我们为什么要睡觉?

2023.5.4 天涯杂谈 1109

我们每个人都要睡觉,通常是在床上躺下,停止身体活动,闭上眼睛,然后意识逐渐丧失,对外界的情况不再感知和反应,直至醒来。

类似的情形也发生在其他动物身上,例如猫、狗、鸡、鸭等动物都会睡觉。猫和狗睡觉时会卧下,眼睛关闭,身体静止。鸡和鸭睡觉时,可以卧下,也可以单腿站立,头弯过来,将嘴插入自己的翅膀下面,闭上眼,并且维持这样的姿势不动,直至醒来。

睡眠占用大量的时间。人每天要睡大约8个小时的觉,在睡觉期间不能做任何事情,相当于生命时间的三分之一被“浪费”掉了。有记录的,睡眠时间最长的动物要算犰狳(Armadillos,Chaetophractus villosus),每天要睡17-20个小时,也就是一生中大部分时间都在睡觉。在睡眠期间内,动物不能捕食和进食,而且由于意识丧失,不能感知环境的变化并且做出反应,更容易被其他动物捕食,对自然界中出现的危险(如山洪暴发)也不能及时躲避。

也就是说,睡眠的消极作用是很大的。既然如此,为什么动物又要演化出这样一种身体状态?如果演化过程使得动物不需要睡眠,不是可以更充分地利用宝贵的生命时间,也减少在睡眠时出现的危险吗?。

动物普遍要睡眠,说明睡眠对于动物来说一定具有绝对不能缺少的功能,其带来的正面作用一定超过负面效果。1971年,睡眠研究的先驱者,德裔美国科学家阿兰·瑞赫特沙芬(Allan Rechtschaffen,1927-2021)就说过,如果睡眠没有对生命绝对需要的功能,那就是演化过程所犯的最大的错误(If sleep doesn’t serve an absolutely vital function, it is the greatest mistake evolution ever made)。

睡眠的绝对必要性可以从睡眠缺失的后果看出来。人类的睡眠如果被扰乱,第二天的注意力会不集中,开会或者开车时会打盹,思维能力也会下降。长时期强制性地不睡觉更会使人神志不清,判断出错,出现幻觉,甚至精神错乱。有一种罕见的遗传病,叫做致死性家族失眠症(Fatal familiar insomnia),为PrPc蛋白编码的PRNP基因中有一个G到A的突变,使得蛋白中第178位的天冬氨酸变为天冬酰胺(D178N),蛋白变为朊病毒,使与睡眠密切有关的丘脑变性,患者完全不能睡眠,產生幻覺和恐慌發作,最后死亡。

科学实验表明,持续的睡眠剥夺也会导致动物的死亡。如果将大鼠放在水池上方的转盘上,并且监控大鼠的脑电波以判断它们是否入睡,一旦发现大鼠开始睡觉,转盘就会开始转动,大鼠如果不移动位置就会掉入水中,因此一直无法入睡,结果大鼠在剥夺睡眠11天后就死亡。用其它动物如猫、狗、兔做实验,也得到类似的结果,这些动物在剥夺睡眠两、三周内就会死亡。这些事实表明,睡眠对于动物的生存是绝对必要的。

睡眠是神经系统的一种状态。动物的神经系统是动物产生意识,接收外界信息并且加以处理的地方。睡眠时意识丧失,对外界信息不再反应,说明是神经系统的状态发生了变化。脑电图(用贴于头皮上的电极记录到的脑电活动)在清醒期和睡眠期的明显区别就证明了这一点。相反,身体其他器官的工作,例如心脏泵血,肺脏呼吸,肾脏排尿,肝脏解毒等,就没有随着清醒-睡眠周期而明显变化,例如清醒时的心电图和睡觉时的心电图就没有明显区别。

人、猫、狗、大鼠、兔子都是哺乳动物,鸡和鸭是鸟类,都是比较高级的脊椎动物,都具有高度发达的神经系统,包括大脑。他们睡觉,只是这些复杂神经系统需要的吗?脊椎动物中比较低级的爬行动物(如蜥蜴)和鱼类睡觉吗?神经系统更简单的无脊椎动物如软体动物、昆虫睡觉吗?只有神经节而没有脑的线虫睡觉吗?腔肠动物中的水母和水螅只有由神经细胞组成的神经网,连神经节都没有,它们也睡觉吗?如果所有具有神经系统的动物都睡觉,那么睡觉就是所有神经系统的共同需要,而不管这些神经系统有多么简单。研究睡眠对所有这些神经系统的共同作用,也就可以了解睡眠最基本的功能。

所有具有神经系统的动物都睡觉

要知道是否所有具有神经系统的动物都睡觉,首先要给睡眠一个定义。睡眠的重要特征是意识丧失和身体静止,但是麻醉和昏迷也会导致意识丧失和身体静止。现在认为符合以下特征的身体状态才能算是睡眠:

1, 各种动物有睡眠的特征姿势,许多动物还会选择睡眠地点。而动物被麻醉和进入昏迷状态时,并没有特征的姿势和有选择的地点。

2, 能够被迅速唤醒。虽然动物睡眠时一般不再对外界信息起反应,但是强刺激,包括强烈的身体触碰,强声,强光等,可以使动物从睡眠状态迅速变为清醒状态。被麻醉和处于昏迷状态的动物是不能被迅速唤醒的。

3, 动物都需要一定时间的睡眠,因此睡眠有补偿性。如果动物因为某些原因失去了睡眠,再次睡眠时会睡得更长,睡得更深,更不容易被唤醒。而麻醉和昏迷不是动物所需要的,也都没有补偿性,不会由于过去没有被麻醉和昏迷就自己去处于麻醉或昏迷的状态。

4, 受生物钟控制。动物在一天中的睡眠时间大致固定,例如多数动物晚上睡觉,白天活动,而夜行动物白天睡觉,晚上活动,但是都有规律。麻醉和昏迷不受生物钟控制,可以在任何时候发生。

5, 睡眠可以被催眠或者唤醒的化合物所影响。例如褪黑激素和抗组胺药可以促进睡眠,咖啡因会使人清醒。麻醉和昏迷则不受这些物质的影响。

6, 有特征性的表示睡眠的神经电活动。麻醉和昏迷时的神经电活动则复杂多变,随诱因和状况而彼此不同。

按照这些标准,所有被检测过的,具有神经系统的动物都睡觉。下面是通过外部观察发现的各种动物睡眠的情形,顺序是从脊椎动物中比哺乳动物和鸟类低级的爬行类开始,到神经系统最简单的动物水螅。

澳大利亚鬃狮蜥(Australian bearded dragon,Pogona barbata)属于爬行动物,有脑,晚上有8-12小时睡觉。睡觉时腹部贴地,眼睛关闭,身体不动。

鱼类中的斑马鱼(zebrafish)有脑,晚上睡觉,睡眠时身体不动,位置选择在水底或表面,呼吸变慢且不规律。如果在夜间通过敲打鱼缸的方式不让斑马鱼睡眠,下一次睡眠就会睡得更久,但是在白天斑马鱼清醒时敲鱼缸就没有这样的效果。西班牙猪鱼(Bodianus rufus)和濑鱼(wrasse)在晚上很容易被人从水中拿出而没有反应,明显是处于睡眠状态。彩虹濑鱼 (Coris julis)睡觉时会把自己埋在沙里,并且待在沙里从黄昏到天明。鹦鹉鱼(parrot fishes)睡觉时还会分泌一层粘液,将自己包裹起来。

鱼类中比斑马鱼更原始的是属于软骨鱼类的鲨鱼,和斑马鱼一样有脑。它们晚上在洞穴中或礁石下面睡觉,卧在海底,身体静止,对潜水员在附近游动也没有反应,但是在被潜水员拉尾巴时会突然清醒并且逃走。

黑腹果蝇(Fruit fly, drosophila melanogaster)有脑,每天大约有8-10小时处于不活动状态,多数在晚上。如果晚上不让它们睡觉,第二天就会睡得更长。

加州海兔(California sea hare, Aplysia californica)属于无脊椎动物中的软体动物,没有脑,神经系统含有5个神经节。晚上处于身体半收缩的睡眠状态,对水草(食物)刺激和用盐在尾部刺激的逃逸反应都变得迟缓。如果在夜间用频繁转移它们的方法来防止它们睡眠,第二天它们就会更多地处于睡眠状态。如果这些转移发生在白天,海兔就不会增加随后的睡眠时间。

秀丽隐杆线虫(Nematode,Caenorhabtidis elegens)是简单的两侧对称动物,身体呈线状,两头尖,长约1毫米,有302个神经细胞。头部和尾部各有一个神经节,之间有神经索连接。线虫发育过程中要蜕4次皮,每次蜕皮后都有2-3小时的睡眠状态,静止不动,身体有固定的卷曲姿势,不进食,也不容易被唤醒。剥夺这些睡眠会使线虫能够更快和更深地入睡,即进行补偿性睡眠。

倒立水母(Jelly fish,Cassiopea)属于腔肠动物(口同时也是肛门的动物),没有脑,神经系统呈网状。这种水母通常漂浮在浅海底,伞状体朝下,触手朝上,以利于共生的藻类进行光合作用,所以又称倒立水母。伞状体大约每秒收缩一次,用于过滤捕食。晚上收缩频率明显降低,对水流刺激的反应明显变慢,但是在第一次刺激30秒后再用水流刺激,反应就恢复到白天的水平,说明能够被快速唤醒。如果晚上用持续水流不让水母睡觉,第二天白天的活动就减少,对水流的反应也变慢。说明水母也有补偿性睡眠。

水螅(Hydra vulgaris)和水母一样是腔肠动物,没有脑,甚至没有神经节,神经系统呈网状,是具有神经系统的最简单的动物。水螅晚上活动大幅减少,但是闪光能够立即增加身体活动,说明这种类似睡眠的状态能够被“唤醒”。还原型的谷胱甘肽对水螅是食物信号,使得水螅的触手卷曲。但是如果在夜晚给水螅以谷胱甘肽,水螅做出反应的时间会明显延迟,说明睡眠状态的水螅对外界信息不那么敏感。如果在晚上摇动饲养容器来防止水螅睡觉,第二天水螅的睡觉时间会延长,但是在白天摇晃容器就没有这样的效果,说明缺觉的水螅会补偿性地延长下次睡眠的时间。

