動(dòng)物為什么要睡覺(jué)?一直醒著會(huì)發(fā)生什么?

喵奴　Cathy

睡眠對(duì)于我們?nèi)祟悂?lái)說(shuō)是極其平常的一件事——人的一生大概三分之一的時(shí)間都在睡眠中度過(guò)。但是對(duì)于那些在大自然中生活的野生動(dòng)物來(lái)說(shuō)，睡眠卻可能是件危險(xiǎn)的事情。睡覺(jué)的時(shí)候，機(jī)體對(duì)外界刺激的敏感度降低，也就意味著對(duì)危險(xiǎn)的警覺(jué)性降低，這對(duì)于野生動(dòng)物可能是致命的。

那為什么機(jī)體對(duì)睡眠的需求并沒(méi)有被“淘汰”，反而存在于地球上幾乎所有生物中呢？最近，來(lái)自以色列的Lior及其研究團(tuán)隊(duì)提出，睡眠有可能是我們大腦保持清醒的代價(jià)，并在斑馬魚上找到了支持這個(gè)假說(shuō)的證據(jù)。

被選中的斑馬魚

你也許會(huì)問(wèn)，科學(xué)家為什么要用斑馬魚做研究對(duì)象呢？其實(shí)，斑馬魚是一種典型的模式生物（被科學(xué)家廣泛研究，用來(lái)揭示具有普遍規(guī)律生命現(xiàn)象的機(jī)制的生物）。它們?nèi)硗该?，因此科學(xué)家可以觀察正常生理狀態(tài)下活斑馬魚（不用宰了再看）的神經(jīng)元變化。同時(shí)，斑馬魚大腦的結(jié)構(gòu)與人類十分類似，得到的研究結(jié)論對(duì)于理解人類大腦的相關(guān)機(jī)制也具有參考價(jià)值。

對(duì)于哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，是不是處于睡眠狀態(tài)很容易判斷（排除裝睡）——長(zhǎng)時(shí)間閉眼、幾乎一動(dòng)不動(dòng)、一些響聲也無(wú)法將其喚醒。那么，如何判斷魚類是否在睡覺(jué)呢？這可難不倒腦洞大、執(zhí)行力強(qiáng)的科學(xué)家們。早在多年前，科學(xué)家就已經(jīng)建立起了斑馬魚行為學(xué)觀察系統(tǒng)，通過(guò)觀察斑馬魚的行為，對(duì)它們的睡眠狀態(tài)進(jìn)行了定義：睡眠中的斑馬魚運(yùn)動(dòng)量降低（不動(dòng)的時(shí)間超過(guò)1分鐘），同時(shí)對(duì)外界的刺激反應(yīng)更慢（科學(xué)家稱之為“睡眠喚起閾值更高”）。通過(guò)觀察和記錄斑馬魚的活動(dòng)情況，科學(xué)家就能知道它們究竟是處于睡覺(jué)還是在清醒的狀態(tài)。

Lior團(tuán)隊(duì)通過(guò)觀察斑馬魚的睡眠行為，發(fā)現(xiàn)了睡眠對(duì)于大腦不可替代的重要作用。

清醒時(shí)DNA會(huì)不斷受損

在介紹睡眠的作用前，先告訴大家一個(gè)可怕的事實(shí)：在我們清醒的時(shí)候，大腦神經(jīng)元會(huì)不斷積累DNA損傷。這些DNA損傷是哪兒來(lái)的呢？其實(shí)，很多因素都可以造成神經(jīng)元DNA損傷，比如電離輻射、核酶，還有我們的“老朋友”氧自由基，甚至正常的神經(jīng)元生理活動(dòng)也會(huì)造成DNA損傷。舉個(gè)例子，一只小老鼠在本能的驅(qū)使下探索新環(huán)境的時(shí)候，也會(huì)造成神經(jīng)元DNA損傷。

那么，神經(jīng)元的DNA損傷會(huì)這樣一直積累下去嗎？Lior團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，斑馬魚在清醒的時(shí)候，會(huì)大量積累損傷DNA，但是到了睡覺(jué)的時(shí)候，積累的DNA損傷便會(huì)大量消失。這就說(shuō)明，這些損傷的DNA得到了清除，那么，到底是什么在清除這些DNA損傷呢？

根據(jù)之前的研究發(fā)現(xiàn)，一些染色體動(dòng)力學(xué)活動(dòng)（例如染色質(zhì)編排）和大量生物節(jié)律相關(guān)基因的表達(dá)有關(guān)。研究者腦洞大開，認(rèn)為DNA損傷和染色體脫不了關(guān)系，所以他們?cè)O(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了睡眠、DNA損傷和染色體動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系。

清醒需要付出“代價(jià)”

