Domanda:
Perché il processo del sonno si è evoluto in molti animali? Qual è il suo vantaggio evolutivo?
Gordon Gustafson
2011-12-24 21:10:51 UTC
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Il processo del sonno sembra essere molto svantaggioso per un organismo in quanto è estremamente vulnerabile alla predazione per diverse ore alla volta. Perché il sonno è necessario in così tanti animali? Quale vantaggio ha dato agli individui che si sono evoluti per averlo come adattamento? Quando e come è probabile che si sia verificato nel percorso evolutivo degli animali?

per esempio. i delfini non possono permettersi di perdere la piena coscienza quando riposano, altrimenti annegherebbero. Quindi i loro cervelli mammiferi si sono evoluti in modo tale [che solo la metà del cervello dorme alla volta] (http://science.howstuffworks.com/environmental/life/zoology/mammals/question643.htm).
Anche molti animali migratori, come le tartarughe e gli uccelli, hanno sviluppato questo sonno emisferico.
Secondo un articolo che ho letto, dormire aiuta con il processo di apprendimento e molte connessioni neurali sono rinforzate nel sonno.
C'è il suggerimento nella comunità (nulla di pubblicato che io possa trovare) che il sonno si sia evoluto per impedire agli animali di avventurarsi fuori quando le condizioni non erano favorevoli alla caccia (ad esempio i cacciatori del giorno venivano cacciati di notte, o gli animali notturni lenti e furtivi diventavano evidenti al sole). È meglio se si accovacciano solo quando i loro sensi non sono in sintonia con le situazioni che potrebbero affrontare.
Rispondere a parti della tua domanda è l'obiettivo del libro [Why We Sleep] (https://www.amazon.com/Why-We-Sleep-Unlocking-Dreams/dp/1501144316) dello scienziato del sonno Matthew Walker. Il libro è abbastanza popolare e aggiornato (2017).
Quattro risposte:
#1
+54
DVK
2011-12-24 22:01:39 UTC
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Questo buon articolo non accademico copre alcuni dei soliti vantaggi (riposo / rigenerazione).

Uno dei documenti di ricerca citati (collegati al comunicato stampa) era Conservation of Sleep: Insights from Non-Mammalian Model Systems di John E. Zimmerman, Ph.D .; Trends Neurosci. Luglio 2008; 31 (7): 371–376. Pubblicato online il 5 giugno 2008. Doi: 10.1016 / j.tins.2008.05.001; NIHMSID: NIHMS230885 . Per citare dal comunicato stampa:

Poiché il tempo del letargo coincide con un momento nel ciclo vitale dei vermi rotondi in cui si verificano cambiamenti sinaptici nel sistema nervoso, propongono che uno stato richiesto per la plasticità del sistema nervoso. In altre parole, affinché il sistema nervoso cresca e cambi, deve esserci un periodo di inattività del comportamento attivo. Altri ricercatori della Penn hanno dimostrato che, nei mammiferi, i cambiamenti sinaptici si verificano durante il sonno e che la privazione del sonno si traduce in un'interruzione di questi cambiamenti sinaptici.

Questo potrebbe spiegare perché [la privazione del sonno influisce sulla frequenza cardiaca] (https://sleepfoundation.org/sleep-news/how-sleep-deprivation-affects-your-heart).
Questo è un po 'circolare, in quanto il sonno essendo "necessario per la plasticità del sistema nervoso" significa semplicemente che la dipendenza dell'adattamento nervoso dal sonno non è mai stata selezionata. Non risponde perché
Questo argomento non menziona nemmeno il motivo per cui non potrebbe esserci un'architettura cerebrale altamente modulare e ridondante con almeno 2 moduli per ogni sottosistema neuroplastico che alternano cicli di sonno e veglia. Tale tecnologia esiste già per cluster e rack di server su larga scala (chiamati aggiornamenti in sequenza) in cui un sistema di bilanciamento del carico viene utilizzato come front-end rivolto al client (instradamento delle richieste ai server pronti ad accettarle). Quando viene distribuito un aggiornamento, i server vengono arrestati, aggiornati e riavviati in modo "continuo" in modo che la maggior parte dei server sia attiva in qualsiasi momento durante l'aggiornamento.
#2
+27
Rory M
2012-01-29 18:56:02 UTC
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Ho trovato questo articolo di Benington e Heller che espande la teoria del sonno menzionata in precedenza come meccanismo per rinnovare il metabolismo. Ipotizzano che il sonno sia necessario per ricostituire le riserve di glicogeno (principalmente all'interno degli astrociti) nel cervello. Questi depositi sono normalmente utilizzati per integrare il glucosio nel sangue a causa delle elevate richieste energetiche del cervello.

