Stułbio, pobudka!

My, ludzie, przesypiamy jedną trzecią życia. I tak naprawdę nie do końca wiemy, dlaczego. Jesteśmy wtedy bezradni wobec ataku drapieżników, nie możemy zdobywać pożywienia ani się przemieszczać. Pomijając rzadkie przypadki tzw. zespołu Morfeusza, objawiającego się występowaniem pobudzenia seksualnego w trakcie snu, nie możemy wtedy powielać genów. Sen występuje także u innych zwierząt, co czyni go zjawiskiem jeszcze bardziej zagadkowym. Wydaje się niebezpieczny i mało praktyczny, ale bez niego nie możemy funkcjonować.

Jednym z pierwszych badaczy snu był Henri Piéron. Na początku XX w. stworzył teorię, wedle której przyczyną snu jest powstająca w mózgu hipnotoksyna. Piéron wpadł na ten pomysł po serii mało humanitarnych eksperymentów, w których nawet przez tydzień i dłużej utrzymywał psy w stanie czuwania, stosując rozmaite zabiegi, które uniemożliwiały im zaśnięcie, a następnie zabijał zwierzęta, pobierał od nich płyn mózgowo-rdzeniowy i wstrzykiwał do układu nerwowego zdrowych, aktywnych psów, które po takim zabiegu dość szybko zasypiały. Francuski psycholog uznał, że w przeszczepionym płynie musiały nagromadzić się wyprodukowane przez mózg molekuły wywołujące senność.

Wszystkie funkcje snu

Rozwój badań nad snem – znacznie mniej inwazyjnych – nastąpił niedługo później, po wynalezieniu elektroencefalografu, pozwalającego rejestrować fale aktywności mózgowej. Wiele dowiedzieliśmy się również dzięki odkryciu w drugiej połowie XX w. mechanizmów molekularnych i genetycznych regulujących cykl dobowy, wspólnych dla bardzo różniących się od siebie zwierząt.

Dziś, po przeszło stu latach badań, jakie upłynęły od eksperymentów Piérona, biolodzy na ogół zgadzają się, że sen nie posiada jednej konkretnej funkcji fizjologicznej, ale jest kluczowy dla prawidłowego przebiegu wielu procesów w organizmie – m.in. wzrostu, usuwania z mózgu zanieczyszczeń, tworzenia połączeń neuronalnych (odpowiadających za zapamiętywanie informacji), regulacji odpowiedzi układu odpornościowego na infekcje, utrzymywania poprawnego działania funkcji poznawczych.

Wciąż jednak nie powstała spójna teoria, która zarówno wyjaśniałaby olbrzymie zróżnicowanie snu wśród dość blisko spokrewnionych zwierząt (tylko wśród ssaków – pancerniki śpią do 20 godzin na dobę, konie ok. 3 godzin, podczas gdy dorosły człowiek przesypia ok. 8 godzin), jak i wskazywałaby rolę, jaką sen pełnił w toku ewolucji – czyli mówiłaby o tym, dlaczego w ogóle się pojawił i jak zaczął wpływać na kolejne obszary życia zwierząt.

Dzięki badaniom z ostatnich lat możemy być jednak pewni przynajmniej tego, że Henry Piéron nie miał racji. Okazuje się bowiem, że można spać bez mózgu.

Układ rozproszony

Pod koniec ubiegłego roku Hiroyuki J. Kanaya, doktorant na Uniwersytecie w Tokio, wraz ze współpracownikami opublikował w „Science Advances” raport z badań nad stułbią pospolitą – niewielkim parzydełkowcem żyjącym w stawach i pozbawionym centralnego układu nerwowego (a więc i mózgu – komórki nerwowe stułbi rozproszone są po całym ciele). Analizując zapis wideo naukowcy ustalili, że stułbie charakteryzuje czterogodzinny cykl naprzemiennych stanów aktywności oraz stanów przypominających sen, kiedy ich ruchliwość znacznie się zmniejsza. Jest to zadziwiająco zbieżne z fizjologicznym cyklem snu ludzi.

