Do Mitochondria Talk to Each Other? A New Look at the Cell’s Powerhouse
27:04 Share

闭上眼睛，呼气，感受你的身体放松，放下今天你所承受的一切。

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嘿，听众们，我是瑞秋。自从我开始主持《科学速递》已经一年了，因此，我想请您帮个小忙。我们非常乐意听取您对《科学速递》的反馈，以及您希望我们如何发展的建议。

这就是为什么我们要进行听众调查的原因。如果您在本月完成调查，您将有资格赢得一些很棒的《科学美国人》赠品。您可以在sciencequickly.com/survey找到调查问卷，我们也会在节目说明中提供链接。如果您能花几分钟时间完成调查，我们将不胜感激。我们保证不会占用您太多时间。再次提醒，您可以在sciencequickly.com/survey找到调查问卷。感谢您提前告知您的想法。

科学美国人科学速递，我是瑞秋·费尔特曼。♪

我们今天的嘉宾是马丁·皮卡德，哥伦比亚大学行为医学副教授。他将向我们讲述线粒体、它们为我们做了什么，以及它们如何相互交流。如果您喜欢观看播客而不是仅仅收听，您可以在我们的YouTube页面上查看我和马丁的对话视频版本。此外，您还可以看到我们将要讨论的一些排列的线粒体在行动。

马丁，您能告诉我们一些关于您是谁以及您在哪里工作的信息吗？当然可以。我在哥伦比亚大学工作。我是一名教授，领导着一个线粒体心理生物学家团队。因此，我们试图了解大脑与线粒体的联系，能量以及这些填充我们细胞的小生命体

它们如何真正滋养我们的生命，让我们存在、思考、感受和体验生活。好吧，在我们深入细节之前，您知道，大多数人都知道线粒体是细胞的动力源，有趣的是，《科学美国人》实际上在20世纪50年代创造了这个词。

但首先，让我们从一个非常基本的问题开始，什么是线粒体？是的，1957年，“细胞的动力源”。这是具有里程碑意义的。这塑造了几代科学家。现在，“动力源”的比喻已经过时了。所以是时候换个角度了。实际上，线粒体是小的活细胞器，就像细胞的小器官一样。它们的作用是将我们吃的食物

和我们呼吸的氧气，这两者在线粒体内汇合，并转化为另一种能量。能量既不会被创造也不会被消灭，对吧？这是热力学的基本定律。因此，线粒体不会产生能量，它们会转换储存在食物中的能量，这些能量来自植物和太阳的能量，然后氧气结合起来，然后它们将其转化为少量电荷。它们使

食物，你知道，储存在食物中的能量转化为这种非常易于处理、灵活的能量形式，即膜电位。因此，它们像小电池一样充电，然后为细胞内的所有东西提供动力，从开启基因和制造蛋白质到细胞运动、细胞分裂、细胞死亡、衰老、发育，所有这些都需要能量。生物学中没有什么东西是免费的。好吧，我绝对想深入探讨您关于“动力源”比喻不再适用的话题，因为这似乎非常重要。但在我们讨论这个问题之前，

您最近为《科学美国人》撰写了一篇文章，您称自己为，我认为，线粒体狂热者。我很想听听您的意思，以及您是如何对这些细胞器产生如此浓厚的兴趣的。是的。科学界有一句名言，每个模型都是错误的，但有些模型是有用的。而已经盛行于生物学和健康科学领域的是基于基因的模型，即所谓的生物学中心法则。基因是生命的蓝图，然后它们驱动并决定事物。

我们现在知道这是具有误导性的，它迫使我们认为我们经历的许多事情，许多健康或疾病实际上是由我们的基因决定的。现实情况是，我们是否生病以及何时生病，只有很小一部分是由我们的基因决定的，但它是由我们

我们的运动以及我们与他人、周围世界、我们吃的东西、我们睡多少、我们的感受、我们所做的事情的相互作用而产生的过程驱动的。因此，基于基因的模型最初非常强大和有用，然后我认为它的效用正在下降。因此，“动力源”的比喻推动了几十年的科学发展。

然后，随着科学家们发现了线粒体所做的所有其他事情，我们不断感到惊讶。当你对某事感到惊讶时，例如，那是因为你对那件事物的内部模型是错误的。对。当你的内部模型与现实之间存在脱节时，这就会让你感到惊讶。在过去的15年中，我作为一名学术科学家成长起来。就像每个月都会发表一篇论文，线粒体这样做，线粒体制造激素。