相反,没有神经系统的动物,如丝盘虫和海绵,就没有表现出睡眠行为。丝盘虫(Placozoa, Trichoplax)身体呈圆盘状,直径约1毫米,由两层细胞组成,能够在水底爬动,以细菌和藻类为食。丝盘虫有数种不同类型的细胞,但是没有神经细胞。丝盘虫在晚上移动和进食活动也不停止。海绵(Sponge,Amphimedon queenslandica)身体类似花瓶,壁上有许多小孔供水进入,再从上部的开口流出,内壁上的细胞则通过纤毛过滤的方式获得食物。海绵的身体也由两层细胞构成,有多种细胞类型,但是没有神经细胞,海绵也没有表现出睡眠行为。

这些事实表明,所有具神经系统的动物都要睡眠,而不具有神经系统的动物则不表现出睡眠行为,说明睡眠是神经系统绝对需要的活动,无论这种神经系统有多么简单。线虫的302个神经细胞和水螅的网状神经系统就需要睡眠,说明睡眠随着神经系统的形成就出现了,而不是等到神经系统复杂到一定程度才出现的。

上面提到的动物的睡眠状态,也被它们在活动期和静止期的神经电活动所证明。我们先介绍人睡眠时脑的电活动,因为它是被研究得最详细的,也代表最复杂的神经系统的状况,再将其他动物睡眠时神经系统的电活动与人的相比较。

人睡眠时脑的电活动

人从睡着到醒来这几个小时的时间中,从外面看似乎没有多少变化,身体基本上都是躺着不动,偶尔翻翻身,眼睛关闭,对外部环境的变化不做出反应,似乎睡眠是一个连续均匀的过程。但在实际上,整个睡眠期间脑部活动大起大落,两种睡眠状态交替出现5-6次。

第一种睡眠状态比较符合我们对睡眠的想象:眼睛关闭以后眼球也不再活动,脑部活动降低。但是第二种睡眠状态就有些出人意料了:眼睛虽然关闭,眼球却在眼皮下快速转动,脑部活动也增加到清醒时的程度。这第二种睡眠状态根据眼球的状态被称为“快速眼动睡眠(Rapid Eye Movement,简称REM)”,第一种睡眠状态没有眼球的快速转动,叫做“非快速眼动睡眠(Non Rapid Eye Movement,简称NREM)”,而且从浅到深分为3期。再加上快速眼动睡眠,整个睡眠过程分为4期,周而复始地出现。为了更简明地区分两种睡眠状态,在后面的文字中我们使用REM睡眠和NREM睡眠的称呼。

第1期是入睡期,即人从清醒转入睡眠的时期,持续约1-7分钟。在这个时期内人睡眠较浅,容易被唤醒,唤醒以后也觉得自己还没有入睡。眼球在闭合的眼内慢速转动,大约2秒钟到4秒钟转动一次。脑电波从清醒休息时频率8-12 Hz的阿尔法(a)波逐渐变为频率3-7 Hz 的西塔(q)波。

第2期持续10-25分钟,意识丧失,心跳呼吸变慢,眼球停止转动,但强刺激仍然能够将人唤醒。脑电波在基础波形上出现两种波。一种是纺锤波(sleep spindle),频率(8-14 Hz)比基础波高,每次持续大约1秒,其中间部分的波幅最高而使这段波的形状类似纺锤;另一种叫做K-复合波(K-complexes),波先是大幅上升,然后又大幅下降,再回到基础波,整个时间持续0.5-1秒。

第3期是深睡期,在此期间唤醒困难,如果被强行唤醒会有一段时间头脑不很清醒。肌肉仍然有一定的张力。脑电波为较慢的大幅波(high voltage slow wave),频率0.5-2 Hz,叫德尔塔(d)波,这个阶段的睡眠也叫慢波睡眠(slow wave sleep),单个神经细胞甚至可以0.3-0.4秒完全没有电信号。

第4期为快速眼动睡眠,眼球快速转动,心跳和呼吸加快,脑电波频率增加,波幅减少,类似清醒时的脑电波,但是波形为锯齿状。梦多在这个期间内发生。而且全身肌肉瘫痪(例如在梦中被人追时想逃跑却无法迈步),但在身体在瘫痪状态下又有突发的肢体抽动。

睡眠从1期NREM开始,经过2期和3期,进入REM睡眠,然后又进入NREM睡眠,再进入REM睡眠,这样重复5-6次,即NREM睡眠和REM睡眠交替出现,每个周期约90-120分钟。

第3期慢波睡眠的时间在第一个周期中最长,在后面的周期中逐渐减少。睡眠剥夺会随后增加慢波睡眠的时间,所以慢波睡眠被认为有恢复神经系统功能的作用。与此相反,REM睡眠一开始比较短,持续5-10分钟,在后面的周期中时间逐渐增加,可以长达40分钟。

婴儿的睡眠时间最长,在16小时左右,其中大约50% 为REM睡眠(约8小时),到成人后睡眠时间缩短为8小时左右,REM睡眠的总时间也缩短到约2小时,因此REM被认为是与大脑的发育有关。学习新的技能后REM在睡眠中的比例增加,因此REM也可能与形成新的记忆有关。

REM睡眠和NREM睡眠并不只是人类特有的睡眠状态。科学研究的结果表明,其他动物,包括低等动物,也有相当于快速眼动期和慢波期的睡眠。

其他动物也有REM睡眠和NREM睡眠

REM睡眠和NREM睡眠在哺乳动物和鸟类中都被测到,在低等动物中也被测到。

狗和猫在REM睡眠期间肢体会抽动。新生的大鼠和小鼠不但肢体会抽动,胡须也会抽动。眼球不能转动的动物如猫头鹰和地鼠(mole)也有REM特征的脑电活动。

马、长颈鹿和大象可以在NREM期间站立,但是在REM期间必须躺下。如果环境让马不愿意躺下,会由于肌肉张力突然丧失而跌落地上,使身体受伤。鸭嘴兽(platypus,Ornithorhynchus anatinus)睡觉时也有快速眼动和嘴的抽动。

鸟类的REM期间非常短,一般短于10秒钟。鸟类睡眠时也会有一部分肌肉保持张力,在REM和NREM期间都能够站立,甚至用一只脚站立。鸵鸟(Struthio camelus)在REM期间头也能抬着,说明鸵鸟的颈部肌肉在REM睡眠期间仍然能够有张力。

鲸类动物如鲸鱼和海豚在水中生活,又必须不时浮出水面换气,不能够长时期睡眠。为了解决这个难题,鲸类动物发展出了两半大脑轮流进行慢波睡眠的机制,因此它们睡眠时有一只眼睁着以观察情况。海豚进行群体游泳时也可以半脑睡觉,这时处于群体边缘的海豚会将朝向群体的那只眼睁着,以跟上群体的游泳。海狗(fur seals)可以进行半脑睡眠,也可以进行全脑睡眠。在陆上进行全脑睡眠时可测到REM。

白冠麻雀(white crowned sparrow,Zonotrichia leucophrys)能够进行半脑睡觉,使其在迁徙过程中一直保持清醒。

绿头鸭(Mallard ducks)也可以进行半脑睡眠。由于睡觉时位于群体边缘的绿头鸭最危险,它们就进行半脑睡眠,这样睡觉时也有一只眼睁着,而且朝着外部方向,以观察敌情。在群体内部的绿头鸭不担任警戒任务,就进行全脑睡眠,两只眼睛都关闭。

澳大利亚鬃狮蜥(Australian bearded dragon)的脑电波显示两种形式,一种是类似哺乳动物慢波的尖锐波形,另一种是活跃的脑电活动,同时眼球在关闭的眼睑中抽动,类似哺乳动物的REM睡眠。两种脑电波非常规律地来回替换,每80秒钟就变换一次。。另一种蜥蜴,南美泰加巨蜥(Tegu,Salvator merianae)也有与眼球抽动相关的特殊脑电活动。

幼年斑马鱼脑中也有两种电活动,一种是大范围同步电活动与静默期交替出现,其最低频率为0.01-0.1 Hz,与哺乳动物的慢波类似;另一种脑波伴随身体肌肉的抽动,类似哺乳动物的REM脑波。

类似频率的慢波也在昆虫脑中被测到,包括蛾子(moth)、蝗虫(locusts)、龍虱(water beetle)、蜜蜂和果蝇。许多昆虫如果蝇和蜜蜂,从幼年期到成虫期,在睡眠时都有触须抽动。

跳蛛(Daniela Roessler)晚上睡觉时倒吊着,身体不动,但是其泌丝器(spinnerets)会摇动,腿也会抽动,类似哺乳动物的REM睡眠。在其生命的头10天,跳蛛幼虫的头是透明的,用放大镜可以看见跳蛛的视网膜在抽动(跳蛛的眼用视网膜的移动来对应不同的视野),这种抽动有规律地持续发生,这相当于是跳蛛的REM睡眠。

墨鱼(cutterfish,sepia officinalis)在清醒时能够变换身体的颜色,这是通过皮肤上色素细胞的收缩与扩张而实现的。墨鱼睡觉时,在海底一动不动,眼睛关闭,身体颜色与图案也与环境相似。但是这种安静状态也会被触手和眼的抽动打断,而且身体的颜色和图案也迅速改变,似乎是在暴露,而不是隐藏墨鱼的存在,类似于哺乳动物的REM睡眠。类似的现象在章鱼中也可以观察到。

水螅的神经系统也有0.05-0.2 Hz的慢波。

这些事实说明,具有REM 特征的睡眠(频率比较高的脑电波或身体的一部分抽动)和NREM特征的睡眠(慢波)在各种脊椎动物和非脊椎动物身上都可以观测到,说明这两种睡眠状态在各种动物的睡眠中广泛存在。

动物演化出了神经系统,却无法让它持续工作,必须花费大量时间和资源来对这套系统进行频繁的“维修保养”。植物和真菌没有神经系统,不是也活得很好吗?动物为什么要发展出这么麻烦的一套系统呢?

