究表明，仅仅改变能量转换就会改变动物的行为和应对压力的方式。想象一下，当你与同一个人互动时，他们的能量水平有时很低（比如食物匮乏、深夜、刚跑完马拉松后），有时又很高（比如休息充足、上午早午餐时、喝完一杯咖啡后）。这种互动体验是完全不同的。我们的决定也受到生理和能量状态的影响。能量流动塑造了社会行为——无论是人类还是动物。

从阳光到细胞
除了影响我们的行为，能量流还能产生体热，让我们保持温暖。那么，热量和能量是从哪里来的呢？当然，归根结底，它们来自太阳（见图1）。太阳中的氢通过核聚变产生能量，这些能量以光子（一种电磁辐射）的形式传递到地球上。

光子的能量随后被植物和树木中的叶绿体吸收，并用于完成一个在热力学上看似不可能的任务。叶绿体将大气中的二氧化碳转化为淀粉、水果和蔬菜，同时释放出氧气到空气中。

因此，光子的能量被“锁”在了食物中的新碳碳键中，同时也“储存”在氧气和碳原子可能再次结合的化学可能性中（专业术语叫“电负性”，指的是氧在形成化学键时吸引电子的趋势）。

换句话说，太阳的能量被储存在氧气与食物中碳的分离状态中。如果我们想要释放这些太阳能和热量，我们只需要某种东西来触发碳和氧重新结合的放能反应。

怎么会这样？
其实很简单！只要把一块木头加热到足够的温度，氧气就会以极高的活力“跳”到木头中被锁住的碳碳键上，抢走电子，释放出热量并产生火焰。很快，释放的能量会点燃附近的分子，引发一连串的反应。我们把这种反应叫做链式反应火。在这个过程中，木头的碳键和空气中的氧气都被“消耗”掉了——最终重新结合，变成二氧化碳（CO₂）。这个反应的另一个主要产物就是热量——大量的热量，有时会以破坏性的方式释放出来，而且总是伴随着光。所以，太阳的热量和光通过火焰辐射出来，其实是在氧气的帮助下从有机物中释放出来的能量。

简单来说，木头燃烧的过程就是太阳的能量被“解锁”的过程！

但还有另一种释放太阳能量而不灼伤自己的方法！
地球上的需氧细胞进化出了一种非常巧妙的方式来释放太阳的能量，而不会把自己烧着。这种方法大致分为以下几个步骤：

分解食物：首先，细胞将碳基食物（比如葡萄糖）分解成更小的、容易处理的分子（通常是2-3个碳的长度）。

提取电子：接着，细胞从这些碳碳键中逐个拉出电子，并将这些电子加载到特殊的载体分子上（这些载体分子被称为还原当量）。

电子传输链：然后，细胞利用一系列排列成“电缆”状的金属离子（称为电子传输链），将这些电子从载体分子传递到它们最终的目的地——氧气。氧气是这些电子一直渴望到达的地方，因为它的电负性极强，非常喜欢“抓”电子。

产生电流：当电子与氧气结合时，会产生一种强大的驱动力——热力学梯度，这种梯度就像一种电流（电子的流动）。细胞巧妙地利用这种电子流动的能量，将其转化为可以为生命提供动力的东西，比如ATP（三磷酸腺苷），这是细胞的能量货币。

简单来说，细胞通过这种方式，将食物中的能量逐步释放出来，而不是像燃烧那样一次性爆发。这种方法既高效又安全，让细胞能够利用太阳的能量来维持生命活动，而不会把自己“烧着”。

将原始能量转化为线粒体的复杂性
生命是复杂的，需要多种不同类型的分子操作来维持。如果能量只能转化为一种单一的操作，那么即使有大量的碳-电子-氧能量可用，生命也会因为这种简单性而受到限制。因此，关键在于将电子流转化为一种高度通用且灵活的能量形式，这种形式可以为数十、数百甚至数千种不同的分子操作提供动力。这是通过一种精妙的机制实现的：线粒体。

线粒体是细胞中的“能量工厂”，它们通过一系列复杂的步骤将食物中的能量转化为细胞可以利用的形式。以下是这一过程的简要描述：

1. 电子传输链：线粒体内膜上嵌入了一系列蛋白质，这些蛋白质形成了一个“电子传输链”。电子从食物分子中被提取出来，并通过这些蛋白质“电缆”传递到氧气上。氧气是电子的最终目的地，因为它具有极强的电负性，非常喜欢“抓”电子。
2. 质子泵送：在电子传输的过程中，能量被用来将质子（H⁺，即没有电子的氢原子）从线粒体内膜的一侧泵送到另一侧。这形成了一个电化学梯度，称为线粒体膜电位（ΔΨm + ΔpH）。这个梯度产生的力量非常强大，大约是16,000,000伏/米，比闪电的力量还要大一个数量级！
3. ATP的合成：线粒体内膜上还有一种叫做F₀F₁ ATP合酶的酶，它利用这个强大的电化学梯度来合成ATP（三磷酸腺苷）。ATP是细胞的能量“货币”，它可以将能量输送到细胞的各个部分，为各种分子操作提供动力。
4. 多功能能量：通过这种方式，线粒体将食物中的能量转化为一种多功能且灵活的能量形式，可以为复杂的多细胞生命提供动力。在这个过程中，热量自然产生，甚至可能还会释放少量的光（称为生物光子）。

• 外膜：包裹着线粒体，将其与细胞的其他部分隔开，外膜上含有1,300多种不同的蛋白质。
• 内膜：内膜是电子传输链和ATP合酶所在的地方，氧气在这里吸收电子，为线粒体“充电”。

线粒体的多种功能
线粒体不仅仅是能量工厂，它们还参与了许多其他重要的细胞功能：

• 输入蛋白质和代谢物：线粒体利用膜电位从细胞质中输入数百种蛋白质和代谢物，供给电子载体。
• 信号传递：线粒体吸收信号离子（如钙和钠），并参与代谢神经递质和激素，包括性激素（如雌二醇和孕酮）和应激激素（如皮质醇）。
• DNA合成：线粒体合成制造DNA所需的构件，并帮助复制核基因组。
• 信号分子生成：线粒体产生调节基因表达的活性氧（ROS），并合成铁硫簇和血红素分子，这些分子对细胞的生存至关重要。

ATP：细胞的能量货币
ATP是线粒体合成的最终产物，它是一种化学中间体，能够将能量输送到细胞的各个部分。ATP广泛用于为细胞内的泵、酶、核糖体和分子马达提供动力，这些分子操作支撑着我们的轴突、腺体和其他连接身心过程的器官。

相关：
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• 免疫细胞可以摧毁癌症，但肿瘤通常会逃避这种反应。癌细胞和免疫细胞之间的线粒体双向转移是一种新发现的阻碍抗癌防御的机制。

一步阅读

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