2025年7月16日最新發表在頂級期刊《Nature》雜志上的研究揭示，睡眠的本質可能是細胞“發電廠”線粒體的“維修時間”。當線粒體功能異常，睡眠壓力就會如潮水般涌來;而睡眠，正是線粒體修復損傷、重獲活力的關鍵過程。本期小編就帶您詳細解析這篇高質量研究。
一、“細胞發電廠” 的困境：線粒體為何與睡眠綁定?
在我們的細胞里，線粒體就像一座微型發電廠，通過有氧代謝將食物中的能量轉化為 ATP(細胞的 “能量貨幣”)，支撐著生命活動的每一個瞬間。這個過程的核心是電子傳遞鏈—— 一系列蛋白復合體像接力賽一樣傳遞電子，最終將氧氣轉化為水，同時產生 ATP。
但這座“發電廠”并非永遠穩定。當我們清醒時，大腦神經元處于活躍狀態，線粒體的電子傳遞需求激增。研究以果蠅為模型發現，大腦中有一種專門調控睡眠的神經元 —— 背扇形體投射神經元(dFBNs)，它們對線粒體的“疲憊”格外敏感。
清醒時間越長，dFBNs 的線粒體就越容易陷入困境：電子傳遞鏈中，電子的“供應”超過了 ATP 合成的 “需求”，多余的電子會泄漏出來，與氧氣結合產生活性氧(ROS)。這些 ROS 就像“電火花”，會損傷線粒體膜上的脂質，破壞線粒體結構。為了應對這種損傷，線粒體開始“自我拆解”—— 原本完整的線粒體分裂成碎片，這是一種緊急應激反應，就像工廠出故障時先停機拆解零件。
與此同時，dFBNs 的基因表達也發生了顯著變化：與線粒體呼吸、ATP 合成相關的基因被強烈激活，仿佛在緊急招募“維修人員”;而與突觸傳遞相關的基因則被抑制，就像暫時關閉非必要功能，集中資源應對危機。這種基因表達的“傾斜”，是睡眠壓力上升的分子信號。
圖線粒體功能異常(如ATP 供需失衡、ROS 積累)驅動睡眠壓力
二、睡眠：線粒體的“維修與重啟”程序
當線粒體的“困境信號” 積累到一定程度，我們就會感到難以抗拒的睡意 —— 這其實是身體在提醒：該給線粒體“檢修”了。研究發現，睡眠正是線粒體修復損傷、恢復功能的關鍵過程，主要通過三個步驟完成：
1. 清理受損部件：線粒體自噬激活
睡眠剝奪后，dFBNs 中會出現大量碎片化的線粒體，其中不乏受損嚴重的“廢件”。睡眠期間，細胞會啟動線粒體自噬(mitophagy)機制，清理受損線粒體，就像給工廠配備了 “垃圾清運車”。研究通過熒光標記觀察到，睡眠剝奪后 dFBNs 的線粒體自噬水平顯著升高，而經過恢復睡眠后，這些受損線粒體被大量清除。
2. 重建完整結構：線粒體融合修復
清理完“廢件”后，線粒體需要重新組裝成完整、高效的“發電單元”。睡眠期間，線粒體的融合機制被激活：原本碎片化的線粒體通過融合蛋白(如 Opa1、Marf)重新連接，恢復體積和分支結構。實驗顯示，恢復睡眠后，dFBNs 的線粒體體積、分支長度會反彈至正常水平以上，甚至比清醒時更“強壯”。
3. 平衡能量代謝：電子傳遞鏈重置
睡眠的核心作用，是解決清醒時積累的“電子供需失衡”。清醒時，dFBNs 因神經元受抑制而消耗 ATP 減少，導致電子傳遞鏈中電子“堆積”;而睡眠時，dFBNs 的神經元興奮性恢復，ATP 消耗增加，電子傳遞鏈重新達到平衡，減少 ROS 產生。研究證實，只要打破這種失衡，即使不睡覺，線粒體的損傷也會減輕，睡眠壓力也會隨之緩解。
三、操控線粒體，就能控制睡眠?