Lior團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，斑馬魚神經(jīng)元染色體在晚上會(huì)更活躍，而在失眠（被人為剝奪睡眠）4小時(shí)的晚上，神經(jīng)元染色體的動(dòng)力學(xué)水平驟降。另外，在“被迫睡眠”（褪黑素處理）3小時(shí)的白天，斑馬魚神經(jīng)元染色體動(dòng)力學(xué)水平明顯上升。這些研究結(jié)果表明，睡眠的確與斑馬魚神經(jīng)元染色體動(dòng)力學(xué)水平相關(guān)。

研究者還觀察比較了DNA損傷及染色體動(dòng)力學(xué)水平在晝夜節(jié)律中的變化，發(fā)現(xiàn)二者呈相反的變化趨勢(shì)——也就是DNA損傷在白天不斷積累，晚上逐漸下降;而染色體動(dòng)力學(xué)水平在白天較低，晚上劇烈提高。這也證明了DNA損傷積累與染色體動(dòng)力學(xué)水平的相關(guān)性。

為了進(jìn)一步研究睡眠、DNA損傷和染色體動(dòng)力學(xué)之間的因果關(guān)系，Lior團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)。

首先，研究者排除了由于神經(jīng)元活動(dòng)升高直接引起染色體動(dòng)力學(xué)水平下降的可能性。在DNA損傷水平最低的時(shí)段（晚上），他們通過(guò)某種化合物抑制神經(jīng)元活動(dòng)。結(jié)果表明，即便神經(jīng)元活動(dòng)下降了，染色體還是該干啥干啥，動(dòng)力學(xué)水平并沒(méi)有任何變化。這說(shuō)明神經(jīng)元活動(dòng)并沒(méi)有直接引起染色體動(dòng)力學(xué)水平的變化。

接下來(lái)，Lior團(tuán)隊(duì)開始摩拳擦掌地驗(yàn)證睡眠、DNA損傷和染色體動(dòng)力學(xué)水平之間的直接關(guān)系。他們想到一個(gè)很好的辦法：向斑馬魚生活的魚缸中添加會(huì)導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂的化合物依托泊苷（etoposide，ETO），同時(shí)觀察斑馬魚染色體動(dòng)力學(xué)水平、DNA損傷和睡眠的情況。

他們發(fā)現(xiàn)，在白天加藥2小時(shí)后，斑馬魚的DNA損傷水平明顯提高，但睡眠時(shí)間和染色體動(dòng)力學(xué)水平并沒(méi)有明顯的變化;撤走ETO 1小時(shí)后，斑馬魚的睡眠時(shí)間開始增加，而染色體動(dòng)力學(xué)水平卻沒(méi)有明顯的變化;在斑馬魚的睡眠時(shí)間增加l小時(shí)后，染色體動(dòng)力學(xué)水平提高了2倍，DNA損傷水平明顯下降。而在晚上添加ETO，會(huì)引起斑馬魚額外的DNA損傷，并且染色體動(dòng)力學(xué)水平出現(xiàn)明顯的下降。這說(shuō)明，神經(jīng)元DNA損傷與染色體動(dòng)力學(xué)水平的提高并不是同時(shí)發(fā)生的。白天引起的DNA損傷積累到一定程度會(huì)誘導(dǎo)斑馬魚進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而睡眠會(huì)引起染色體動(dòng)力學(xué)水平的提高，從而導(dǎo)致DNA損傷水平漸漸下降。

Lori團(tuán)隊(duì)提出的睡眠作用機(jī)制清醒狀態(tài)下（天平左側(cè)），DNA損傷（DSBs）不停積累（黃色標(biāo)注增多），染色體動(dòng)力學(xué)水平（Chromosome dynamics）低（藍(lán)色曲線長(zhǎng)度變化?。核郀顟B(tài)下（天平右側(cè)），染色體動(dòng)力學(xué)水平升高（藍(lán)色曲線長(zhǎng)度變長(zhǎng)），DNA損傷水平降低（黃色標(biāo)注減少）（圖片來(lái)源《Nature Communications》）

這就好比我們生活中車水馬龍的道路，白天車比晚上多，馬路受到的磨損也更多，而修復(fù)馬路的最佳時(shí)間是車少的晚上一樣。睡眠對(duì)于大腦（道路）有益，是因?yàn)樗邥r(shí)染色體動(dòng)力學(xué)水平提高（修路），而這種動(dòng)態(tài)水平的提高是白天積累的DNA損傷（磨損）清除的必要因素。

雖然，同樣的情況并未發(fā)生在神經(jīng)元以外的細(xì)胞里（如表皮細(xì)胞和施萬(wàn)細(xì)胞），但這也足以體現(xiàn)了睡眠對(duì)于我們大腦的重要作用——睡眠可能是彌補(bǔ)我們清醒時(shí)用大腦進(jìn)行各種活動(dòng)付出的“代價(jià)”，睡眠不足的結(jié)果有可能是致命的。

這樣看來(lái)，在感到疲憊的時(shí)候，補(bǔ)覺(jué)還是很有必要的。