Si suggerisce che questo possa anche provocare la manifestazione di una sensazione di sonnolenza come conseguenza dell'esaurimento delle scorte di glicogeno in specifiche piccole aree del cervello. L'esaurimento breve e localizzato delle riserve di glicogeno significa che le cellule funzionano con meno energia di quella con cui normalmente devono lavorare. Ciò provoca un aumento della sintesi di adenosina dalla ripartizione di AMP. Il documento sostiene che i livelli aumentati di adenosina sono rilevati dai recettori dell'adenosina che quindi attivano o aumentano (come si è visto sulle scansioni EEG) la sensazione di bisogno di dormire:

Flowchart of the relation of glycogen to sleep need and replenishment

Nel sonno NREM (che può fornire un certo supporto alla teoria poiché il sonno NREM rappresenta l'80% del sonno ed è più fisiologicamente diverso dalla veglia), questo glicogeno viene sostituito in modo più efficiente. Durante il sonno NREM il rilascio di neurotrasmettitori che inducono la glicogenolisi viene ridotto, consentendo il predominio della glicogeno sintasi e il ripristino dei livelli di glicogeno. Tuttavia, questi stessi neurotrasmettitori sono fondamentali nell'elaborazione degli stimoli sensoriali (mediante la depolarizzazione dei neuroni nella corteccia sensoriale). Pertanto, il rifornimento di glicogeno sarà sempre associato a una risposta (fortemente) ridotta agli stimoli .

Questo porta a rispondere finalmente alla domanda sul perché il sonno ha un vantaggio evolutivo, cosa che farò citazione testualmente per mantenere lo slancio degli autori:

Il rifornimento di glicogeno durante la veglia sarebbe disadattivo perché comprometterebbe la capacità dell'organismo di elaborare e rispondere agli stimoli sensoriali. Il sonno si è quindi evoluto come uno stato in cui gli animali si ritirano in un ambiente sicuro, il comportamento viene soppresso e le riserve di glicogeno vengono reintegrate .

Quindi è solo una coincidenza che la via metabolica della sintesi del glicogeno nel cervello si sia evoluta per essere regolata dai neurotrasmettitori? Se si fosse evoluto in modo indipendente, non avremmo bisogno di dormire?
@MartaCz-C è davvero un buon punto, e se devo essere sincero ho faticato a trovare una risposta in letteratura per te. Tuttavia si potrebbe dire che poiché le riserve di glicogeno sono essenzialmente un alimentatore di riserva, anche se i neurotrasmettitori non sono stati coinvolti, è improbabile che tale fornitura venga reintegrata senza una richiesta di energia notevolmente ridotta (cioè nel sonno) come altrimenti qualsiasi glucosio che è arrivato sarebbe rapidamente utilizzato piuttosto che immagazzinato nella glicogenesi. Potrebbe essere un adattamento piuttosto che una coincidenza se questo è il caso, costringendo un organismo a prendersi un periodo di riposo per ricostruire queste scorte.
#3
+9
Innab
2011-12-24 23:49:37 UTC
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Da quello che ho imparato, ci sono due teorie per rispondere a questa domanda:

  1. Ripristino: il corpo ha bisogno di riposare per rinnovare il suo metabolismo (se un animale è attivo 24 ore su 24, 7 giorni su 7, consumerà costantemente molta energia e metabolismo). È stato dimostrato che i topi che sono rimasti senza dormire per un po 'hanno un sistema immunitario compromesso.

  2. Conservazione: si presume che il sonno conferisca un vantaggio in termini di sopravvivenza. La notte è un momento pericoloso, quindi dormire in un certo senso "costringe" un animale a restare a terra per alcune ore.