答案是,动物吃动物现象的出现,迫使动物发展出神经系统。

动物的神经系统是“吃”逼出来的

要了解动物吃动物,可以先看一下靠“吃”为生的生物是如何出现的。

地球上的生物大约是在37-42亿年前产生的,最初出现的生物细胞里面没有细胞核,叫做原核生物(prokaryote),包括细菌(bacteria)和古菌(Archaea)。它们既可以自养,也可以异养。自养就是自己合成有机物,包括化能生物(利用氧化还原反应产生的能量合成有机物)和光合生物(利用太阳光的能量合成有机物);而异养就是利用别的生物合成的现成有机物。异养生物分泌消化液到身体外,将有机物分解成小分子,再加以吸收。

原核生物有一个共同的特点,就是没有吞食能力,无论是细菌还是古菌都不能吞食别的细菌或古菌。这是因为它们缺乏使细胞膜快速变形,以包裹食物颗粒,将其吞入细胞内的能力。

这种状况在大约22亿年前改变了。经过十几亿年时间,光合作用产生的氧气在数量上终于超过了被地球上的还原物质(例如海洋中的亚铁离子)消耗的量,大气中开始出现氧气。一些细菌也适应了这种情况,利用空气中的氧气进行氧化还原反应,使得细菌能够从食物的氧化中获得更多的能量。这时,一个古菌,据推测是洛基古菌(Lokiarchaeota),偶然地(例如通过机械损伤)包进了一个叫做a-变形菌(a-proteobacteria)的细菌。这个细菌不仅在古菌细胞里面存活,而且还继续利用氧气氧化食物,为自己,也给包裹它的古菌提供能量。这个a-变形菌也就逐渐变为古菌的一种细胞器(细胞内执行特殊功能的结构),即线粒体(mitochondria)。不仅如此,线粒体还能保持有原来变形菌的繁殖能力,在古菌细胞内分裂,产生数量众多的线粒体,给古菌以大量的能量。

有了充裕的能量供应,古菌也就发生许多变化,其中一个变化是用膜将DNA包裹起来,形成细胞核,使DNA与细胞质分开,使古菌变为真核生物(Eukaryote),即细胞中有细胞核的生物。

古菌的另一个变化是发展出了新的蛋白质,包括肌动蛋白(actin)和肌球蛋白(myosin)。肌动蛋白能够聚为长链,而且有正端和负端。肌球蛋白能够以高能化合物三磷酸腺苷(ATP)水解提供的能量,在肌动蛋白的“轨道”上向正端行走。这套系统非常重要,可以执行许多生理功能。动物运动所依赖的肌肉系统,就是由这套系统发展出来的,是动物能够“动”的基础。不仅如此,肌球蛋白也能够结合在细胞的各种结构上,沿着肌动蛋白丝在细胞内“运输货物”。如果肌球蛋白结合在细胞膜上,还能够带着细胞膜向肌动蛋白丝的正端行走,使细胞膜快速变形。

当一些真核生物遇到食物颗粒(例如细菌)时,肌动蛋白纤维就在与细菌接触的地方生长,正端朝向细菌周围,肌球蛋白带着细胞膜沿着肌动蛋白轨道行走,就可以逐渐将食物颗粒包围。这时另一组蛋白(也是真核细胞特有的)让包围细菌的细胞膜彼此融合,食物颗粒就被“吞”进真核细胞内部了,而且还被原来包围它的细胞膜所包裹。原核生物没有肌动蛋白和肌球蛋白,也没有使细胞膜融合的蛋白,因此不可能进行这个过程。

这个功能意义极其重大,从此开启了一种生物“吃”另一种生物的先河。异养原核生物在身体外消化所形成的小分子营养物是“公共资源”,自己不能独占,别的生物也可以享用,而且容易流失(例如被水流带走)。如果先将别的生物吞下,再在自己的身体内消化,就可以占有被吞下生物的全部资源,是获得有机物更有效的方式。

真核生物是不会放过这个机会的,也发展出了在细胞内消化食物颗粒的机制,即向包裹有食物颗粒的小囊内分泌消化酶。原核生物本来就有向细胞外分泌消化液的机制,向小囊内分泌消化酶的过程与向细胞外分泌消化液机制相同,因为小囊内部本来就是细胞外部原来的一部分空间。食物被消化后形成的小分子营养从小囊进入细胞质,类似于从细胞外吸收消化产物,但是在这种情况下,消化产物已经完全归自己所有了。

为了防止小囊万一破裂释放出消化酶对自己的有机物进行消化,真核细胞还使小囊内部变为酸性,消化酶也只在酸性环境中才能工作,这样即使小囊破裂,释放出来的消化酶也因为酸碱度改变,不再具有消化功能,也不能危害真核生物自己了。这样的小囊就逐渐变成真核细胞在细胞内消化外来食物的细胞器,叫做溶酶体(lysosome)。溶酶体就相当于是细胞的“胃”。我们人类吃食时,也是先将食物吞入胃中,再向胃内分泌酸和消化液,再吸收消化产物。

利用和发展“吃”功能的真核生物就发展成为动物,动物就是吃现成有机物的生物。不利用这个功能,仍然通过体外消化获得营养的真核生物,就是真菌(fungus,例如酵母、霉菌、蘑菇)。而通过光合作用自己制造有机物的真核生物就是植物(在广义上也包括藻类)。

一开始动物是单细胞的。现在也还有许多单细胞动物,例如变形虫、草履虫和领鞭毛虫。变形虫是典型的通过改变细胞膜形状包裹食物颗粒加以吞食的例子。草履虫身体形状比较固定,但是有口沟可以吞进食物。领鞭毛虫(choanoflagellate)长有一根长长的鞭毛,它的摆动可以将细菌赶至鞭毛的基部,那里围绕鞭毛的还有一圈比较短的纤毛,叫做领毛,它们组成网,拦住细菌,再通过领毛基部的细胞膜将细菌吞食。从领鞭毛虫的基因分析,它就是现今所有多细胞动物的祖先。

大约在6-7亿年前,多细胞动物产生了,至今存活的,最原始的多细胞动物就是海绵(sponge)。海绵身体类似花瓶,瓶壁上有孔,内壁就是一层和领鞭毛虫非常相似的细胞,叫领细胞。它们的鞭毛协同摆动,带着海水从瓶壁上的孔进入,再从上方的口流出。海水中的细菌被领毛阻拦,再被领细胞吞食。所以海绵其实是多个领鞭毛虫集体捕食,每个领细胞各自消化食物。海绵是不移动身体的,属于“守株待兔”型。最早的疑似海绵的化石在非洲的纳米比亚发现,有7.6亿年的历史。更为确定的海绵化石在阿曼南部被发现,有6.35亿年的历史。在中国贵州发现的瓮安生物群中,也有海绵化石,时间大约在6亿年前。

丝盘虫(Trichoplax)是最简单的,自己能够移动捕食的多细胞动物。它的身体呈圆盘状,直径约1毫米,由上下两层细胞组成。丝盘虫通过腹面细胞的鞭毛摆动而在海底爬动。当遇到食物(贴于海底的藻类和细菌菌落)时,丝盘虫覆盖在食物颗粒上,与食物接触的地方凹进,部分将食物包围,分泌消化液将食物消化,再吸收消化产物。所以丝盘虫的进食方式已经是半体内(凹进的临时体腔)加细胞外消化。丝盘虫基因中内含子的位置有80%可以在人的基因中找到,染色体中基因的排列顺序也和人相似,所以丝盘虫可能是人类最早的多细胞动物祖先。

丝盘虫包围和消化食物的凹进结构如果凹得更深,身体就变为管,类似于现在的水螅(hydra)。水螅的身体为管状,也由两层细胞组成。管的上端开口,成为口和肛门,下端附着在水底的物体上。口的周围有几根触须,也由两层细胞组成,但是比身体细一些。触须可以弯曲,将捕获的食物送入口中,再在体腔内进行消化。所以从水螅起,动物的进食行为就是体内消化加细胞外消化,和单细胞动物的体内消化加细胞内消化不同。我们人类也进行体内消化和细胞外消化。食物在体内的胃中,被胃分泌的消化液所消化。

在5.6亿到5.5亿年前,即在寒武纪(大約5.41亿年前-4.854亿年前)生物大爆发前,动物的种类增加了,例如在埃迪卡拉时期生物群(Ediacara biota,大约6.35-5.39亿年前)中两侧对称的动物狄更逊蠕虫(Dickinsonia)、约吉亚虫(Yorgia)、 金伯拉虫(Kimberella),三侧对称的三臂虫(Tribrachidium), 四侧对称的四瓣虫(Conomedusites), 五侧对称的五轮虫(Arkarua),和八侧对称的八臂仙母虫(Eoandromeda)等。这些动物的身体都是软体的,以海底的藻类或细菌为食。

这些动物在5.5亿年前留下了大量化石样品,但是没有一个样品显现出有身体伤害的痕迹,例如愈合的伤口,或者被撕碎的身体碎片等。这说明在5.5亿年前,这些动物还没有被别的动物攻击过,有可能当时的动物还没有发展出攻击并且吃掉别的动物的手段。

然而比起植物来,动物是更好的食物,因为动物之间身体的组成更为相似,没有植物中那些难以消化利用的成分。同样重量的食物,动物来源的利用率就比植物高,所以动物以别的动物为食是早晚的事。

大约在5.5亿年前,动物攻击动物的情形真的出现了:克劳德管虫(Cloudina)化石身上就有了明显的伤口痕迹。在这个时期,上面提到的那些软体的,无防卫的动物大多消失了,取代它们的是与现代动物更类似的物种。尖刺和牙齿等攻击性结构,用于防御的钙化的外骨骼和身体表面各种形状的“盔甲”都开始出现,说明动物之间捕食与反捕食的斗争开始了。

然而动物捕食动物是困难的。动物一般在动,要捕获动物,需要了解动物的位置以及运动的方向和速度,再根据这些情况做出相应的捕食动作。这就需要有信息感知系统,信息分析系统和反应系统。整个过程必须足够快,否则就不能成功地捕获猎物,而这个任务是过去的信息传递机制所不能完成的,必须发展出新的,快速传递信息的机制,这就是神经系统。前面所说的那些多细胞动物,包括海绵,丝盘虫和埃迪卡拉生物群中的动物,都不以动物为食,它们也不需要神经系统。而以动物为食的动物就都发展出了神经系统。

一个好的例子是上面谈到过的水螅。水螅的一种食物是水蚤,一种甲壳刚的动物,能够游泳。要捕获水蚤,需要感知水蚤的存在和位置,以及身体的协调活动,没有神经系统是做不到的,水螅也就成为现存的具有神经系统的最简单的多细胞动物。

因此,神经系统也大约是在动物开始吃动物的时期出现的。最早的神经系统存在的证据来自5.2亿年前的三叶虫(Tribolite)的复眼,它收集的视觉信号是需要神经系统来解读的。水螅为刺细胞动物,而刺细胞动物在大约5亿年前出现。因此神经系统出现的时间大约是在5亿年前。

