水母表示:我沒有腦,可是我也愛睡覺

■所謂一覺解千愁,在演化史上,誰是最先開始會睡覺的生物?最近一篇研究顯示,可能是水母!

© Pete Oxford/Minden Pictures

撰文|駱宛琳

好好睡覺,跟乖乖吃飯與規律運動一樣,可謂現代人生活裡的黃金三準則。沒睡好覺不僅讓人心情不好,對健康的危害更是罄竹難書。我們說好好睡覺跟大腦處理學習來的資訊有關,能幫助大腦將資訊妥善儲存為長期記憶;我們還一直老生常談,說好好睡覺才能幫助大腦將一天累積的代謝廢物清除掉;我們甚至還驚悚的說,不睡覺,大腦會把自己的神經元細胞吃掉。但當睡覺這件事被賦予了這麼多高層次的意義,一個簡單至極的問題就能讓科學家爭論不休:在演化史上,是那種生物開始先出現睡覺這個行為的?是蟲、魚、鳥還是獸?

但問題或許沒有這麼複雜;最近,美國加州理工學院的 Leo Goentoro 博士實驗室,做了一系列簡單又可愛的實驗,把「是誰先會睡覺的!」這個大哉問回歸基本面 。

睡覺需要大腦嗎?如果睡覺對大腦這麼重要,是不是有中樞神經系統的生物,才會需要睡覺呢?水母有神經細胞,但沒有集中的中樞神經組織,水母的神經細胞離散地分部在周邊。那,水母會需要睡覺嗎?Goentoro 博士實驗室的三個博士班學生,自己打造了一個水族箱,以便能夠利用攝影來觀察與紀錄水母的行為型態。他們選用倒立水母科裡的幾種不同品系水母來做實驗。倒立水母科的這類水母一如其名,與其游泳,牠們更喜歡把自己倒掛似得靜止懸浮在熱帶海域裡,也常跟能夠行光合作用的共生藻形成共生關係。倒立水母還有一個特徵,牠們「吐納」水流極有規律,大概一秒鐘一次。倒立水母藉著推動水流流動,可以讓食物源源而來,得以濾食,或是排出代謝物等,是維持生命機能重要的行為模式。

睡覺的定義可以複雜化到由腦波變化來判斷,但也可以簡單至極,從觀察行為模式的改變來得知。想想看,當我們熟睡或是打盹的時候,是不是對外界刺激比較沒有反應?不論是旁人的輕拍戳弄,或是聲光刺激,如果熟睡了,都恍若未聞。Goentoro 博士實驗室的學生們於是想,同樣的標準是不是也可以拿來套用在水母身上,看看水母是不是會有週期性的,類似於動物熟睡時的遲鈍反應呢?而倒立水母這種極有規律的吐納水流行為,剛好是研究人員可以好好觀察牠們行為的指標。

他們的研究成果發表在十月份的 Current Biology 期刊上。研究人員觀察二十三隻倒立水母,每隔一個小時,都記錄前二十分鐘內,倒立水母吐納水流的次數。他們利用十二個小時光照,十二個小時把燈關掉來模擬晝夜。在有光照的時候,倒立水母平均每二十分鐘可以推動水流 1155 次上下,相當於每分鐘約 60 次;而在模擬夜晚的烏黑狀態下,頻率則銳減三成多,變成每二十分鐘推動水流 781 次左右,約每分鐘 39 次。但倒立水母週期性的行為變緩慢,若要直接作為水母會睡覺的佐證,也未免言之過早。

所以Goentoro 博士實驗室的學生們把倒立水母從牠們偏好棲息的水族箱底,用個吊籃似的裝置拎到水面,然後觀察倒立水母花多久時間,能夠游回牠們習慣的「愛窩」。在有光照的大白天,倒立水母反應機靈;但一到了晚上,就像我們被吵醒時行動會跌跌撞撞一樣,倒立水母也會花比較久的時間,才會從水面返回牠們所偏愛的箱底。更有趣的是,如果在晚上倒立水母「不愛動」的時間,蓄意打斷牠們的「休息」,等到隔天大白天的時候,牠們也會出現類似睡眠被剝奪的症狀,行為變得遲鈍又緩慢。這顯示倒立水母跟我們一樣,對於「睡眠」的需求,是絕對不可少的。

如此說來,倒立水母晚上「不愛動」時的行為特徵,還真得跟動物睡覺時的行為極為相似呢。但Goentoro 博士實驗室的學生們沒有對研究到此的成果就心滿意足,他們又做了兩個有趣的實驗。第一,如果倒立水母在睡眠被剝奪的時候,會出現類似我們被「時差」所擾的行為特徵,那常被用來拯救時差的心頭好「褪黑激素」(melatonin),是不是也能換來倒立水母一覺好眠呢?結果,被給予褪黑激素的倒立水母,果真睡得傻乎乎的。那我們感冒鼻子不通時,醫生所開的抗組織胺有時候讓人愛睏,這對倒立水母也有類似作用嗎?答案是會的!

Goentoro 博士實驗室的這篇研究成果亮眼,因為他們用了最「根本」的行為學觀察來回答一個在科學界爭論不休的問題,提供了有趣的新角度。水母會不會睡覺?以 Goentoro 博士實驗室的邏輯看起來,這問題的答案就跟問,「你看不看得出來坐你旁邊的人在睡覺?」一樣基本。他們的研究,也啟發許多研究方向。例如,如果倒立水母的個體行為有類似「睡覺」的特徵,那是不是相似的特徵也可以在個別神經元的活動上,看出些許端倪呢?如果在倒立水母神經元的活動上也驗證了這個假說,那可見,對睡眠的需求或許不是中樞大腦才會需要的,對於個別神經細胞,好好睡覺這件事,也是不可缺的啊!

 

原始論文:Nath RD, et al. The Jellyfish Cassiopea Exhibits a Sleep-like State. Curr Biol. 2017 Sep 16. pii: S0960-9822(17)31023-0. doi: 10.1016/j.cub.2017.08.014.

參考資料:

  1. Pennisi E. You don’t need a brain to sleep. Just ask jellyfish. Science. Sep 21, 2017.
  2. Trojanowski NF, et al. Call it Worm Sleep. Trends Neurosci. 2016 Feb;39(2):54-62. doi: 10.1016/j.tins.2015.12.005. Epub 2015 Dec 30.
  3. Katsuki T, et al. Jellyfish nervous systems. Curr Biol. 2013 Jul 22;23(14):R592-4. doi: 10.1016/j.cub.2013.03.057.
  4. Joiner, WJ. Unraveling the evolutionary determinants of sleep. Curr. Biol. 2016; 26: R1073–R1087
  5. Satterlie, et al. Do jellyfish have central nervous systems? J. Exp. Biol. 2011; 214: 1215–1223

 

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作者:駱宛琳 美國聖路易華盛頓大學(Washington University in St. Louis)免疫學博士,從事T細胞發育與活化相關的訊息傳導研究。

 

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