Почему процесс сна развился у многих животных? В чем его эволюционное преимущество?

Эта хорошая ненаучная статья охватывает некоторые из обычных преимуществ (отдых/регенерация).

Одна из упомянутых ими исследовательских работ (они ссылались на пресс-релиз) была «Сохранение сна: выводы из модельных систем, не относящихся к млекопитающим», Джона Э. Циммермана, доктора философии; Тренды Нейроси. 2008 июль; 31(7): 371–376. Опубликовано в сети 5 июня 2008 г. doi: 10.1016/j.tins.2008.05.001; NIHMSID: NIHMS230885 . Цитата из пресс-релиза:

Поскольку время летаргии совпадает со временем жизненного цикла круглых червей, когда в нервной системе происходят синаптические изменения, они предполагают, что сон является состоянием, необходимым для пластичности нервной системы. Другими словами, для того, чтобы нервная система росла и менялась, должно быть время простоя активного поведения. Другие исследователи из Пенна показали, что у млекопитающих синаптические изменения происходят во время сна и что лишение сна приводит к нарушению этих синаптических изменений.

Я нашел эту статью Бенингтона и Хеллера , которая расширяет ранее упомянутую теорию сна как механизма возобновления метаболизма. Они предполагают, что сон необходим для пополнения запасов гликогена (в основном в астроцитах) в головном мозге. Эти запасы обычно используются для пополнения запасов глюкозы в крови из-за высоких энергетических потребностей мозга.

Предполагается, что это также может приводить к проявлению чувства сонливости как следствие истощения запасов гликогена в определенных небольших областях мозга. Кратковременное и локальное истощение запасов гликогена означает, что клетки работают с меньшими затратами энергии, чем обычно. Это вызывает увеличение синтеза аденозина в результате распада AMP. В документе утверждается, что повышенные уровни аденозина обнаруживаются аденозиновыми рецепторами, которые затем вызывают или усиливают (как видно на снимках ЭЭГ) чувство потребности во сне:

Во время медленного сна (который может в некоторой степени поддерживать теорию, поскольку медленный сон составляет 80% сна и физиологически отличается от бодрствования) этот гликоген замещается наиболее эффективно. Во время медленного сна высвобождение нейротрансмиттеров, вызывающих гликогенолиз, снижается, что позволяет преобладать гликоген-синтазе и восстанавливать уровни гликогена. Однако те же самые нейротрансмиттеры играют ключевую роль в обработке сенсорных стимулов (посредством тонической деполяризации нейронов в сенсорной коре). Следовательно, пополнение запасов гликогена всегда будет связано с (сильно) сниженной реакцией на раздражители .

Это приводит к окончательному ответу на вопрос, почему сон имеет эволюционное преимущество, которое я процитирую дословно, чтобы поддержать импульс авторов:

Пополнение запасов гликогена во время бодрствования было бы неадекватным, потому что это нарушило бы способность организма обрабатывать сенсорные стимулы и реагировать на них. Таким образом, сон превратился в состояние, при котором животные уходят в безопасную среду, подавляется поведение и пополняются запасы гликогена .

Из того, что я узнал, есть две теории для ответа на этот вопрос:

1. Восстановление - организму нужен отдых, чтобы возобновить обмен веществ (если животное активно 24/7, оно будет постоянно расходовать много энергии и обмена веществ). Было показано, что у мышей, которые некоторое время не спали, иммунная система ослаблена.

2. Сохранение - предполагается, что сон дает преимущество в выживании. Ночное время — опасное время, поэтому сон как бы «вынуждает» животное затаиться на несколько часов.

Почему сон сохраняется — довольно легко, зачем он нужен — неизвестно.

Сон необходим любому организму, имеющему мозг , то есть любому организму с любой концентрацией нейронов. То есть когда отрицали это, говорили, что организмы умирают. Таким образом, все, что должно произойти, это то, что польза от мозга перевешивает затраты на сон.

Необходимая продолжительность сна коррелирует с размером мозга, по крайней мере, часть быстрого сна коррелирует со скоростью метаболизма. Теперь это может показаться запутанным в более крупных сложных мозгах (особенно у птиц и млекопитающих), когда организмы начинают сворачивать мозг, чтобы увеличить плотность нейронов без увеличения общего размера. В этом случае эти организмы увеличивают «размер» мозга, не увеличивая его, а увеличивая плотность. Хуже того, некоторые организмы «спят» в течение длительных периодов, но только короткая часть этого времени связана с нервной активностью, связанной со сном (например, REM), сон у более сложных животных (с очень большим сложным мозгом) выполняет множество функций.

У организмов с крошечным мозгом и медленным метаболизмом (то есть у самых ранних созданий с мозгом) сон не занимает много времени, поэтому затраты минимальны, а польза от мозга (и, следовательно, обучения) может быть высокой. Позже, когда мозг становится больше, стоимость увеличивается, но растет и польза, если бы мозг можно было сохранить без потребности во сне, его следовало бы выбрать на этом этапе. Так что, по всей вероятности, потребность во сне является чем-то фундаментальным для функционирования нейронов и не может быть изменена без серьезного нарушения их функции. Нередки случаи, когда неблагоприятные вещи эволюционно запираются таким образом, цена их изменения (в данном случае потеря функции мозга) намного больше, чем стоимость сна, поэтому отбор удерживает ее.

Теперь сложность сна имеет смысл, если у вас уже есть этот необходимый период простоя, имеет смысл эволюционно добавить что-нибудь еще, что лучше всего делать в это время. Лучше использовать триггеры и время для существующих действий простоя для любых других, которые будут добавлены, тогда время простоя будет еще больше. Итак, теперь у нас есть множество смешанных факторов, которые запутывают исследования и затрудняют определение того, какие части являются существенными.

Мы не знаем, зачем нужен сон , есть много идей, но мало доказательств. Учитывая сложность сна, это неудивительно: определить, какие функции являются основными, непросто. В настоящее время существует мнение, что необходимо удалять метаболиты, которые нарушают работу нервной системы. Похоже, что этот процесс сильно разрушает мозг, если мозг бодрствует, до такой степени, что простое отключение мозговой активности (в частности, движения) намного безопаснее. для организма. Но, как и все исследования, это очень предварительное исследование, и сон плохо изучен, поэтому его принятие является и должно быть очень предварительным.