动物之间捕食与反捕食的斗争一旦开始,神经系统也就不断演化。捕食者需要更敏锐的感觉,更快的动作,以及更为强大的捕食工具(刺,爪、牙等),被捕食者需要更快地发现捕猎者以及更快的逃跑速度。这种演化压力使得神经系统越来越复杂和高效。

由于神经系统能够对动物的捕食与反捕食机能提供巨大的优越性,也就成为动物必不可少的配备。神经系统的工作方式又非常独特,一旦产生,就难以从根本上改变,也就一直以同样的方式工作,从最简单的水螅到哺乳动物和鸟类,神经系统的基本结构和工作原理都一脉相承。

所有的神经系统都以同样的方式工作

神经系统的工作方式与身体的其他器官完全不同。在身体的许多器官中,同类型的细胞执行同样的功能,单个细胞的工作就代表整个器官的功能,器官的功能也就是其中每个细胞功能的总和。例如肝脏中的每个肝细胞都执行同样的化学合成和解毒功能,小肠上皮细胞都执行同样的吸收营养的功能,每条肌肉中的肌肉细胞都执行同样的收缩功能等。它们的功能状态受整体器官的控制,细胞之间的信息交换比较少。

与此相反,神经系统以网络的方式进行工作,神经细胞之间有频繁和复杂的信息传递,每个神经细胞的状态都根据其在网络中的位置不同而与其它神经细胞不同,单个神经细胞功能也不能代表整个神经系统的功能。

根据功能的不同,神经细胞大致可以分为三类,第一类为感觉神经细胞,它们感知外界信息,并且将信息传输给第二类神经细胞,即分析和处理信息的细胞,第三类神经细胞从第二类神经细胞接收指令,传输给反应器官(例如肌肉)。

感觉神经细胞通常发出一根或多跟纤毛,上面有各种感觉受体,例如视觉受体、味觉受体、嗅觉受体,机械力受体(如触觉)、温度受体等。收到的信号通过一根长的纤维叫轴突(axon)的传输给处理信息的神经细胞。

处理信息的神经细胞用树突(dendrites,神经细胞发出的像树枝样分支的纤维)接收来自感觉神经细胞的信息,以及上一级处理信息的神经细胞的信息。处理的结果通过轴突传输给下一级处理信息的神经细胞。发出指令的神经细胞用树突接收第二类神经细胞发出的指令,用轴突将指令传输到效应器官,因此所有三类神经细胞都用轴突传出信息。

问题是神经系统用什么方式传递信息。在神经系统出现之前,生物的信息传递基本上是靠分子在液体中的扩散。体外的信息分子通过扩散到达细胞表面的受体,受体向细胞内传递信息,也是通过分子扩散。而分子扩散是非常缓慢的过程,信息分子的运动是在水介质中进行的,在密密麻麻的水分子面前,信息分子只能通过与水分子的无数次碰撞才能够从浓度高的地方曲曲折折地到达浓度低的地方。放一勺糖到一杯水中,如果不加以搅拌,过了很长时间上层的水仍然不怎么甜,尽管糖已经完全溶化在下层的水中。要分子足够快地到达目的地,距离就不能太大,所以细胞的尺寸都是微米级的。

但是神经系统必须在厘米,甚至几十厘米的距离上快速传递信息。这个任务决不是分子扩散过程能够胜任的,必须有全新的信息传递方式,这就是神经细胞对膜电位的巧妙运用,让它在一个方向上连续翻转。

膜电位是细胞膜两边存在的电位差,膜外为正,膜内为负,大小一般为几十毫伏,由细胞膜内外离子的组成和浓度不同而产生,其中起主要作用的是带正电的钠离子(Na+)和钾离子(K+),以及带负电的氯离子(Cl-)。我们身体里面所有的细胞都有这样的膜电位,并非为神经细胞所专有,但是只有神经细胞利用膜电位来在长距离上迅速传递信息,这主要是通过神经细胞所具有的一种特殊的钠离子通道来实现的。

神经细胞的膜电位大约为负70毫伏(-70 mV,负号表示膜内为负)。当神经细胞通过树突接收信息时,有钠离子在接收信息处进入细胞,使膜电位降低,而且多处信息输入造成的膜电位降低可以叠加。当膜电位降低到一定程度,即到达阈值,大约为-55 mV时,轴突与细胞体连接处(叫轴突丘 hilllock)上一种对电位敏感的钠离子通道开启。由于细胞外的钠离子浓度大大高于细胞内部,外面的钠离子会经过这种通道到达细胞膜内侧。因为钠离子是带正电的,这会使膜电位进一步降低,使更多的钠离子通道开启。这种雪崩式的过程使得轴突丘区域的膜电位完全消失,甚至发生翻转(变为膜内为正),叫做神经细胞的“去极化”。

大约在1毫秒的时间内,这些钠离子通道自动关闭(这是这种钠离子通道的另一特殊之处),而且暂时不对膜电位起反应。进入膜内的钠离子向周围扩散,降低周围的膜电位,开启周围对电位敏感的钠离子通道,触发周围细胞膜的去极化。周围的去极化又会触发更远区域的去极化,这样膜电位的翻转就可以一直传递下去。由于轴突的结构是线性的(即总体看是2维的),原来的钠离子通道又还暂时不对膜电位的变化起反应,膜电位的翻转就只能向着轴突远端的方向传递下去,这就是神经细胞沿着轴突传递信号的方式,用电极记录下来就是一个持续1-2毫秒的膜电位变化,称为神经脉冲。

在信号传递下去后,轴突膜上的钠离子泵会将进入细胞的钠离子泵回细胞外面,恢复原来外正内负的膜电位,对电位敏感的钠离子通道也恢复激发前的状态,轴突又可以再发出神经脉冲。这个过程进行得非常快,只需要1-2毫秒,因此同一根神经纤维每秒钟可以发出数百个神经脉冲。

神经脉冲传递的过程也涉及离子扩散,但是钠离子并不是从轴突的一端扩散到另一端,而是采取接力的方式,每个钠离子扩散的距离只在纳米范围,信息的接力是通过电场变化和电场变化触发的钠离子通道开启来实现的,而电场变化的信息传递可以说是瞬时的,钠离子通道的开启也非常快,这样轴突传输信息的速度比分子扩散快多了,最慢的也有0.5米/秒。如果用比较粗的轴突传递信息,还用绝缘层把轴突包裹起来以防“漏电”,脉冲的传播速度可以达到100米/秒,比百米赛跑的奥运会冠军还快10倍。这样的速度使得动物的有效捕食或者及时逃跑成为可能。

信息通过轴突快速传输的问题解决了,这个神经脉冲携带的信息又如何被传输到接收信号的细胞中去呢?这就是突触的作用。突触(synapse)是轴突末端的膨大部分,贴在接收细胞的细胞膜上。根据信息传输的方式又分为电突触和化学突触两种。

电突触直接将电信号传入接收信息的细胞。两个细胞在突触处有由连接蛋白(connexin)组成的通道,沟通两个细胞的细胞质,钠离子可以通过这些通道从发出信息的细胞进入接收信息的细胞,直接将电信号传播过去。电突触的优点是快速,几乎没有滞后时间,能够使许多神经细胞同步活动,缺点是信号的性质不能改变。

化学突触不沟通两个细胞的细胞质,而是通过发出信号的神经细胞分泌出的分子在细胞之间传递信息,这些分子也就因此被称为神经递质(neurotransmitter)。分泌神经递质的突触结构叫突触前(presynase),接收这些信息的对应结构叫做突触后(postsynapse),通常是树突上长出的小凸起,叫做树突棘(dendritic spine)。神经递质分子被突触前分泌出来后,扩散过突触前和突触后之间的缝隙,到达树突棘,与上面的信息分子受体结合,触发接收信息细胞里面的信息传递链,将信息传递过去。由于神经递质可以有多种,效应彼此不同,一些起激发作用,另一些起抑制作用,上一级神经细胞传递出的信息就可以转变为多种类型的信息,使得神经系统处理信息的功能更为强大,所以在各种动物的神经系统中,绝大多数神经细胞都用化学突触来传递信息。

在化学突触形成过程中,突触前的神经连接蛋白(neurexin)与突触后的神经配蛋白(neurogilin)彼此结合,形成突触连接。将这两种蛋白表达在非神经细胞中,也能够形成类似突触的结构,说明它们在突触的形成中起关键作用。这两种蛋白在刺细胞动物中才出现,在海绵和领鞭毛虫中还没有发现,因此它们的出现与神经系统出现的时间相吻合。在脊椎动物和非脊椎动物的前突触中,有大约120种蛋白是共同的,表明所有动物突触的基本结构都相似。

每个分析处理信息的神经细胞从数十个到数万个神经细胞获得信息,又将信息传输给数十个到数万个别的神经细胞,组成复杂的神经网络。这些网络是如何分析处理信息的,是现在科学研究的热点,有许多模型来模拟神经网络处理信息的方式,包括现在能够进行深度学习的人工智能。举个简单的例子,如果神经细胞将被活化而发出神经脉冲的阈值调得很高,就需要多个神经细胞的信息输入才能触发一次神经脉冲,这样组成的逻辑线路就是“和”。如果神经细胞将阈值调得很低,单个信息输入就可以触发神经脉冲,就看是哪个神经细胞传来的信息,这样的逻辑线路就是“或”。由于每个神经细胞都有庞大的树突系统,每个分支都可能独立进行这样的逻辑运算,一个神经细胞就可以具有强大的信息处理能力。

在各种动物的神经系统中,不仅神经细胞的基本结构彼此相似,它们使用的神经递质也是一脉相承,高度保守的。

动物使用的神经递质高度保守

神经递质分为肽类物质和小分子,两者出现的时间都非常早。肽类分子由几个到几十个氨基酸线性相连而成,由于生物使用的氨基酸有20种,仅由5个氨基酸组成的肽链就可以有20x20x20x20x20=3200000种形式,因此短短的肽链就能够携带非常丰富的信息,也早就被所有生物作为信息分子使用,包括原核生物的细菌和古菌,真核生物中的植物,真菌和动物。

小分子神经递质有的本身就是氨基酸(例如谷氨酸、甘氨酸),或者是氨基酸的衍生物,如组胺(histamine,可以由组氨酸变化而来)、多巴胺(dopamine,可由苯丙氨酸和酪氨酸变化而来)、血清素(serotonin,从色氨酸变化而来)、g-氨基丁酸(GABA,由谷氨酸变化而来)。也有非氨基酸类的小分子神经递质,如腺苷、乙酰胆碱等。