令人惊讶的是，动力源应该只有一个功能。它应该制造或转换能量，对吧？这就是动力源的作用。事实证明，线粒体具有生命周期，它们制造激素，它们确实转换能量，但它们也产生各种信号。它们开启基因，关闭基因，如果它们认为这是正确的事情，它们可以杀死细胞。因此，所有这些功能。我认为作为一个群体，我们不断感到惊讶。

当我们发现线粒体所做的新的事情时。然后，一旦你意识到线粒体的复杂性和惊人的美丽及其真实本质，

那么我认为你必须成为一个线粒体狂热者。我认为我爱上了线粒体。是的。好吧，你触及了线粒体能够做到的一些令人惊讶的事情，但是你能带我们了解一下你的研究吗？你知道，你遇到了哪些关于这些细胞器的惊喜？我看到的第一件事，实际上改变了我的人生，是看到了线粒体彼此共享信息的第一个物理证据。教科书

图片和动力源的比喻表明，线粒体就像这些小豆子

它们四处漂浮，只是制造ATP（三磷酸腺苷），这是细胞的能量货币。偶尔，它们会繁殖出更多线粒体，这些线粒体来自可以生长和分裂的线粒体。这就是动力源的预测。然后我们发现，如果你这里有一个线粒体，那里有另一个线粒体，在线粒体内部，有这些膜。它们就像小线一样。健康的线粒体看起来像散热器，像平行的阵列等等，

并且正是通过这些线，我们呼吸的氧气被消耗，我们吃的食物被转化为这种电荷。这些被称为嵴。

在正常的健康线粒体中，嵴很好地平行排列，并且存在一种直觉上令人愉悦的规律性，它看起来很健康。然后，如果你观察患病器官或患病细胞中的线粒体，嵴通常都杂乱无章，这是出现问题的一个特征，对吧？而且我……

看过数千张图片，并且我在电子显微镜上拍摄了数千张图片，你可以很好地看到这些嵴。而且我从未在教科书、文章或演示文稿中看到过，一个线粒体中的嵴实际上可以被另一个线粒体中的嵴所影响。那天我看到并在我文章中解释的是，这里有一个线粒体。它在这里和这里有组织良好的嵴。嵴都杂乱无章。事实证明，

这个线粒体具有精美组织的嵴的部分，都是该线粒体与其他线粒体接触的地方。因此，线粒体之间的接触有一些东西，对吧？就像一个单元接触另一个单元，一个个体与另一个个体相互作用，并且它们相互影响。一个线粒体的嵴弯曲变形。

从热力学角度来看，弯曲脂质膜是不利的。因此，必须有一些东西将能量带入系统以弯曲膜。然后它们会与另一个线粒体的嵴平行。因此，这些阵列跨越了单个线粒体之间的边界。这与我所学到的或我所认为的或我读到的内容不同。所以这非常令人惊讶。我们第一次看到这个时，我们有这个美丽的3D视频。我和我的同事梅根·麦克马纳斯在一起。

然后她意识到嵴实际上是在排列。我们做了一些统计，很明显线粒体关心周围的线粒体。这是第一个物理证据，表明存在这种信息交换。当你看到这个时，它看起来就像磁铁周围的铁屑。

将铁屑撒在纸上，下面有一个磁铁。你会看到力场，对吧？场是我们看不见的东西，但你只能通过它对某物的影响来看到、理解甚至测量场的强度。

这就是为什么我们将铁屑撒在磁场中以能够看到场的原因。感觉我们在那里看到的是可能存在的潜在电磁场的指纹，对此在60年代有很多讨论、假设和一些测量，但这并不是大多数生物学家认为

认为是可能的。这向我表明，也许“动力源”的说法行不通。你是否面临来自同事的任何反对或一般的惊讶？关于嵴排列？是的。我做了很多工作。我拍摄了很多照片并进行了大量的分析以确保这是真实的。所以，我认为当我展示证据时，你知道，

很清楚。这是真实的。这是否是电磁的，我认为这就是人们会产生一种本能反应的地方，这可能是真实的，这可能是真的。嵴排列是真实的。对此没有疑问。但是否存在潜在的磁场，我们对此没有证据。这是推测。但我认为它会影响一些人，特别是那些接受过严格学术训练的人，他们已经被灌输了一些东西。我认为这

往往会发生在科学领域。我认为如果我们向NIH提交一份研究线粒体磁性的拨款申请，那么获得资助将会困难得多。但是，在接受线粒体交换信息的视觉证据方面没有阻力。我认为，这意味着还需要做更多工作。如果我们看到的是电磁场，那么这意味着什么呢？