– Gdy umieścimy ludzi w pomieszczeniu odizolowanym od jakichkolwiek wyznaczników upływającego czasu, to nasz organizm będzie wykazywać co cztery godziny skłonność do zasypiania – mówi „Tygodnikowi” prof. Marian Lewandowski, kierownik Zakładu Neurofizjologii i Chronobiologii UJ. Zazwyczaj ta potrzeba fizjologiczna jest przez nas tłumiona. – Jeśli jesteśmy wolni od presji dnia codziennego, to skłonność ta ujawnia się wyraźnie w postaci drzemki, która nie musi być konsekwencją lenistwa czy napełnionego żołądka – dodaje prof. Lewandowski.

Gdybyśmy więc na co dzień żyli w warunkach bliższych tym, z jakimi mieli styczność nasi przodkowie, prawdopodobnie regularnie ucinalibyśmy sobie drzemkę, podobnie jak stułbie.

Co więcej, „sen” stułbi można łatwo przerwać – wystarczy skierować na zbiornik wody źródło światła.

– Wyznacznikiem snu – komentuje prof. Lewandowski – wydają się być więc światło i ciemność, do rejestracji których nie potrzeba całego mózgu. Wystarczą neurony reagujące na zmiany natężenia światła.

Stułbie reagowały również na substancje, które wywołują senność u innych gatunków. Gdy podano im melatoninę, hormon powiązany ze snem również u ludzi, zaobserwowano zmniejszenie ruchliwości. Zaskakujące odkrycie dotyczyło dopaminy, neuroprzekaźnika, który u kręgowców wiąże się z pobudzeniem organizmu. U stułbi zaobserwowano odwrotny efekt – wyższy poziom dopaminy zwiększał senność. Zdaniem autorów badania świadczyć to może o tym, iż w toku ewolucji dopamina zmieniła swoją funkcję wraz z wyłonieniem się centralnego układu nerwowego w linii kręgowców.

Rozproszony układ nerwowy stułbi jest interesujący z ewolucyjnego punktu widzenia, ponieważ w podobny sposób musiał być zorganizowany układ nerwowy przodków wszystkich zwierząt, zanim u części z nich doszło do powstania mózgu.

Zaspane meduzy

Przypadek stułbi to już drugie odkrycie stanu przypominającego sen u organizmów pozbawionych centralnego układu nerwowego. Pierwszego dokonał w 2017 r. zespół Raviego Natha, doktora biologii z Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego, który przyjrzał się dobowej aktywności meduz z rodzaju Cassiopea. Badaczom udało się uchwycić wyraźne zmiany w aktywności pulsowania meduz w ciągu doby: w nocy częstotliwość była mniejsza niż za dnia. Zwierzęta poruszały się wówczas o jedną trzecią mniej, a czasem na 10-15 sekund zastygały w bezruchu. Meduzy odczuwały również skutki braku „snu” – gdy pozbawiono je możliwości „nocnego spoczynku”, następnego dnia ich aktywność była o 17 proc. mniejsza i wolniej reagowały na bodźce. Badania nad konsekwencjami braku snu, podobnie jak w czasach Piérona, są ciągle podstawą naszej wiedzy na jego temat.

Kiedy sen wyewoluował? William Joiner z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego sugerował, że ten stan mógł pojawić się już u wspólnego przodka wszystkich zwierząt o dwubocznej symetrii ciała (Bilateria). Najstarszy znany organizm zaliczany do tej grupy, odkryty w 2020 r. Ikaria wariootia, występował około 550 mln lat temu. Jednak linia ewolucyjna parzydełkowców (Cnidaria), do których zaliczamy stułbie i meduzy, oddzieliła się od zwierząt dwubocznie symetrycznych przeszło 100 mln lat wcześniej – co powinno przesuwać czas pojawienia się snu. Ewolucjoniści zakładają bowiem zwykle, że jeśli to samo zachowanie występuje u dwóch spokrewnionych grup organizmów (w przypadku snu: Bilateria i Cnidaria), musiało występować także u ich ostatniego wspólnego przodka.

Sen pozostaje jednak zjawiskiem złożonym i trudnym do jednoznacznego zdefiniowania. Opisane odkrycia nawet tego zadania nie ułatwiają – a to rzutuje na nasze ewolucyjne oszacowania. Większość badań dotyczących snu koncentrowała się przecież wokół mózgu, co dobrze obrazuje tytuł artykułu opublikowanego w „Nature” przez Allana Hobsona, profesora psychiatrii i wpływowego badacza snu z Harvard Medical School: „Sen bierze się z mózgu, przez mózg i dla mózgu”.