Il tuo punto n. 2 dice esattamente l'opposto della premessa della domanda. Ti andrebbe di espandere un po '(ad esempio fornire alcuni riferimenti)?
Il punto 1 sembra essere un argomento circolare (o decisamente sbagliato): se l'animale non stesse dormendo potrebbe cacciare / cercare cibo. Anche nel sonno, consumiamo * un po '* di energia, quindi questo calcolo * sempre * risulterà favorevolmente dal lato dello stare svegli.
@KonradRudolph: il corpo spende sempre un po 'di energia, ma l'energia che il corpo usa durante il sonno è una frazione dell'energia necessaria per rimanere sveglio / cacciare / ecc.
@nico - Ho trovato un estratto da un libro- [qui] (http://www.trentu.ca/admin/specialneeds/learninginnovations/thinkingandlearning/public/Unit13%20-%20Sleep%20and%20Learning%20Handout.pdf)
@Innab È irrilevante che la spesa energetica sia solo una frazione. L'importante è che ce ne sia affatto. Fai i conti, * mai * sarà vantaggioso riposare invece di passare lo stesso tempo a caccia, perché il bilancio energetico netto della caccia è * positivo * (cioè assorbimento di energia piuttosto che di spesa), quindi in somma, il riposo sarà sempre speso più energia della caccia.
@KonradRudolph sicuramente questo è il caso solo se la caccia ha successo - quindi dormire può essere * meno svantaggioso * in termini di dispendio energetico se le probabilità sono fortemente impilate contro la predazione riuscita in una certa ora del giorno.
# 2 inoltre non si applica agli animali notturni; soprattutto animali che sono attivi in ​​diversi momenti della giornata appositamente per evitare i predatori.
#4
+2
John
2019-09-27 21:52:51 UTC
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Perché il sonno persiste è abbastanza facile, perché è necessario è uno sconosciuto.

Il sonno sembra essere necessario in qualsiasi organismo con un cervello, cioè qualsiasi cosa con qualsiasi tipo di concentrazione di neuroni. Questo è quando gli è stato negato che gli organismi muoiano. Quindi tutto ciò che deve accadere è che i benefici di un cervello superino il costo del sonno.

La durata del sonno necessaria è correlata alle dimensioni del cervello, almeno la parte REM del sonno altre parti sono correlate ai tassi metabolici. Ora questo può essere apparentemente confuso nei cervelli complessi più grandi (uccelli e mammiferi in particolare) quando gli organismi iniziano a piegare il cervello per aumentare la densità dei neuroni senza aumentare le dimensioni complessive. In questo caso questi organismi stanno aumentando le "dimensioni" del cervello senza ingrandirlo, aumentando la densità. Peggio ancora, alcuni organismi "dormono" per lunghi periodi, ma solo una breve porzione di quel tempo coinvolge l'attività neurale associata al sonno (come il REM), il sonno in animali complessi (quelli con cervelli complessi molto grandi) contiene molte funzioni.

Negli organismi con cervelli minuscoli e metabolismo lento (ovvero le prime cose con il cervello) il sonno non richiede molto tempo, quindi il costo è minimo, i benefici di un cervello (e quindi dell'apprendimento) possono essere elevati. Più tardi, man mano che il cervello diventa più grande, il costo aumenta, ma anche il beneficio, se fosse possibile che un cervello fosse conservato senza bisogno di dormire, avrebbe dovuto essere selezionato in questa fase. Quindi, con ogni probabilità, il bisogno di dormire è qualcosa fondamentale per il funzionamento dei neuroni e non può essere modificato senza interrompere seriamente la loro funzione. Non è raro che cose sfavorevoli si blocchino evolutivamente in questo modo, il costo per cambiarle (in questo caso la perdita della funzione cerebrale) è molto più grande del costo del sonno, quindi la selezione lo mantiene in vita.

Ora la complessità del sonno ha senso, se hai già questo periodo di inattività richiesto, ha senso evolutivamente aggiungere qualsiasi altra cosa che sarebbe meglio fare durante tale periodo. È meglio utilizzare i trigger e il tempo per le attività di inattività esistenti per qualsiasi altro che viene aggiunto, quindi avere ancora più tempi di inattività. Quindi ora abbiamo una serie di fattori confondenti che confondono gli studi e rendono difficile dire quali parti sono essenziali.

Non sappiamo perché il sonno sia necessario , ci sono molte idee ma non molte prove. Data la complessità del sonno, ciò non sorprende, individuare quali funzioni sono fondamentali non è facile. C'è una corrente che tende alla necessità di eliminare i metaboliti che interrompono la funzione neurale, sembra che questo processo sia altamente distruttivo per il cervello se il cervello è sveglio, al punto che interrompe semplicemente l'attività cerebrale ( movimento in particolare) è molto più sicuro per l'organismo. Ma come per tutte le ricerche, questo è molto preliminare e il sonno è poco compreso, quindi l'accettazione è e dovrebbe essere molto provvisoria.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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