还没有神经系统的丝盘虫就已经使用这两类物质来接收和传递信息了。丝盘虫的重要食物为细菌,可以通过细菌分泌的谷氨酸来探测到细菌。谷氨酸可由三羧酸循环中的a-酮戊二酸生成,又是合成谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸的前体分子,在细菌的细胞内的浓度比较高,也常被分泌到细胞外(例如在调节渗透压时),成为有细菌存在的信号。丝盘虫在探测到谷氨酸时,会驱动腹面鞭毛摆动,向谷氨酸浓度高的地方前进。当丝盘虫覆盖细菌并且分泌酸和消化液去进行消化时,细菌为对抗酸性环境,会将谷氨酸脱去羧基,变成g-氨基丁酸(英文缩写GABA)。GABA的出现就告诉丝盘虫:食物已经捕获并正在消化,别再动了!这时丝盘虫中感知GABA的细胞会分泌肽类物质,让鞭毛停止摆动,以便让丝盘虫停在食物上方进食。

在这里,谷氨酸是促使鞭毛摆动的信号,相当于是起兴奋作用的;GABA相反,停止鞭毛的摆动,相当于是起抑制作用的。这两种分子相反的功能也被动物继承和保留下来,一直使用。在所有的神经系统中,谷氨酸都是主要的起兴奋作用的神经递质,它使接收信号的神经细胞膜电位降低,因而更容易被激发;GABA则成为动物神经系统的主要抑制性神经递质,它使接收到信号的神经细胞膜电位升高,因而更不容易被激发。在拥有最简单神经系统的动物水螅中,谷氨酸就促进身体和触手的收缩,而BABA则抑制身体和触手的收缩。在人类大脑中,90%以上的兴奋性神经递质仍然是谷氨酸,90%以上的抑制性神经递质仍然是GABA。

谷氨酸和GABA的这两种作用也在睡眠的调节中起作用。谷氨酸起兴奋作用,使动物保持清醒,而GABA起抑制作用,使神经细胞活动降低,进入睡眠状态。在各种动物的神经系统中,谷氨酸都是促进清醒的物质,而GABA都是促进睡眠的物质。在拥有最简单神经系统的水螅中,GABA就是促进睡眠的物质。在果蝇和线虫中,使GABA受体持续起作用的突变也促进这些动物的睡眠。现在人类使用最多的催促进睡眠的药物安定(地西泮,苯二氮卓类药物)也是通过作用于GABA受体起作用的。这些事实说明控制睡眠状态的小分子神经递质在动物中是高度保守的。

到了两侧对称动物,有更多的小分子被当成神经递质,例如甘氨酸、组氨、血清素、多巴胺、奥克巴胺(octopamine)等。它们也以各种方式影响睡眠。例如组氨是起兴奋作用的,在哺乳动物和果蝇中,组氨都能使动物处于清醒状态,而抗组胺药则使人产生睡意。羟嗪(hydroxyzine)是一种组胺受体的拮抗剂,能够加速和增加果蝇和扁虫(Girardia tigrina)的睡眠。多巴胺能够减少果蝇的睡眠,使人类保持清醒的药物莫达非尼(modafinil),通过多巴胺信息通路起作用,也抑制果蝇的睡眠。这些结果说明,这些小分子化合物对各种动物睡眠的作用也高度相似。

神经系统中控制清醒和睡眠的一些重要的肽类物质也高度保守。例如食欲素(orexin)就是一种肽类物质,又叫下丘腦泌素(hypocretins),能够增加动物的食欲,同时也有唤醒动物的作用,从线虫到哺乳动物都是如此。食欲素缺乏会导致猝睡症(narcolepsy),表现为突然出现的过度睡意和无法抗拒的睡眠发作,大約70%的患者也經歷肌肉突然無力的情況,称为猝倒。在金鱼脑中注射食欲素增加金鱼保持清醒的时间,而敲除斑马鱼的食欲素基因则增加睡眠。线虫中相当于食欲素的物质叫做FLP-2 (FMRFamide-like peptides 2)和 PDF-1(pigment dispersing factor-1),由线虫的神经细胞ASI分泌。所有动物的食欲素受体都是与G蛋白偶联的受体(GPCR),其中有一段氨基酸序列DRWYAI(天冬氨酸-精氨酸-色氨酸-酪氨酸-丙氨酸-异亮氨酸),从丝盘虫到人类都高度相似,包括刺细胞动物(Cnidaria)、腕足动物(Brachiopoda)、环节动物(Annelida)、软体动物(Mollusca)、节肢动物(Arthropoda)和脊索动物(Chordata,包括脊椎动物)。说明食欲素唤醒动物的信息通路在动物中是一脉相承的。

神经肽 S (neuropeptide S, NPS)从哺乳动物、鸟类到线虫中都起唤醒作用。人具有NPS受体突变(NPSR-1 Y206H)的人只睡4-5小时,因为突变增加了受体对NPS的结合。将这个突变基因表达于小鼠中也减少睡眠,增加活动。线虫也有类似于NPS的NLP-22,由RIA神经细胞分泌。这说明神经肽S也是一种古老的,具有唤醒作用的肽类物质。

神经肽Y(neuropeptide Y,NPY)也是一种古老的,促进动物睡眠的物质,在人类、斑马鱼、果蝇、线虫中都促进睡眠。在线虫中,神经肽Y的类似物是FLP-18,通过与神经肽Y受体类似的NPR-1 起延长睡眠的作用。无脊椎动物的神经肽F(neuropeptide F, NPF)就相当于是脊椎动物的神经肽Y。

除了食欲素、神经肽Y、神经肽S这些高度保守,控制动物睡眠的肽类物质外,不同种类的动物还用其它肽类物质来影响睡眠。例如脊椎动物还使用甘丙肽(Galanin,氨基端为甘氨酸glycine,羧基端丙氨酸alanine)来促进睡眠,在哺乳动物和斑马鱼中都是如此。

在蜕皮动物中,包括节肢动物和线虫动物,奥可激肽(orcokinin)促进睡眠。在线虫中,奥可激肽被称为nlp-14和nlp-15,它们促进线虫发育期的睡眠和应激状态导致的睡眠。线虫的nlp-14表达在神经细胞ALA中,而nlp-15表达在神经细胞ALA中和RIS中。

这些事实说明,不同的动物使用的神经递质是高度保守的。神经系统自出现以来,就一直以同样的方式被动物使用。有一些小差别,但是基本结构和工作机制是一脉相承的。这种保守性也是所有具有神经系统的动物都要睡眠的基础。有趣的是,将神经细胞放到体外培养,不与动物的其他组织器官打交道,这些神经细胞也要睡眠。

神经细胞自己就要睡眠

将发育16-18天的小鼠胚胎的脑取出,提取里面的神经细胞,再在体外培养,同时用电极阵列监测个体神经细胞的电活动,发现这些神经细胞各自发出电脉冲,彼此没有关系。但是随着时间的进行,这些神经细胞的电活动逐渐变得同步,到培养的第10天时变得完全同步,即使相距很远的神经细胞也以同一步调发出电脉冲,整体电活动呈现高幅低频的电波,频率在0.07-0.2 Hz,非常类似动物在NREM睡眠期的慢波,说明在没有外来刺激的情况下这些神经细胞会自动进入睡眠状态。

如果用起唤醒作用的神经递质的混合物刺激这些神经细胞,高幅低频的电波在6个小时以后完全消失,代之以类似动物清醒状态的低幅高频电波。然而,这种“清醒状态”不能持久,在24小时后又回到类似睡眠状态的高幅低频电波,即使刺激神经细胞的那些神经递质仍然存在。

比较被激发时神经细胞的基因表达状况,发现与动物在清醒状态下脑组织的基因表达状况相似。清醒时表达增加的基因,例如Homer 1a、Arc(activity-regulated cytoskeleton-associated gene)、Dpb(D site of albumin promoter binding protein)等,在培养神经细胞中的表达也增加。一种谷氨酸受体(GluR1)的磷酸化程度也像在动物清醒时脑中谷氨酸受体的磷酸化程度那样增加,但在24小时后又自动回到刺激前的磷酸化程度。

这些结果说明,神经细胞在离体情况下仍然需要睡眠,清醒状态不可长期维持。

从理论上说,神经细胞睡眠可以有三大原因:一是清醒状态时消耗的资源不能一直得到充分供应,因此需要睡眠来补充,就像打仗时弹药打完了,要补充弹药后才能再次战斗。二是清醒状况下产生废物不能被及时清除,睡眠就是清除废物的时间。三是神经系在清醒状态下的工作会造成神经系统本身的损伤和改变,如果不经过睡眠来加以调节和修复,神经系统就不能继续工作。

这三种过程,补充物资、清除废物、修复和调整系统,只要有一个出问题,神经系统的工作都不能持续。经过科学家多年的研究,已经得到许多关于这些必要过程的证据。

能量和物资供应无法一直持续

能量供应问题

神经系统不能长时间持续工作,能量不能持续供应可能是一个重要原因。神经活动是通过神经细胞不断发出电脉冲来进行的,而电脉冲的传播需要膜电位的连续翻转,相当于是让细胞膜频繁地“放电”(膜电位消失甚至倒转)和再“充电”(重建膜电位)。由于电脉冲的强度相同,电脉冲传递的信息就由脉冲的频率来表示,越强的信号,电脉冲的频率越高,每个神经细胞每秒钟可以发出数百个电脉冲。这种高频率的放电和充电会消耗非常多的能量,这从只占体重2%的大脑消耗人体总消耗能量的20%就能够看出来。人类的大脑只要缺氧几分钟就能够造成不可逆的损害,也说明神经系统对能量有非常高的需求。

动物实验表明,当大鼠处于正常的清醒状态时,脑中的ATP水平能够稳定在一定水平,但是在NREM睡眠期ATP的浓度会显著上升,说明在清醒状态下ATP的动态水平会由于高强度的使用而降低。如果被剥夺睡眠3小时以上,脑中的ATP水平会进一步降低,说明在需要睡眠的时候不睡,ATP的浓度会降到正常水平以下。

二硝基酚(2,4-dinitrophenol,DNP)能够使线粒体的内膜对氢离子的通透性增加,消耗合成ATP所需要的跨膜氢离子浓度,使ATP的合成减少,相当于是水坝漏水使得水电站发电不足。这会使得大鼠增加睡眠时间,特别是NREM期的睡眠,说明能量供应不足是神经系统睡眠的一个重要因素。