Gdybyśmy przyjęli popularny niegdyś pogląd, że głównym wskaźnikiem snu jest aktywność mózgu i naprzemienność faz REM (w której występują szybkie ruchy gałek ocznych) oraz NREM (tzw. sen głęboki, wolnofalowy), odmówilibyśmy snu wielu gatunkom. Nie tylko pozbawionym mózgu stułbiom czy meduzom, ale również niektórym kręgowcom. Kryteria snu spełniałyby w zasadzie tylko ssaki i ptaki, które wykazują zaskakująco podobne cechy snu do ssaków (zachowują jednak napięcie mięśni, aby utrzymać pionową postawę). Trzymając się tego kryterium, musielibyśmy uznać, że sen pojawił się przeszło 300 mln lat temu (kiedy żył ostatni wspólny przodek ptaków i ssaków).

Czujne delfiny

Definicja odwołująca się do zapisu aktywności mózgu wydaje się więc zbytnio zawężać listę gatunków, którym można przypisać sen. Co więcej, według neurobiologów Raviego Allady i Jerome’a Siegela różnice w aktywności mózgu charakterystyczne dla faz snu REM oraz NREM wyłoniły się stosunkowo niedawno i wydają się być powiązane ze strukturą kory nowej u ssaków. Dlatego nie powinno się ich uznawać za ogólną cechę snu. W dodatku dotyczą głównie zwierząt lądowych, gdyż u morskich ssaków faza REM często nie występuje. Może to wynikać z faktu, że niektóre ssaki żyjące w wodzie, takie jak delfiny, śpią, mając aktywną jedną półkulę mózgu, gdyż cały czas muszą pozostawać w ruchu (wynurzać się, by się nie udusić).

Jak zatem zdefiniować sen? Być może wracając do metody z początków psychologii, czyli behawioryzmu. Behawioryści traktują umysł jak „czarną skrzynkę”, koncentrując się tylko na tym, co obserwowalne – czyli zachowaniu organizmu. Behawioralne wskaźniki umożliwiają badanie zjawiska snu wśród innych gatunków – i ułatwiają stworzenie definicji, która odpowiadałaby aktualnej wiedzy. Takim behawioralnym wskaźnikiem może być np. zmniejszona reaktywność na bodźce docierające z otoczenia lub spadek aktywności ruchowej.

– Możliwe, że szukając definicji trzeba będzie oprzeć się na tym, co sen w przypadku wszystkich organizmów żywych, bez względu na organizację ich układu nerwowego, zabezpiecza – zastanawia się prof. Lewandowski. – Możemy mówić o zabezpieczeniu energetycznym, odpoczynku czy regeneracji, ale także o schronieniu przed wrogiem, którego aktywność dobowa jest inna. Przy takim spojrzeniu moglibyśmy mówić o śnie wśród niższych organizmów jako o stanie odrętwienia czy bezruchu – dodaje.

Aktualne pozostaje jednak pytanie, w jaki sposób sen ewoluował – zyskując coraz więcej funkcji.

Czas na rośliny?

W 2019 r. trójka biologów Ron Anafi, Matthew Kayser oraz David Raizen na łamach „Nature Reviews Neuroscience” sugerowała, aby poszukiwania najprostszego śpiącego organizmu poszerzyć o… rośliny. Mogą one poruszać się, reagować na otoczenie i wykazywać silne rytmy okołodobowe. Może więc należy uznać, że i one śpią? Pomysł niewątpliwie kontrowersyjny, ale przed badaniami stułbi i meduz większość biologów nie zgodziłaby się przypisać snu nawet organizmom pozbawionym mózgu.

Badania snu, a zwłaszcza jego ewolucyjnych korzeni, wciąż jeszcze przypominają puzzle, które zostały rozsypane na stole, a naukowcy dopiero zaczynają je układać. Michel Jouvet, nieżyjący już francuski neurobiolog, ujął zaś to następująco: „Połowa naszej obecnej wiedzy o śnie już za kilka lat może się okazać fałszywa. Tyle że nie wiemy, o którą połowę chodzi”.©