本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：Kestrel
I wake up to sleep while others sleep to wake up.
在南加州海岸附近的巨型褐藻林中，有種看起來像微縮南瓜的生物，叫做馬勃菌海綿（Tethya californiana ）。過去倒也沒人關(guān)注這東西，直到 2017 年，加州大學(xué)圣迭戈分校（UCSD）的神經(jīng)生物學(xué)家 William Joiner 決定來研究一下：它們是否會睡覺。
乍一聽，你可能覺得這個問題挺蠢的。腦子都沒有，睡什么覺？但這幾年，一些對線蟲、水母和水螅的研究沖擊著傳統(tǒng)觀點(diǎn) ——“睡眠是有腦動物的專享特權(quán)”。賓夕法尼亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家 David Raizen 說：“現(xiàn)在，尋找沒有神經(jīng)細(xì)胞但又會睡覺的動物才是睡眠領(lǐng)域的前沿?！?/p>
而海綿動物是地球上最早出現(xiàn)的動物類群之一，是打破傳統(tǒng)觀點(diǎn)的最佳候選人。抓到一只打瞌睡的海綿，可能會直接顛覆學(xué)界對睡眠的定義，改變我們對睡眠目的理解。
科學(xué)家一般將睡眠定義為“暫時失去意識的狀態(tài)”，這一狀態(tài)由大腦所主導(dǎo)，對大腦有好處。所以，研究無腦動物的“睡眠”是有爭議的。不少人就認(rèn)為，水母和水螅身上看到的無反應(yīng)狀態(tài)只能稱為“睡眠樣狀態(tài)”，不能叫“睡眠”。他們不相信這些動物都會睡覺，至少不可能像人類一樣睡覺。
顯然，這涉及到該如何定義睡眠。低等動物當(dāng)然不可能表現(xiàn)出像我們那樣的睡眠特征，但是，假如從水母到人類，有部分睡眠相關(guān)的分子機(jī)制都具有一定的保守性，我們就可以把水母的無反應(yīng)狀態(tài)稱為“原睡眠”?！霸摺?，就意味著它和“睡眠”在演化上有關(guān)聯(lián)。
學(xué)界一直普遍認(rèn)為，睡眠是伴隨脊椎動物的演化出現(xiàn)的。但也有其他科學(xué)家持不同的觀點(diǎn)，他們認(rèn)為，睡眠在最原始的動物出現(xiàn)之后就有了。
“只要是活著的就會睡覺?！比A盛頓大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家 Paul Shaw 提到，最早的生物形式是從沒有反應(yīng)演化出能對外界環(huán)境作出反應(yīng)，而睡眠是回歸到“默認(rèn)狀態(tài)”（default state）。Shaw 認(rèn)為：“我們并非演化出了睡眠的功能，而是演化出了覺醒的功能。”
—— 等等！這句話是不是在哪里聽過？有沒有想起《盜夢空間》里男主尋找強(qiáng)效催眠劑的時候和地下室老者的對話？
“他們每天都來睡覺？”
“不。他們來這兒是為了醒過來。夢境已經(jīng)成為了他們的現(xiàn)實(shí)世界。”
這種觀點(diǎn)貌似有些玄乎，但更有意思的地方，是它隱藏的前提：真的存在沒有所謂“覺醒功能”的動物嗎？植物之所以為植物，真菌之所以為真菌，與它們沒有演化出“覺醒功能”有關(guān)系嗎？
倘若真如此，人類、嚙齒類和其它脊椎動物的睡眠行為就是一種適應(yīng)機(jī)體需要以及生活方式的、高度進(jìn)化的睡眠形式。要研究睡眠行為的本質(zhì)，直接從這些高等動物中恐怕難窺堂奧，還是得去更簡單、更原始的動物類群里面去找睡眠的基本形式。
因此，研究者從果蠅、線蟲找到海綿，又從海綿找到扁盤動物（placozoan，一類變形蟲樣的多細(xì)胞動物）[2]…… 他們發(fā)現(xiàn)，睡眠遠(yuǎn)不止對腦有好處，肌肉、免疫系統(tǒng)以及腸道都可以從中分一杯羹。這些工作可能會讓睡眠領(lǐng)域的焦點(diǎn)從睡眠對復(fù)雜認(rèn)知過程的影響轉(zhuǎn)移到對基本細(xì)胞活動的影響上來。
早期，睡眠的定義來自于它對人“行為的改變”：躺下，閉眼，不動，對外在世界失去覺察 —— 這就是睡眠了。不睡覺的后果也很明顯，比如開會無法集中注意力，甚至開車的時候會打盹。