能量供应不足的情况可以被神经细胞感受到而进入睡眠状态。ATP消耗以后的产物是AMP,即一磷酸腺苷。AMP水平增加和ATP水平下降会增加AMP/ATP的比值,而这个比值就是细胞能量状况的一个指标,可以被AMP-活化的蛋白激酶(ATP-activated protein kinase, AMPK)感受到而被磷酸化,磷酸化的AMPK会动员细胞的能源(如葡萄糖和脂肪酸)增加ATP的合成。

这个信息也促使神经细胞进入睡眠状态。在小鼠脑室内注射模拟AMP作用的药物会增强小鼠的慢波睡眠,而拮抗AMP作用的药物则抑制慢波睡眠。

AMP还会被5’-核苷酸酶(5’-nucleotidase)水解为腺苷(adenosine)。腺苷可以通过细胞膜上的核苷转运通道到达细胞外面,结合于其他神经细胞表面的受体(A1R和A2aR),抑制神经细胞的活动,因此腺苷也是在能量不足时,促进睡眠的物质。在大鼠和猫的前脑注入腺苷会使这些动物的睡眠增加。咖啡之所以能够使人保持清醒,是因为咖啡因能够结合到这些受体上,阻断腺苷的作用。在果蝇中,有腺苷作用的环己腺苷(cyclohexyladenosine)有催眠作用,而咖啡因也能够促使果蝇清醒。

能量短缺导致神经细胞进入睡眠的现象在只有302个神经细胞的线虫中也被观察到。被禁食的线虫睡眠增加,神经系统中进入休眠状态的神经细胞的数量也增加。不过线虫不是通过腺苷来感知能量短缺,而是通过胰岛素信息通路。食物短缺时动物分泌的胰岛素减少,使得信息通路中Daf-16蛋白(相当于哺乳动物的FOXO蛋白)的活性增加,启动动物对抗逆境的反应,包括睡眠。敲除线虫的Daf-16基因则使食物短缺导致的睡眠增加的效果减弱。

神经细胞的能量供应不能一直得到满足,还可以从神经细胞“烧”自己细胞膜中的脂肪酸以获取能量看出来。如果剥夺小鼠的睡眠,脑中溶血磷脂(lysophospholipid)的量就会增加。溶血磷脂是磷脂分子中的两条脂肪酸“尾巴”中的一条被磷脂酶释放后形成的,性质与完整的磷脂分子不同,浓度高时会使红血球的细胞膜破裂,引起溶血。这样被释放出来的脂肪酸在提取时多数是与肉碱(carnitine)分子相连的,而肉碱是使脂肪酸进入线粒体,在那里被氧化释放出能量的分子,这说明在睡眠剥夺时,神经细胞的磷脂中的一些脂肪酸是当作“燃料”去“烧”掉的。

体外培养的神经细胞在被神经递质刺激而活化后,溶血磷脂的含量也会增加。无论是在睡眠剥夺的小鼠脑中,还是在受刺激活化的培养神经细胞中,分泌到细胞外的磷脂酶Pla2g3和膜上的磷脂酶Pla2g4e都增加,说明清醒时期的能量需求是神经细胞通过“烧”自己的细胞膜来满足的。

身体中各种组织的能量供应主要通过氧化葡萄糖和脂肪酸来满足。血液能够将葡萄糖和脂肪酸带到身体中各种组织的细胞,在线粒体中被氧化,为细胞提供能量。脂肪酸由于含氧少而含碳和氢比较多,每克脂肪在完全氧化时会释放出大约9千卡的能量,是每克碳水化合物释放的约4千卡能量的2倍以上。然而由于血脑屏障,血液中的脂肪酸不容易进入中枢神经系统,神经细胞的“燃料”主要是血液提供的葡萄糖,使得神经细胞的能量缺口只能通过燃烧自己细胞膜中磷脂中的脂肪酸来维持。

只剩一条脂肪酸“尾巴”的磷脂分子在性质上更像脂肪酸,而由脂肪酸在水中的组成的小囊对离子是通透的。溶血磷脂会增加细胞膜的对离子的通透性,相当于是使细胞膜“漏电”,使得细胞欠缺能量的状况更加严重。在清醒状态下,这种对细胞膜的破坏是无法修复的,因为合成新的脂肪酸需要以葡萄糖为原料,而葡萄糖本身已经供应不足。只有使神经细胞进入睡眠状态,能量需求降低,才能有多余的葡萄糖用来合成脂肪酸,修复细胞膜。

这好像是家里的燃料不够了,只能将房子墙壁里面的木条拿出来烧。这是一种“不得已”的情况,为了维持神经细胞在清醒时的活动竟然采取“自残”措施,证明神经细胞的确不能一直得到充足的能量供应,也是导致动物睡眠的重要机制。

神经递质的供应问题

大部分神经细胞通过化学突触来传递信息,也就是分泌神经递质来将信息传递给其它细胞。而且神经细胞每秒钟可以发出数百个神经脉冲,也就是每秒钟可以分泌出神经递质几百次,比机枪发射的频率(每秒钟5-30发)还快10倍以上,自然要消耗大量的“弹药”。

已经分泌出去,完成信息传递任务的神经递质还必须迅速从突触间隙中被清除掉,以免接收信息的细胞一直被这些分子作用,无法接收新的信息。除了部分神经递质被突触再吸收加以利用外,多数神经递质分子都被销毁了,也就是打出去的“弹药”大部分不能再使用了,必须有源源不绝的“弹药”补充。

肽类神经递质是由氨基酸合成的,许多小分子神经递质有些本身就是氨基酸,或者由氨基酸变化而来。神经递质的大量使用自然会消耗大量的氨基酸。睡眠剥夺会使氨基酸的消耗进一步增加,超出神经细胞的供应能力,因而需要睡眠阶段来进行补充。非氨基酸类神经递质如乙酰胆碱也有类似的补充问题。

蛋白质和mRNA的供应问题

神经活动不仅消耗大量的能量和神经递质,也使得与神经活动有关的蛋白质受到损害。

蛋白质分子的三维形状主要是通过离子键和亲脂键来维持的,是一个不稳定的结构,很容易受到外界的影响而改变。与其他分子的结合,自身氨基酸侧链的修饰(例如磷酸化)而带来的电荷变化,都能够改变蛋白质的三维结构。这种变化并不一定是坏事,细胞的信息传递在很大程度上依靠的就是蛋白质分子的这种可逆的形状变化。外界电场的变化也能够对蛋白质分子中的电荷施加有方向性的力,从而改变蛋白质的三维结构,一个很好的例子就是对电位敏感的钠离子通道会因为膜电位改变而从关闭到开启,成为形成神经脉冲的关键分子。

然而电脉冲带来的剧烈和频繁的电场改变,也会使一些蛋白质分子的形状变化成为不可逆而变性。神经细胞负70毫伏的膜电位看上去不大,但是如果考虑到细胞膜的厚度只有约 3.5 纳米,电位梯度(单位距离上电压的改变)就相当于 200000 伏/厘米,比传输电流的高压线(约 200000 伏/千米,即2伏/厘米)的电位梯度还要高 10 万倍。这种高强度的电场改变会加速蛋白质分子的变性,功能永久丧失,成为细胞中的废物,也会对神经细胞造成损害。癫痫就是神经细胞过度兴奋引起的,常常会造成神经细胞的损失。在大鼠中用电刺激或者注射海人藻酸(Kainic acid,一种谷氨酸受体激动剂)人为地引起癫痫会在大脑皮质与海马中引起神经细胞的死亡。

神经系统用两种方式来应付这种情况。一是增加热休克蛋白的生产。热休克蛋白(heat shock protein,Hsp),也叫分子伴侣(chaperone),能够协助新生的肽链折叠成为正确的三维结构,也能够结合在部分变性的蛋白质分子上,使它们恢复正确的三维结构。它们在体温异常升高时会加速表达,因此被称为热休克蛋白。

热休克蛋白有许多种,以它们的分子量命名,例如Hsp70就是分子量为70千(即7万)的热休克蛋白。小鼠、大鼠和果蝇的实验结果都表明,过长的清醒状态或睡眠剥夺都会增加热休克蛋白的生产。果蝇能够耐受短期的睡眠剥夺而不会有长期的损坏,但是热休克蛋白Hsp83基因被敲除的果蝇在剥夺睡眠10小时后就会死亡,证明清醒状态下的蛋白质变性是一个严重的问题。

第二种方法是消灭已经无法修复的蛋白质,方式又有两种。一是与一种叫“泛素”(ubiquitin,因其在各种细胞中广泛表达而得名)的蛋白质相连,连上泛素分子就相当于是给变性蛋白打上“消毁”的标签,被蛋白体(proteosome)识别而被分解。睡眠剥夺会增加与泛素相连的蛋白质分子的数量,也证明长时间的清醒状态会使变性的蛋白质增加。

二是通过神经细胞的“自噬”(autophage)作用,即细胞自己吃自己。细胞内形成由两层膜组成的结构,像一个放了气的皮球从一面被压进去,成为一个碗样的形状。这个“碗”就像一张“嘴”,可以将一部分细胞质,包括里面的蛋白质和细胞器,都“吞”进去,然后碗口封闭,形成小囊,叫做自噬体(autosome),自噬体与溶酶体融合,自噬体里面的蛋白质就在溶酶体中被消化了。自噬体在轴突中广泛存在,轴突活动高时,自噬活动也增加,缺乏自噬体蛋白的小鼠轴突肿大并且降解,说明消灭变性的蛋白质对维持神经细胞的健康是绝对必要的。

这些措施虽然有效,但是也不能完全防止蛋白变性和降解,必须加以补充。然而神经细胞在补充损坏的蛋白质时会面临和其他细胞非常不一样的情况。在非神经细胞中,蛋白质的补充通常不是问题。细胞质和细胞核里面的蛋白质是在细胞质里面的核糖体上合成的,再通过扩散到达目的地。细胞膜上的蛋白质和分泌到细胞外的蛋白质则在内质网中合成,再通过高尔基体发出的小囊运送到细胞膜。在这两种情况下,新合成的蛋白质到达目的地,都只需要移动几十微米的距离,通过扩散就可以达到目的。

但是神经细胞长有树突和轴突。树突可以长达数厘米,轴突更可以长达1米以上。要通过扩散使蛋白分子通过数厘米甚至数十厘米的距离,速度就太慢了。为了解决这个问题,在树突和轴突中都有核糖体和内质网-高尔基体系统,以便就近合成蛋白质。