我认为这意味着大多数生物医学科学所基于的模型，即我们是一种分子汤，我们是分子机器。

这可能并非事物运作的全部方式。如果我们认为生物学中的所有事物都是由锁钥机制驱动的，对吧？有一个分子结合受体，然后这会触发构象变化。然后是磷酸化事件，然后是信号级联。我们为此建立了一个美丽的模型，一个关于生命如何运作的分子模型。去年，我认为是2023年底，出版了一本精彩的书，《生命如何运作》。

作者是菲利普·鲍尔。他基本上向我们提出了一个非常好的论点，即生命并非由基因决定论来运作，大多数人以及大多数生物学家都认为生命是这样运作的。相反，他带我们走向一个更完整

和更综合的模型，说明生命是如何运作的。在这个替代模型中，它与信息模式有关，信息不仅通过分子携带和转移，也通过场携带和转移。

我们使用场，我们使用光，我们使用各种其他通信方式与技术。大量信息可以通过蓝牙波携带，对吧？场或光。我们非常有效地使用光纤来快速传输大量信息。似乎生物学已经进化到利用这些其他方式的非分子细胞间通讯或有机体水平通讯。有一个新兴的量子生物学领域对此非常感兴趣。

但这与科学界一直在坚持的分子决定论模型有点冲突，我认为，在某些情况下，它已经违背证据一段时间了。没有人能够提出一个合理的、似是而非的分子机制来解释什么会像这样跨线粒体组织嵴。唯一合理的机制似乎是存在某种场，某种组织电磁场会弯曲嵴并组织它们，你知道，跨细胞器，如果这是真的。对。这对我来说有点……

是一种觉醒，它把我变成了一个线粒体狂热者，因为它让我意识到，这是整个事情，整个生物学都是关于信息交换的，线粒体似乎并不像动力源那样存在于小的单元中。它们作为一个集体存在。是的。就像你一样，这个身体，是一堆细胞

你要么认为它是一种分子机器，要么认为它是一个能量过程，对吧？能量在流动。你是你身体的分子，还是你身体中流动的能量？如果你沿着这条思路追问下去，我认为你会很快意识到，流经你身体物理结构的能量

比你也是的物理分子结构更基本。你从根本上来说更像是一个能量过程，而不是你也是的物理分子结构。如果你失去一部分解剖结构，一部分结构，对吧？你可以失去一条肢体和其他，你知道，

你身体的物理结构的一部分，你仍然是你。对。如果你的能量流动不同，或者如果你改变流经你的能量的数量，你就会发生根本性的变化。睡过三个小时，你不会是你最好的状态。当你饿了的时候，你没有吃东西，你也不在你最好的状态。这是一个能量变化，对吧？是的。现在许多经历过严重精神疾病（如精神分裂症和双相情感障碍）的人，现在正在治疗他们的症状。

在某些情况下，通过改变他们的饮食来获得完全康复。我认为，流经他们线粒体的能量类型为理解健康开辟了一种能量范式

理解疾病以及从发育到我们如何衰老的一切，这与我们在自然界中看到的一切相平行。是的。因此，如果我们，你知道，看看线粒体之间的这种社会关系，在你看来，最直接的联系是什么

对我们的健康和福祉的明显影响。是的。因此，我们可以将身体视为一个社会集体。因此，你身体中的每一个细胞，你手指、大脑、肝脏、心脏中的每一个细胞，

都与其他每一个细胞处于某种社会契约中。没有一个细胞知道你是谁或关心你，但每一个细胞在一起，对吧，构成了你，对吧？然后他们一起让你感受并体验你是谁。那种

这种理解清楚地表明，健康的关键实际上是每个细胞之间的协调性。如果你身体中的一些细胞开始做它们自己的事情，并且它们破坏了社会契约，这就是我们所说的癌症。因此，你有一些细胞停止接收来自身体其他部位的信息，然后它们开始变得不守规矩。它们自己行动。它们的生命目标，而不是维持有机体，保持整个系统的协调性，

现在这些细胞的心态，也许从字面上来说，是让我们分裂，让我们制造更多自己，这正是线粒体出现之前，15亿年前，在内共生之前，多细胞生命起源之前，生命的样子。因此，在某种程度上，癌症是细胞破坏了社会契约，

对吧？离开了社会集体，然后他们去实现他们自己小小的目标，这与维持有机体无关，而是维持自身。因此，我认为这个原则有很多证据支持它。然后我们认为线粒体也发生了同样的事情，对吧？因此，分子机器的观点是，线粒体有很多动力源，它们是细胞的奴隶。如果细胞说，我需要比线粒体提供的更多能量，那么它们就会服从规则。线粒体