上個世紀(jì)五六十年代，研究者們漸漸都接受了多導(dǎo)睡眠圖（polysomnography），這種技術(shù)能同時測量大腦活動、眼動和肌張力等指標(biāo)，打造出了定義睡眠狀態(tài)的金標(biāo)準(zhǔn)。神經(jīng)科學(xué)家將電極放在頭皮表面，記錄腦電活動，將人類的睡眠過程分為兩個階段：快速眼動睡眠（rapid eye movement，REM）以及非快速眼動睡眠（non-REM），前者是一般夢產(chǎn)生的階段，而后者以同步化的慢波腦電為特征。
以往的行為和生理實(shí)驗(yàn)早已表明，動物的睡眠特征是多樣的。牛和其它大型食草動物站著睡覺；海豚可以邊睡覺邊游泳，還有一些鳥可以邊睡覺邊飛行，讓一半大腦打著盹，另一半繼續(xù)工作。蝙蝠一天大概睡 20 個小時，而野象只睡 2 個小時。
同時，絕大多數(shù)用電生理技術(shù)研究過的動物，睡眠都至少包含兩個階段，盡管每種動物的細(xì)節(jié)特征可能有所不同。章魚睡眠時體表顏色會變，看起來它的睡眠也是分階段的。
世紀(jì)之交，來自哺乳類以外的動物的睡眠證據(jù)紛紛浮出水面，推動科學(xué)家們開始挖掘演化樹更基部的物種。自然，他們首先就得確定該怎樣定義這些更簡單的物種的睡眠。水母睡覺的時候跟醒著看起來沒什么差別，但你又不能往它們身上貼電極。研究者必須找出這些物種休息的時間和地點(diǎn)，搞清楚它們睡覺時會停止哪些行為；有時候還得戳一戳，確保它們沒反應(yīng)；另外還得看看剝奪睡眠對它們有何影響。
2017 年，加州理工大學(xué)的研究生 Michael Abrams 和兩位同學(xué)用仙后水母（Cassiopea）做了一個實(shí)驗(yàn)。仙后水母喜歡呆在海底，觸手搏動著往上指，好讓共生的光合微生物照到更多陽光。他們發(fā)現(xiàn)，觸手在夜里搏動的頻率從每分鐘 60 次掉到每分鐘 39 次。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證這些水母是否真的“睡著了”，他們搭了個假的“海底”，在實(shí)驗(yàn)中把水母下面的墊子抽開，看看水母發(fā)現(xiàn)海底降低了會有什么反應(yīng)。結(jié)果，夜間的水母看起來“昏昏沉沉的”，游到新的海底的速度比白天慢。他們又制造水流騷擾水母，結(jié)果這些水母第二天表現(xiàn)得不太活躍，好像失眠過似的。最后，給水母用褪黑素（一種調(diào)節(jié)生物鐘的激素），觸手搏動的頻率掉到了夜間水平，就好像人服用褪黑素助眠一樣。注意，水母是沒有真正的腦的，它只有一圈神經(jīng)細(xì)胞叢，分布在鐘狀部分的邊緣。
后來，研究者又抓到了沒有腦卻會打盹的動物 —— 水螅（Hydra vulgaris），它與水母同屬刺胞動物門。日本九州大學(xué)生物鐘專家 Taichi Itoh 等人把水螅放在實(shí)驗(yàn)室的 12 小時光暗交替周期下，拍攝它們的觸手扭動的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光線暗的時候觸手會扭得慢一些 [5]。
以上水母和水螅的研究沿用的是過去的標(biāo)準(zhǔn)，把“反應(yīng)性降低”作為睡眠的表現(xiàn)。此外，也有一些科學(xué)家開始關(guān)注分子層面，在促進(jìn)睡眠的信號通路中尋找發(fā)揮作用的基因。例如，2020 年，Itoh 團(tuán)隊曾報道在被“剝奪睡眠”的水螅中，有 200 多個基因的活性發(fā)生改變；其中有的基因在果蠅的睡眠中也起著作用 [6]。
斯坦福大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家 Philippe Mourrain 說，“我們對睡眠概念的定義從行為和生理的角度越來越多地轉(zhuǎn)向細(xì)胞和分子的角度。睡眠定義的角度越廣，我們越接近對其功能的全面理解。”
對于有腦的動物，睡眠自然對腦有益處，比如鞏固記憶、允許腦脊液沖洗掉有毒的代謝廢物，甚至可能幫助維持腦的突觸可塑性 [7]。但是這些理由對于沒有腦的動物說不通。“既然睡眠特征這般保守，它可能還有更基本的作用，也就是維護(hù)基本的生理過程?！?賓夕法尼亞大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家 Amita Sehgal 評論道。