然而,指导蛋白合成的信息核糖核酸(mRNA)却仍然只能在细胞核中合成,因为大部分mRNA模板的DNA只存在于细胞核内(线粒体DNA除外)。要mRNA分子通过扩散进入树突和轴突是完全不现实的,必须有专门的方式来运输它们,这就是真核细胞特有的一种“轨道运输系统”(另一种轨道运输系统是前面谈过的肌动蛋白-肌球蛋白系统)。微管蛋白可以聚合成为空管,叫做微管(microtubule),有正端和负端。微管向树突和轴突中生长,正端朝向远端。这些微管就成为运输“货物”的“轨道”。运输货物的“火车头”也是蛋白质,分为两种,其中驱动蛋白(kinesin)可以带着货物向微管的正端行走,把货物从细胞体运输至树突和轴突的远端;动力蛋白(dynein)可以沿着轨道向微管的负端行走,把货物从树突和轴突运输回细胞体。

研究表明,mRNA分子在细胞体中合成后,是通过驱动蛋白中的一种(KIF5)运输到树突和轴突中去的。mRNA分子也不是直接与KIF5蛋白分子相连,而是首先与RNA结合蛋白(例如TDP-43和FUS)相连,RNA结合蛋白再和KIF蛋白相连。不仅如此,和mRNA一起运输的,还有数十种与mRNA功能有关的蛋白质,组成由膜包裹的小囊。

这样的小囊是相对“笨重”的,被运输的速度也比较慢。据测定,在小鼠下丘脑神经元中,mRNA的运输速度最快每秒100 纳米,相当于每小时0.36毫米,即使是10小时的睡眠中mRNA也只能前进3.6毫米。这对大脑皮层的神经细胞也许足够,但是对于有长树突和轴突的神经细胞是远远不够的。神经细胞依靠的,可能还是在树突和轴突生长时就带进去的mRNA,随后的运输只是作为对mRNA消耗的补充,但是树突和轴突的结构还是对mRNA供应的一个严重的制约因素。

废物清理

清醒状态下的神经活动会产生大量的废物,包括小分子神经递质的降解产物,磷脂中脂肪酸被氧化形成的溶血磷脂,以及已经变性和部分降解的蛋白质。这些废物如果不及时清除,也会对神经系统造成损害。

前类淀粉蛋白质(Amyloid precursor protein, APP)就是这样一种蛋白质,从线虫、果蝇到哺乳动物中都存在。它高度表达于突触中,与突触形成、轴突中货物运输等功能有关。APP敲除的小鼠记忆形成会受影响,因此是神经系统中一个重要的蛋白质。

但是在神经活动中,这个蛋白中36-43个氨基酸长的一部分会被切下来,形成b淀粉样蛋白(amyloid protein-beta,Ab),因其早期的染色技术误认为淀粉而得名。Ab被认为是有生理功能的,例如和突触的可塑性(pasticity)有关,但同时又具有朊病毒(prion)的性质,即形成错误的折叠结构后,又能够诱使其他Ab蛋白变为同样的错误结构,最后在脑中形成不溶性的斑块。这种斑块对神经细胞具有毒性,被认为是引起老年痴呆症(Alzheimer’s desease)的原因。一个晚上的睡眠缺失就会使脑中Ab的量增加,说明Ab的形成与神经系统的持续活动有关。

另一种叫做微管相关蛋白(tubulin-associated unit),简称tau蛋白。顾名思义,它是与微管的结构有关的蛋白质,在微管的形成和稳定性上发挥重要作用。Tau蛋白在中枢神经系统中高度表达,参与微管向轴突内运输物资的过程。正常的tau蛋白是磷酸化的,每个tau蛋白分子含有2-3个磷酸根,然而tau蛋白在使用过程中也会被过度磷酸化,形成不溶于水的纤维状物质,使得微管解聚和神经细胞死亡,叫做神经纤维变性(neurofibrillary degeneration)被认为也是老年痴呆症的成因之一。

小鼠在清醒状态下脑脊液中的tau蛋白会增加,睡眠剥夺时增加情况更严重。人在失去睡眠后,脑脊液中的tau蛋白也会增加50%左右。

第三个例子是a-突触核蛋白(a-synuclein),它在神经系统中高度表达,与突触释放神经递质有关。在使用过程中这个蛋白也会降解,形成小的片段,这些片段又会凝聚,形成不溶于水的聚合物,与帕金森病(Parkinson’s disease)的形成有关。睡眠剥夺时脑脊液中a-突触核蛋白的量也会增加。

变性和部分降解的蛋白质可以通过前面谈到的蛋白体降解和自噬作用进行清除,但是这些清除方式对在细胞外的废物就无能为力。这些细胞外的蛋白废物和像溶血磷脂这样的脂类分子是不能进入毛细血管而被除掉的。在身体的其他组织内,这些细胞外的废物是通过淋巴系统被清除的,因为毛细淋巴管的通透性比毛细血管高得多,可以让这些废物进入,再经淋巴系统进入血液,在肝脏中被降解。但是在过去的长时期中,人们在脑中找不到淋巴系统,那么脑中这些细胞外的废物又如何被清除?

2013年,类似淋巴功能的系统在脊椎动物的脑中被发现了。在这个系统中,胶质细胞的终足部分包围穿入脑中的动脉和静脉,但又与血管之间留有空隙,叫做血管周围间隙(paravascular space),所以这是一种管套管的结构,内管流血液,外管流别的液体。脑脊液从动脉周围间隙流入脑部,通过胶质细胞终足上的水通道蛋白(aquaporin,如AQP4),进入神经细胞之间,与原来细胞间的间质液混合,带着细胞间的废物,再从静脉的血管周围间隙流出脑部,进入淋巴系统,废物最后在肝中被分解。在这里脑脊液起到淋巴液的作用,但是又没有经典意义上的淋巴管,所以叫做“脑部类淋巴系统”。因为这个过程要通过胶质细胞终足,因此又被称为“胶质淋巴系统”(glymphatic system),由英文中神经胶质(glia)和淋巴(lymphatic)两个词合并而成。

这套系统主要在睡眠时工作,在清醒状态下被抑制。上面说的神经递质的代谢废物,神经活动产生的溶血磷脂,以及Ab、tau、a-synuclein等蛋白都可以通过这种方式被清除。睡眠障碍者和老年人这套系统的工作减弱,可能是导致老年痴呆症和帕金森病的原因之一。

果蝇没有封闭的循环系统,也不分血管和淋巴管,组织器官都浸泡在叫做“血淋巴”(hemolymph)的液体中,因为这种液体同时起到血液和淋巴液的作用。果蝇的心脏为开口,能够周期性收缩的管。血淋巴从管的一端泵出,经过血淋巴腔流过全身,又从管上的开口回到管内。这样循环的血淋巴把氧气和营养带到全身,废物则通过浸泡在血淋巴中的马氏管(Malpighian tubules)收集,经过果蝇的后肠排出体外。果蝇在睡眠时,马氏管中液体的流动也增加,加速废物的排出,因此在果蝇中,睡眠也是排除神经系统废物的主要时间。

以上的过程可以解释神经细胞何以需要睡眠,即物资供应和清除废物,但是不能解释为什么动物在睡眠时意识也要丧失。在低能量状态下保持清醒,不是对动物更有利吗?而且在REM睡眠期间,神经系统的活跃程度与清醒状态相当,并不节省能量,而且随着睡眠的进行,REM睡眠时间所占的比例还不断提高,又是出于什么原因?对于这些问题,科学家们也提出了各种假说来加以解释。

睡眠时意识消失的原因

调整状态说

神经活动会增强与信号传递线路有关的突触,越是被高度使用的突触,强度也会变得越大。例如在一只眼被关闭的小猫中,与睁开的眼相连的视觉上皮显示更强的神经连接。动物每天都要接收大量的信息,这种正反馈过程会使得一些神经回路被饱和而固定化,而神经系统需要神经回路处于灵活状态。在睡眠过程中,突触的强度会被降低,那些只轻微增强的突触会恢复常态,只让增强状态最高的突触保留一定的增强状态。这个过程类似于“水落石出”,只让位置最高的石头露出,从而增加信噪比和避免神经回路被固定化。

新的信号也会在有关神经回路上形成新的突触。如果这种趋势持续下去而得不到控制,树突就会被突触占满而无法形成新的突触。睡眠过程会对一些突触进行“修剪”,去掉那些不重要的突触,使神经系统再次处于可以进行适应性变化的状态。

由于意识是在神经回路活动的基础上产生的,这个对突触的调整过程也会使意识暂时“关闭”。

转移记忆说

神经系统在处理外来信息时有关回路的强化也被认为是记忆形成的机制,即信息储存在神经回路的强度中。这有些类似人在草地上踩出的印迹就是人活动的记录。但是同一条回路不能够在保持原有记忆的同时又形成新的记忆,因此记忆需要转移到脑中别的地方储存起来,形成永久记忆。在人脑中,记忆是从下丘脑转移到大脑皮层的,类似于计算机将RAM的临时记忆转移到硬盘上。这个过程也类似于老师“擦黑板”,黑板上的临时记忆被转移后,才能够在上面写新的东西。REM睡眠时脑的活动状态与清醒时相同甚至更高,但是脑各部分的连接情况与清醒时不同,也支持记忆转移说。

将电极插入小鼠的脑,发现位置细胞(即对动物位置起反应的神经细胞)会在睡眠时重放白天的活动,说明转移记忆的过程包括对清醒状态下活动的“回放”。眼球的快速运动并不是持续进行的,而是有停顿和变化,也许和事件的重现过程有关。跳蛛睡眠时视网膜的抽动可能也是在重放白天的视觉活动。

在慢波睡眠中,慢波上的小波(ripple)起伏可能也在重放白天的活动。这些小波就带有信息,因此慢波被认为是信息波的载体。局部回路的振荡波就是神经系统的“信息码”(neural code),频率最高的小范围振荡就是“字母”,更慢一些,更大范围的振荡能够“阅读”这些字母,将其连城“词”,再大范围,频率更低的波则将词组成句子。0.01-0.1 Hz的最慢波则能阅读和携带所有的信息。如果用白喉毒素(tetanus toxin)抑制这些小波,它们可以短期记忆白天的活动,如经过的路线,但是不能形成长期记忆。

