Co było pierwsze, sen czy mózg?

Kiedy i dlaczego zwierzęta zaczęły potrzebować snu? Czy posiadanie mózgu jest warunkiem koniecznym?

W badaniu, które może pomóc w zrozumieniu ewolucyjnego pochodzenia snu u zwierząt, międzynarodowy zespół naukowców wykazał, że małe, zamieszkujące wodę stułbie pospolite (Hydra vulgaris) nie tylko wykazują oznaki stanu przypominającego sen pomimo braku ośrodkowego układu nerwowego, ale także reagują na cząsteczki związane ze snem u bardziej rozwiniętych zwierząt, np. melatoninę.

Mamy teraz mocne dowody na to, że zwierzęta musiały nabyć potrzebę snu przed rozwinięciem mózgu – mówi Taichi Q. Itoh, kierownik badań.

Podczas gdy zachowania senne zostały ostatnio odkryte również u meduz, nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z Japonii i Korei wykazało, że kilka substancji chemicznych wywołujących senność nawet u ludzi miało podobny wpływ na gatunek Hydra vulgaris.

Na podstawie naszych ustaleń i wcześniejszych raportów dotyczących meduz możemy powiedzieć, że ewolucja snu jest niezależna od ewolucji mózgu – stwierdza Itoh. – Wciąż jednak pozostaje wiele pytań dotyczących tego, w jaki sposób sen pojawił się u zwierząt.

Podczas gdy sen jest często monitorowany na podstawie pomiaru fal mózgowych, nie jest to możliwe w przypadku małych, bezmózgowych zwierząt.

Jako alternatywę, naukowcy wykorzystali system wideo do śledzenia ruchu, aby określić, kiedy żyjątka były w stanie przypominającym sen, charakteryzującym się ograniczonym ruchem. Dzięki temu zauważono, że stułbie wykazują czterogodzinny cykl stanów aktywnych i nieaktywnych, podobnych do snu.

Co ważniejsze, uczeni odkryli wiele podobieństw związanych z regulacją snu na poziomie molekularnym i genetycznym, niezależnie od posiadania mózgu.

Na przykład, wystawienie stułbi na melatoninę, powszechnie stosowaną jako pomoc w zasypianiu, zwiększyło ilość i częstotliwość snu umiarkowanie, podczas gdy hamujący neuroprzekaźnik GABA, inna substancja chemiczna związana z aktywnością snu u wielu zwierząt, zwiększyła aktywność snu w większym stopniu.

Z drugiej strony dopamina, która normalnie wywołuje pobudzenie u wielu zwierząt, u stułbi powoduje senność, co sugeruje, że niektóre mechanizmy snu zostały zachowane, a inne mogły zmienić funkcje podczas ewolucji mózgu.

Co ciekawe, naukowcy wykorzystali też wibracje i zmiany temperatury, aby zakłócić sen stułbi i wywołać oznaki deprywacji snu, powodując dłuższy sen w ciągu następnego dnia, a nawet hamując proliferację komórek.

Po dokładniejszych badaniach odkryto, że brak snu doprowadził do zmian w ekspresji 212 genów, w tym jednego związanego z białkiem zaangażowanym w regulację snu u wielu zwierząt, w tym myszy, muszek owocowych i nicieni.

Podsumowując, eksperymenty te dostarczają mocnych dowodów na to, że zwierzęta nabyły mechanizmy związane ze snem przed ewolucyjnym rozwojem ośrodkowego układu nerwowego i że wiele z tych mechanizmów zostało zachowanych w miarę ewolucji mózgu – mówi Itoh.

Notka na podstawie materiałów udostępnionych przez Uniwersytet Kyushu.

__

1. Hiroyuki J. Kanaya, Sungeon Park, Ji-hyung Kim, Junko Kusumi, Sofian Krenenou, Etsuko Sawatari, Aya Sato, Jongbin Lee, Hyunwoo Bang, Yoshitaka Kobayakawa, Chunghun Lim, Taichi Q. Itoh. A sleep-like state in Hydra unravels conserved sleep mechanisms during the evolutionary development of the central nervous system. Science Advances, 2020; 6 (41): eabb9415 DOI: 10.1126/sciadv.abb9415