一些來自無腦動物的線索暗示，睡眠是為能量收支與代謝而設(shè)的。Raizen 團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）僅在代謝需求高的時候打盹；它的幼蟲在蛻皮的那一兩個小時會處于一種類似睡眠的“蔫蔫的 ”狀態(tài)。當(dāng)高溫或紫外線照射引起線蟲的應(yīng)激反應(yīng)時，它們也會“蔫蔫的”。團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，一個叫鹽誘導(dǎo)激酶 3（salt-inducible kinase 3）的蛋白和睡眠、代謝有直接關(guān)聯(lián)。這個蛋白能調(diào)控哺乳動物的睡眠，而在線蟲中，則可以調(diào)動脂肪儲備，提高線蟲的能量代謝水平 [8]。在水螅當(dāng)中，Itoh 團(tuán)隊也發(fā)現(xiàn)了一個既影響代謝又調(diào)控睡眠的基因。
睡眠剝奪研究也表明睡眠會影響代謝。Sehgal 發(fā)現(xiàn)了一種睡眠減少的突變體果蠅，它們的氮元素代謝異常，導(dǎo)致蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)（合成與降解）和含氮廢物處理也不正常，最終導(dǎo)致體內(nèi)積累多胺，造成 DNA 和 RNA 損傷。換言之，當(dāng)我們被剝奪睡眠的時候，受累的可不僅僅是大腦。
例如，2020 年，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物學(xué)家 Dragana Rogulja 就在《細(xì)胞》（Cell）雜志發(fā)表研究，稱睡眠剝奪似乎會影響果蠅和小鼠的腸道 —— 導(dǎo)致活性氧類（reactive oxygen species，ROS）積累，損傷細(xì)胞 DNA 和其他胞內(nèi)物質(zhì)，引起細(xì)胞死亡。Rogulja 猜測，腸道作為多細(xì)胞動物中最早演化出來的器官之一，可能是睡眠最原本的受益者；而隨著動物演化得越來越復(fù)雜，睡眠才發(fā)展出這么多新功能。
如此一來，要搞清楚睡眠的本質(zhì)，就得要研究更原始的、連腸道都沒有的物種了。Raizen 決定研究扁盤動物（placozoan）—— 一類芝麻粒大小、又圓又扁的透明生物，只有兩層細(xì)胞，兩面都有纖毛。扁盤動物沒有神經(jīng)細(xì)胞，細(xì)胞間通過化學(xué)信號溝通以協(xié)調(diào)纖毛的運(yùn)動?？梢哉f，除了某些寄生物，扁盤動物就是地球上最簡單的動物了。
扁盤動物在潮位線的石頭上到處爬，碰到微藻類就停下來進(jìn)食。漢諾威獸醫(yī)大學(xué)的演化生物學(xué)家 Bernd Schierwater 認(rèn)為，扁盤動物慢下來的行為代表著睡眠節(jié)律演化的第一步，讓它們?yōu)橄乱粋€進(jìn)食循環(huán)蓄力。扁盤動物缺乏高功耗的神經(jīng)元，對它們來說，這樣可能就夠了。
在發(fā)現(xiàn)水螅和水母會睡眠之前，神經(jīng)科學(xué)家 Carolyn Smith 也曾覺得扁盤動物會睡覺的想法很愚蠢?？墒乾F(xiàn)在，她甚至懷疑，這些扁盤動物原地轉(zhuǎn)圈的行為也是一種形式的睡眠。暴露在紫外光下，扁盤動物會有畏縮反應(yīng)，利用這點(diǎn)，用紫外光照射就能弄清它們是不是處于“睡著”的無反應(yīng)狀態(tài)。
不過，簡單的動物未必容易養(yǎng)活。Smith 為 Raizen 提供了一些扁盤動物樣品，但它們太挑食，全都掛了。Joiner 在研究馬勃菌海綿時也遇到類似的問題。他與 Scripps 海洋學(xué)研究所的生物學(xué)家 Greg Rouse 合作，精心照料這些海綿，每天上班路上都在海邊為它們打一些海水，因?yàn)轳R勃菌海綿需要吃海水里的微生物。他們把養(yǎng)海綿的水缸固定到恒溫箱里，控制光照和溫度，最后，他們往水缸里加入了磁力攪拌子，終于能夠讓海綿保持在比較健康的狀態(tài)。
Joiner 和 Rouse 在水缸上方架了一臺數(shù)碼相機(jī)，記錄海綿濾食的時候身體的輕微收縮。結(jié)果顯示，水缸里的海綿大概每 3 個小時收縮一下。這個發(fā)現(xiàn)意味著研究者終于找到了一個可靠的、能用來監(jiān)測海綿睡眠變化的行為特征。