為了驗證線粒體與睡眠的直接關聯，研究人員做了一系列“線粒體手術”：
促進線粒體裂變：通過過表達裂變蛋白 Drp1，讓 dFBNs 的線粒體持續處于碎片化狀態。結果發現，果蠅的睡眠時間顯著減少，即使被強制熬夜，也不會出現睡眠反彈(即“補覺”行為)。
促進線粒體融合：反之，通過敲低 Drp1 或過表達融合蛋白 Opa1，讓線粒體保持“完整狀態”，果蠅的睡眠需求明顯增加，覺醒閾值升高(更難被叫醒)。
修復電子傳遞鏈：當給線粒體安裝“電子安全閥”，多余的電子可以被安全消耗，減少 ROS 產生。這時，即使睡眠被剝奪，線粒體碎片化也會減輕，果蠅的睡眠壓力顯著降低。
這些實驗清晰地證明：線粒體的形態和功能狀態，直接決定了睡眠的需求和時長。當線粒體“健康”，睡眠壓力就小;當線粒體“受損”，就必須通過睡眠來修復 —— 這正是“睡眠壓力的線粒體起源”的核心邏輯。
圖2線粒體形態異常是睡眠壓力產生的關鍵中間步驟
四、基于3個核心機制，如何幫線粒體“減負”?
既然線粒體健康與睡眠質量息息相關，那我們能否通過營養手段呵護線粒體，讓它少“喊累”?近年來的研究發現，一些天然成分能針對性改善線粒體功能，或許能成為睡眠的“好幫手”。
1. 尿石素 A：給線粒體 “大掃除”
尿石素A的核心作用是促進線粒體自噬，研究顯示，尿石素A能激活細胞清理受損線粒體的機制，減少碎片化線粒體的積累。對于睡眠不足的人來說，補充尿石素A可能幫助減輕線粒體損傷，緩解睡眠壓力帶來的疲勞感。這與果蠅實驗中“恢復睡眠激活線粒體自噬” 的機制不謀而合。
2. PQQ(吡咯喹啉醌)：催生 “新發電廠”
PQQ的核心作用是刺激線粒體的生物合成。PQQ 可以通過激活相關基因讓細胞“建造新工廠”，增加新線粒體數量。這與果蠅 dFBNs 在睡眠中“線粒體基因上調、修復形態” 的過程類似，能從根源上增強線粒體的“發電能力”。
3. 輔酶Q10：穩定 “電子傳遞鏈”
輔酶Q10是線粒體電子傳遞鏈中不可或缺的“電子載體”，就像傳遞能量的“傳送帶”。在果蠅實驗中，電子傳遞鏈失衡是睡眠壓力的核心誘因;而輔酶 Q10 能增強電子傳遞效率，減輕線粒體損傷。對于因線粒體功能下降導致的睡眠問題(如老年人入睡困難)，補充輔酶Q10可通過穩定電子傳遞鏈，降低睡眠壓力。
五、睡眠：有氧代謝的“必然代價”
從果蠅到人類，有氧代謝為生命提供了高效能量，但也埋下了“隱患”—— 電子傳遞鏈的失衡和線粒體損傷，是有氧生物無法避免的代價。研究指出，睡眠與衰老類似，都是有氧代謝的“必然結果”：就像機器運轉久了需要保養，線粒體在日復一日的“發電”中積累損傷，也需要保養。而好好睡覺，給線粒體足夠的修復時間，或許就是最簡單也最有效的健康投資。畢竟，細胞深處的線粒體健康了，我們的生命活力才能如源源不斷的電流，支撐起每一個清醒的日子。
參考文獻：Raffaele Sarnataro, Cecilia D. Velasco, et al. Mitochondrial origins of the pressure to sleep. Nature (2025)
（責任編輯：華康）