这个信息转移的过程不可以有新的外界信息进入,否则会干扰信息转移过程。关闭外来信息输入的状态也就是无意识的状态。这也许能够解释睡眠时为何不能保持意识。

以上这些过程都能够部分解释为什么所有的神经系统都需要睡眠,但是在目前,还不清楚这些因素贡献的相对大小,也不清楚哪一种是动物睡眠最主要的原因。

神经系统必须睡觉的事实表明,演化过程不是万能的。

演化过程不是万能的

神经系统是动物以“吃”为中心生活方式演化出来的,它使得动物能够以吃为生,也避免被吃。神经系统产生了意识、记忆、思想、情绪,更造就了人类高度发达的智力,使我们不仅被这个世界所产生,还能够反过来研究、理解和改造这个世界。

然而神经系统毕竟是由生物材料构成的信息传递和处理系统,虽然非常有用,但是也非常昂贵,而且遇到自然规律的限制,使其不可能一直持续工作,也让我们在使用它的同时,不得不将我们宝贵的生命时间中的相当部分用于对它的维护和修理,即睡觉。这是我们成为动物必须付出的代价。

演化过程创造了许多奇迹,但是演化过程毕竟是生物的随机变化加自然选择的结果,没有设计,没有方向,是“存在”决定了哪些变化可以保留下来,也不可避免地遇到一些不可克服的障碍,因此演化过程不是万能的。我们都带着演化过程带来的缺陷在生活。

演化只能够在已有的基础上加以修改,而无法推倒重来。例如最早的生命是RNA的世界,蛋白质也是由RNA分子催化合成的。经过40亿年左右的演化,生物体内几乎所有的化学反应都改由蛋白质分子来催化,但是蛋白质分子自己的合成仍然由RNA分子催化。

最初的细胞是在钾离子浓度远高于钠离子浓度的水溶液中形成的,尽管地球上的水环境早就变为钠离子浓度远高于钾离子浓度,所有生物细胞内的钠离子浓度还是远低于钾离子浓度,细胞不得不花费大量的能量,不断将细胞内的钠离子泵出去,将细胞外的钾离子泵进来。动物利用了细胞外钠离子浓度高的状况,发展出了神经系统。而植物没有神经系统,也不需要钠离子,所以对水中的氯化钠能躲就躲。

原初细胞是在大气中没有氧的还原环境中形成的,也只能够在原有环境中才能运作。尽管22亿年前大气中就出现了氧气,所有生物的细胞内仍然保持还原环境。为此细胞内有高浓度的谷胱甘肽,也有各种抗氧化的酶,但是“抗氧化”仍然是一项艰巨的任务,也成为保健行业最常宣传的内容。

脊椎动物的眼睛是从位于文昌鱼神经管两边的感光神经细胞和色素细胞演化而来的,神经细胞发出的轴突一开始就在光线来的方向,导致后来所有脊椎动物眼睛的视网膜都是倒贴的,即突触位于光线来的方向,而感光结构背朝着光线来的方向,与色素层紧贴。虽然动物对这种状况进行了弥补,例如发展出黄斑来获得清晰的图像,但是盲点和视网膜容易脱落的缺点始终无法克服。

精子生成过程对较高温度的敏感性也是温血动物绕不过去的一道“坎”。出于还不清楚的原因,生精过程在高于35摄氏度的环境中就不能正常进行。这在冷血动物中不是问题,但是哺乳动物的体温常常高达37摄氏度。为了解决这个问题,许多哺乳动物(包括人类)将产生精子的睾丸置于体外的阴囊中,以躲避体内的温度。隐睾症就是睾丸没有下降到阴囊中,仍然停留在体内,而它总是会导致不育。在海中生活的哺乳动物如鲸类和海豚可以用流过体表的海水冷却后的血液给睾丸降温,所以这些哺乳动物可以将睾丸留在体内,而在陆上生活的大型哺乳动物,由于空气的冷却效果比水小得多,被迫采取睾丸外置的措施。然而将动物传宗接代这样重要的器官置于体外,使其易于受到伤害,的确不是一个好的“设计”,说明这是这些动物“不得已”而采取的措施。

神经系统也一样,基于神经脉冲的信息传递和分析系统一旦建立,就没有推倒重来的机会,不像计算机是人发明的,可以彻底改变运作方式,例如不再使用基于硅基半导体的线路,而改用碳纳米管,或者使用量子计算机。

除了神经系统必须睡觉,人类大脑处理信息的能力也已经没有多少进一步改善的空间。神经脉冲产生和传递的方式决定了信息传递的速度最多可以达到每秒100米左右,比起计算机中信息的传递速度慢300万倍。而且这还是在向肌肉传输信息的,最粗的有鞘神经纤维的速度。在我们的大脑中,许多神经纤维都很细,而且没有髓鞘,传输信息的速度只有每秒0.5米至几米。假设大脑中神经系统传输信号的速度为每秒1米,大脑的直径约为20厘米,信息从大脑的一侧到另一侧就需要0.2秒。如果信息处理需要信息的来回传递,需要的时间就更长了。我们每秒钟最多可以阅读十来个字,而计算机可以在数秒内扫描数据库里面的所有文献。

增加神经纤维的粗度,或者增加神经细胞的数量,必然会使大脑的体积更大,信息传输的距离更长,拖慢大脑处理信息的速度,因此人类大脑的功能已经逼近生理极限。幸运的是,人类已经发展出足够的智力,能够设计建造大脑外的信息传输和处理系统,并且使其不断完善。同样重要的是,这些系统不是基于神经细胞的,它们也不睡觉。

后记: 地球上还有另一套神经系统

我写这篇关于动物睡眠的文章用了近一年的时间,在过去的三年中我也只在科学网上发了一篇文章,一是由于我在写一本比《生命通史》更为通俗的生命史,二是由于睡眠现象涉及的神经系统过于复杂,需要了解的东西太多。 现在关于生命史的新书已经由清华大学出版社出版,书名《生命简史–从尘埃到智人》,我也可以集中精力来完成关于这篇关于睡眠的文章。

就在文章写作的过程中,科学家们又在擳水母中发现了另一类神经系统。它和我们上面谈的神经系统有些相似,但是又有重要的区别,很可能是擳水母独立发展出来的。

擳水母(ctenophore)曾经被认为是水母(jellyfish)中的一种,因为它像水母那样身体透明,大部分为胶质组成,在海水中漂浮,食物消化后的残渣也主要从口排出。擳水母的神经系统也为网状,没有脑,和水母的神经系统类似。由于这些原因,擳水母曾经和水母一起,被归于腔肠动物门(coelenterata),即口也同时是肛门的动物。

其实擳水母和水母在身体构造上有诸多不同:水母通过伞盖的收缩运动,运动方向与口的方向相反,而擳水母是依靠纤毛的摆动,这些纤毛被安排在数行(一般为8行)擳板上,摆动方向使得擳水母运动时,口的方向朝前。每一行的形状像梳子,每个擳板像梳子的梳齿,因此英文名为comb jelly,中文用代表梳子的“擳”字译为擳水母。水母和水螅一样,为“刺细胞动物”(cnidarian),通过发射触手上带倒钩的刺来捕获猎物,而擳水母没有刺细胞,通过触手上的粘细胞分泌的粘液粘住猎物,因此擳水母并不是刺细胞动物。

在过去的长时期中,海绵被认为是最原始的多细胞动物,因为海绵身体构造简单,不运动,也没有神经系统。近年来,通过全基因组测序,发现擳水母可能是最早分化出去的多细胞动物,其余的多细胞动物才发展成为海绵、丝盘虫和刺细胞动物。由于擳水母有神经系统而海绵和丝盘虫没有,这就产生了两种可能性:一种是神经系统只产生了一次,在所有多细胞动物的共同祖先中就出现了,而海绵和丝盘虫随后“丢失”了神经系统。另一种是神经系统产生了两次,分别是在擳水母中和刺细胞动物中产生,而所有其他动物后来的神经系统都是刺细胞动物的神经系统发展而来的。随后的研究表明,神经系统出现过两次,即在擳水母和刺细胞动物分别独立出现的可能性更大。擳水母的神经系统和所有其他动物的神经系统也显著不同,是另一类神经系统。

首先,擳水母的神经系统的组成就和其他动物神经系统的组成不同。用任何用来标记其他动物神经系统的标记物如ELAV(embryonic lethality and abnormal)和Musashi(二者皆为RNA结合蛋白)都无法标记擳水母Mnemiopsis leidyi的神经细胞。ELAV和Musashi这两个蛋白在擳水母中也有表达,但不是在神经系统中,因此擳水母的神经系统只能使用其表达的神经肽递质的抗体来标记。

擳水母也不使其他动物常用的神经递质,包括血清素、乙酰胆碱、多巴胺、正肾上腺素、肾上腺素、奥克巴胺、组胺、甘氨酸等,而主要使用谷氨酸作为最主要的神经递质,而且擳水母中谷氨酸受体基因远比其他动物的多。擳水母也使用肽类物质作为神经递质,但是其13个神经肽前体的序列不与任何其他动物的神经肽相似。

擳水母的神经系统构造复杂,有上皮下神经网(subepithelial nerve network, SNN),星型神经细胞、感觉身体位置的平衡器,以及布满表皮的感觉神经细胞。在上皮下神经网中, 5个神经细胞发出的神经纤维不分树突和轴突,也不用突触彼此相连,而是这些神经纤维直接相连,组成网状结构。神经纤维的细胞膜彼此融合,形成一个合胞体(syncythium),即5个神经细胞有连通的细胞质。这些神经纤维成结节状(blebbed),类似念珠,珠内有装有神经递质的小囊,珠之间的细连接则只能够让微管纤维通过。

另外6个星形神经细胞发出神经纤维与这个上皮下神经网密切接触,但是没有突触形成,这些神经纤维也不成念珠状。

平衡器中的神经细胞,以及身体表面的感觉神经细胞,都通过化学突触与上皮下神经网相连。这个神经网也通过化学突触与控制纤毛运动的细胞相连,而且从神经网的任何部分都可以发出突触,包括从细胞体上发出突触。突触可以是单向的,也可以是双向的,即突触的两边都含有分泌神经递质的小囊。

从神经细胞的这些连接方式来看,上皮下神经网络可能是接收并处理信息,并且发出指令的地方。但是在这个网络中,5个神经细胞的细胞质是一个整体,信息如何在网络中传递,如何分析,如何发出指令,现在还完全不清楚。

擳水母神经系统的这些特点支持神经系统两次独立产生的观点,也给其他所有动物的神经系统一个对照比较的对象。对擳水母神经系统的研究不仅可以对神经系统的工作原理有更深入的了解,也可以对动物为何要睡眠的问题提供新的视角。

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