澳大利亞昆士蘭大學(xué)圣盧西亞分校的海洋生物學(xué)家 Sandie Degnan 和 Bernard Degnan 研究的則是另一種海綿：分布于大堡礁的海綿 Amphimedon queenslandica。這是首個被全基因組測序的海綿動物，它身上有幾個基因，在其它物種中的同源物表達(dá)水平以 24 小時為周期震蕩 [11]。如今，Degnan 團(tuán)隊觀察到，這種海綿的收縮可能有晝夜節(jié)律，而且局部海綿即使在白天也不會泵水，好像是才上完夜班在補(bǔ)覺似的，這與睡眠已經(jīng)很接近了 [1]。他們認(rèn)為，海綿的周期性休憩可能是為了重新組織自身細(xì)胞、讓自身細(xì)胞恢復(fù)活力，畢竟它們在一天中泵出了大概相當(dāng)于自身體積 1000 倍的水。
接下來，研究人員打算用谷氨酸（在高等一些的動物中是一種興奮性神經(jīng)遞質(zhì)）或者其它藥物讓海綿數(shù)日乃至數(shù)周無休止地泵水，然后看看它們健康狀況是否會受到影響。如果有影響，就可以說明多細(xì)胞動物需要有這樣的周期行為來給組織的修復(fù)和再生留出時間。
如果全身的細(xì)胞都能從睡眠中獲益，我們就可以合理地假設(shè)，全身細(xì)胞對“何時睡眠”都有發(fā)言權(quán)。如此一來，研究睡眠控制的深層機(jī)理，可能會為治療睡眠障礙指出新的方向。畢竟，單單在美國，睡眠障礙就影響著六千萬人的生活。
加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的神經(jīng)生物學(xué)家 Ketema Paul 研究了一種名為 Bmal1 的蛋白。Bmal1 廣泛存在，能夠調(diào)控基因表達(dá)，還可以讓被剝奪睡眠的小鼠保持清醒。直到現(xiàn)在，研究者們都認(rèn)為，這就是大腦產(chǎn)生 Bmal1 蛋白的目的。但是，Paul 團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，被剝奪睡眠的小鼠體內(nèi)的 Bmal1 其實(shí)是由肌肉產(chǎn)生的 [12]！他猜測，這個蛋白可能是一條信號通路的一部分，讓大腦把肌肉的疲勞程度和大腦產(chǎn)生的睡意偶聯(lián)起來。
其它用小鼠做的研究曾顯示，消化道、胰和脂肪組織能產(chǎn)生信號分子，影響睡眠的起止。這些信號分子被稱為神經(jīng)激素（neurohormone）。顯然，了解這些器官對大腦的反饋信號通路，可能為治療睡眠障礙找到新的藥物，新藥不再僅僅作用于大腦，而是可以靶向其它部位。Paul 就認(rèn)為，將來可能會有一種靶向肌肉的 Bmal1 藥物，可以對抗通宵熬夜帶來的不良影響。
十五年前，Mourrain 剛開始研究魚的睡眠的時候，許多人都覺得魚類是不睡覺的。直到兩年前，他的團(tuán)隊研制了適用于魚類的多導(dǎo)睡眠圖，并用這項(xiàng)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，魚 —— 類似于人類 —— 也會經(jīng)歷安靜和活躍的睡眠狀態(tài) [13]。“這是我們領(lǐng)域的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，”Mourrain 說，“它能夠說服懷疑論者，在睡眠領(lǐng)域，魚類堪比哺乳動物，也是很好的動物模型?！?/p>
現(xiàn)在，Mourrain 的團(tuán)隊正在開發(fā)一種新的實(shí)驗(yàn)方法，可以觀察信息是怎樣一個細(xì)胞、一個細(xì)胞傳遞的。他們選擇了大拇指甲蓋大小的透體小魚（Danionella translucida），在它身上使用熒光或者其它類型的標(biāo)記物追蹤魚腦與軀體，觀察不同類型的細(xì)胞是如何隨著時間控制睡眠的，并從中獲益的。
那么，既魚類之后，馬勃菌海綿是能否成為下一種駁斥懷疑者的動物呢？可能沒那么快 —— 它們在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下無法維持足夠久的健康狀態(tài)，難以得出可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊一直在折騰搭裝置的事兒。然后，新冠疫情就暴發(fā)了，實(shí)驗(yàn)不得不停下來，現(xiàn)在甚至找不到足夠的人手來重啟實(shí)驗(yàn)。
那前面提到的會扭動觸手的水螅能不能作為候選呢？讓我們拭目以待。
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