的观点是，线粒体真正主导了局面。因为它们负责能量的流动，所以它们对细胞是否获得能量、生存、分裂、分化和做所有美好的事情或细胞是否死亡拥有否决权。大多数人都会知道细胞凋亡，即程序性细胞死亡，这是正常发生的事情。我们体内细胞凋亡的主要途径是线粒体说了算。

因此，线粒体拥有否决权，它们可以决定现在，细胞，是时候死了。线粒体并非基于它们自己对世界的“动力源”感知来做出这些决定。它们作为社会集体做出这些决定。你有一些细胞中有数百个、数千个线粒体，它们彼此交谈，并且它们整合了数十个

信号、激素和代谢物以及能量水平和温度。它们基本上充当每个细胞内的一个小型大脑。然后，一旦他们对

有机体的状态以及它们在这个整体中的位置有了适当的了解，那么我认为它们实际上会做出决定，好吧，是时候分裂了，对吧？然后它们向细胞核发送信号，然后开启细胞核中细胞分裂所需的基因。然后细胞进入细胞周期。我们和其他人已经在实验室中证明，你可以阻止一个细胞，

保持活力，也阻止其分化。例如，干细胞变成神经元，这对细胞来说是一个重大的生命转变。人们一直在问是什么驱动了这种生命转变，细胞生命转变。很明显，线粒体是主要的驱动因素之一。如果线粒体不提供正确的信号，干细胞将永远不会分化成特定的细胞类型。

如果线粒体作为一个社会集体存在，那么这对健康意味着我们可能想要做的是促进社会性，对吧？促进身体不同部位之间的串扰。我怀疑这就是为什么运动对我们如此有益的原因。是的，这是一个很好的过渡到我的下一个问题，那就是你认为我们如何促进这种社会性？是的。当情况艰难时，对吧，人们往往会走到一起以解决挑战。

运动对有机体来说是一个巨大的挑战，对吧？你正在推动身体，你正在收缩肌肉，你正在移动或正在进行任何类型的运动。这需要消耗大量能量，这对整个身体来说是一个巨大的挑战。因此，结果是，整个身体需要团结起来以应对这一时刻。如果你疯狂到跑马拉松，推动你的身体三四个小时，

这是一个巨大的挑战。身体只能通过团结一致并作为一个单元协调工作来应对这一挑战。这包括让身体中的每个细胞，身体中的每个线粒体彼此交谈。正是通过这种协调性和这种沟通，你才能创造效率。效率是所有生物学中的一个核心概念和原则。很明显，存在强大的进化力量

推动生物进化到越来越高的效率。动物和生物可以获得的能量是有限的，对吧？世界上总是有有限的食物。如果有食物，并且还有其他人和你在一起，你的社会群体，你需要分享吗？

因此，如果生物进化成尽可能多地吃食物，我们将灭绝，或者我们不会像现在这样进化。因此，很明显，在细胞水平、整个有机体水平以及从昆虫到大型哺乳动物，都有一种对效率的追求。你可以通过几种方式实现效率。其中一种是劳动分工。一些细胞变得非常擅长做一件事，这就是它们所做的。像肌肉一样，它们会收缩。

它们不会释放激素，或者它们会释放一些激素，但不像肝脏，对吧？肝脏滋养身体的其他部位，肝脏非常擅长这一点，但肝脏不擅长整合感觉输入，就像大脑一样。大脑非常擅长整合感觉输入并管理身体的其他部位，但大脑对消化食物或滋养身体的其他部位毫无用处。因此，每个器官都专门化

这就是我们如此惊人的原因。这就是具有器官的身体的复杂多细胞动物能够做如此多惊人的事情的原因，因为整个系统已经利用了劳动分工的原则，细胞、线粒体和器官之间的社会性，这真正使整个系统蓬勃发展。所以运动就是这样做的。因此，当你运动并开始呼吸更急促时，你呼吸更急促的原因是

原因是，你知道，你需要将更多氧气带入你的身体，因为你的线粒体正在消耗氧气。当这种情况发生时，每个细胞都有能力感知其能量状态。当他们感到能量不足时，例如，如果你正在剧烈运动并且你的肌肉在燃烧，身体会说，下次发生这种情况时，我会做好准备。

它做好了准备，它调动了这个程序，这个准备程序，我们称之为运动适应，对吧，通过制造更多线粒体。因此，身体实际上可以在运动后制造更多线粒体。

因此，当你运动时，线粒体正在快速转换食物和氧气，制造ATP。然后器官彼此交谈。然后当你休息并睡觉时，你会失去知觉。然后身体的自然治愈力就可以发挥作用。现在身体说，下次发生这种情况时，我会做好准备。然后它会制造更多线粒体。因此，我们知道，例如，在你的肌肉中，

你可以通过运动训练使线粒体的数量增加一倍。因此，如果你从完全久坐不动变成一名精英跑步者，你肌肉中的线粒体数量大约会增加一倍。这真的很酷。是的。这似乎也发生在身体的其他部位，包括大脑。我知道你的实验室也做了一些关于线粒体和精神健康的工作。你能多告诉我们一些关于这方面的信息吗？

线粒体流动能量的能力支持基本的细胞功能，但它也为大脑和心灵提供动力。

或者我们现在对什么是心灵的最佳理解，意识研究人员对此已经争论了很长时间，那就是心灵是一种能量模式。如果能量的流动发生变化，那么你的体验也会发生变化。代谢精神病学领域中出现的新证据表明，精神疾病实际上是大脑的代谢紊乱。有几项临床试验，有些已经发表，还有更多正在进行中。证据非常令人鼓舞，表明

给线粒体喂食一种叫做酮体的特定类型的燃料可以使有机体保持协调性。从能量角度来看，我们认为这降低了对能量流动的阻力。因此，能量可以更自由地流经神经元和大脑的结构，然后流经线粒体。这就是人们在进行这种医疗酮症治疗时所报告的。他们感觉自己更有活力，有时很快，比如几天后，有时几周后。

然后许多人的精神疾病症状会好转。因此，Metabolic Mind网站为临床医生、患者和指导提供了资源，指导人们如何与他们的医疗团队一起工作，而不是独自进行，而是与他们的医疗团队一起进行。我知道线粒体有一种奇怪的、令人着迷的进化背景故事。你能为我们总结一下吗？它们曾经是细菌。很久以前，大约20亿年前，

地球上唯一存在的东西是活的，是单细胞的，对吧？单细胞细菌，单细胞生物。然后是一些细菌，它们种类不同。然后是一些细菌能够利用氧气进行能量转换。那些被称为需氧的，即消耗氧气的。然后还有厌氧的，不消耗氧气的细菌，它们是发酵细胞。

然后，在某个时候，大约15亿年前，发生的事情是，有一个小的需氧细菌，一种α-变形菌，它要么渗透到一个更大的厌氧细胞中，要么是更大的细胞吞噬了小的需氧细菌，更大的细胞保留了它。然后小的需氧细菌最终分裂，然后变成了线粒体。因此，线粒体曾经是这种小细菌，现在已经成为我们的一部分。

当这种关键的合并发生时，似乎发生的事情是，一个新的生命分支成为可能。是的。动物成为可能。从更大细胞的角度来看，这种获得似乎使以前不可能实现的细胞间通讯成为可能。这似乎是多细胞生命和最初的小蠕虫、然后是鱼类、然后是动物，最终是智人的发展的触发因素。

是的。当它第一次被提出时，这确实很有争议，对吧？是的。琳恩·马古利斯是一位非常棒的科学家，她提出了这个观点。我认为她的论文被拒绝了14次。哇。可能是《自然》杂志，然后是一些其他期刊。14次拒绝。然后最终，她发表了它。

现在这是生物学的一个基石。因此，为琳恩·马古利斯的坚持点赞。线粒体几十年来一直在改变事物，我想。是的，有几项诺贝尔奖专门针对线粒体的动力源功能。

线粒体医学领域诞生于80年代。我的博士后导师Doug Wallace发现，我们的线粒体来自母亲。母亲般的滋养能量通过线粒体遗传下来。这其中有一些美好的东西。是的。非常感谢您到来。这次谈话非常有趣，我非常期待看到您未来几年的工作。谢谢。乐意效劳。

今天的节目就到这里。如果您想查看今天的对话视频版本，请访问我们的YouTube页面。我们将在周五回归，进行一次深入探讨的迷恋。这次探讨的问题是：我们能否利用人工智能与海豚交流？是的，真的。

在您离开之前，请不要忘记填写我们的听众调查问卷。您可以在sciencequickly.com/survey找到它。如果您在接下来的几天内提交您的答案，您将有机会赢得一些免费的《科学美国人》礼品。也许更重要的是，您真的会帮我一个忙。

《科学速递》由我和Rachel Faltman制作，还有Fonda Mwangi、Kelso Harper、Naima Marci和Jeff Dalvisio。本集由Alex Sagiara编辑。Shaina Poses和Aaron Shattuck负责节目的事实核查。我们的主题音乐由Dominic Smith创作。订阅《科学美国人》以获取更多最新的和深入的科学新闻。这是来自《科学美国人》的Rachel Faltman。下次再见。♪