مصر: إيهاب محمد زايد
عادة ما تكون دراسات النوم عصبية. لكن بعض أبسط الحيوانات في الطبيعة تشير إلى أن النوم قد تطور لأسباب تتعلق بالتمثيل الغذائي ، قبل وقت طويل من وجود الأدمغة.
لقد ثبت أن أحد أبسط أشكال الحياة الحيوانية ، وهو كائن مائي صغير يسمى هيدرا ، يقضي بعض الوقت كل بضع ساعات نائما – وهي حقيقة تعمق اللغز حول سبب تطور النوم في المقام الأول.
الهيدرا مخلوق بسيط. يبلغ طول جسمه الأنبوبي أقل من نصف بوصة ، وله قدم في أحد طرفيه وفم في الطرف الآخر. تتشبث القدم بسطح تحت الماء – ربما نبات أو صخرة – والفم ، المحاط بمخالب ، يسقط براغيث الماء. ليس لديها دماغ ، أو حتى الكثير من الجهاز العصبي.
ومع ذلك ، أظهر بحث جديد أنه ينام. أظهرت الدراسات التي أجراها فريق في كوريا الجنوبية واليابان أن الهيدرا يسقط بشكل دوري في حالة راحة تفي بالمعايير الأساسية للنوم.
في ظاهر الأمر ، قد يبدو ذلك بعيد الاحتمال. لأكثر من قرن ، بحث الباحثون الذين يدرسون النوم عن غرضه وبنيته في الدماغ. لقد استكشفوا روابط النوم بالذاكرة والتعلم. لقد قاموا بترقيم الدوائر العصبية التي تدفعنا إلى الأسفل في سبات غافل وتخرجنا منه. لقد سجلوا التغيرات الواضحة في موجات الدماغ التي تحدد مرورنا خلال مراحل مختلفة من النوم وحاولوا فهم ما يدفعهم. تشهد جبال البحث والتجربة اليومية للناس على ارتباط نوم الإنسان بالدماغ.
لكن ظهرت وجهة نظر معاكسة لهذه النظرة المتمحورة حول الدماغ للنوم. لاحظ الباحثون أن الجزيئات التي تنتجها العضلات وبعض الأنسجة الأخرى خارج الجهاز العصبي يمكن أن تنظم النوم. يؤثر النوم على عملية التمثيل الغذائي بشكل واسع في الجسم ، مما يشير إلى أن تأثيره ليس عصبيًا فقط. وقد أظهرت مجموعة العمل التي كانت تنمو بهدوء ولكن باستمرار لعقود من الزمن أن الكائنات الحية البسيطة ذات الدماغ الأقل تقضي وقتًا طويلاً في القيام بشيء يشبه إلى حد كبير النوم. في بعض الأحيان يتم تصنيف سلوكهم على أنه “يشبه النوم” فقط ، ولكن مع الكشف عن المزيد من التفاصيل ، أصبح من الواضح بشكل أقل أهمية لماذا هذا التمييز ضروري.
يبدو أن المخلوقات البسيطة – بما في ذلك ، الآن ، الهيدرا بلا عقل – يمكنها النوم. والمضمون المثير للاهتمام لهذه النتيجة هو أن الدور الأصلي للنوم ، المدفون منذ مليارات السنين في تاريخ الحياة ، ربما كان مختلفًا تمامًا عن المفهوم البشري القياسي له. إذا كان النوم لا يتطلب دماغًا ، فقد يكون ظاهرة أوسع عمقًا مما توقعنا.
التعرف على النوم
النوم ليس مثل السبات ، أو الغيبوبة ، أو السكر ، أو أي حالة خمول أخرى ، كما كتب عالم النوم الفرنسي Henri Piéron في عام 1913. على الرغم من أن كل شيء ينطوي على غياب مماثل ظاهريًا للحركة ، إلا أن لكل منها صفات مميزة ، وهذا الانقطاع اليومي لـ كانت تجربتنا الواعية غامضة بشكل خاص. الذهاب بدونها جعل المرء ضبابيًا ، مرتبكًا ، عاجزًا عن التفكير الواضح. بالنسبة للباحثين الذين أرادوا معرفة المزيد عن النوم ، بدا أنه من الضروري فهم ما يفعله بالدماغ.
وهكذا ، في منتصف القرن العشرين ، إذا كنت ترغب في دراسة النوم ، فقد أصبحت قارئًا خبيرًا في مخطط كهربية الدماغ ، أو تخطيط كهربية الدماغ. سمح وضع أقطاب كهربائية على البشر أو القطط أو الفئران للباحثين بالقول بدقة واضحة ما إذا كان الشخص نائمًا وما هي مرحلة النوم التي كانوا فيها. أنتج هذا النهج العديد من الأفكار ، لكنه ترك تحيزًا في العلم: كل شيء تقريبًا تعلمناه عن النوم جاءت من الحيوانات التي يمكن تزويدها بأقطاب كهربائية ، وتم تحديد خصائص النوم بشكل متزايد من حيث نشاط الدماغ المرتبط بها.
أحبط هذا إيرين توبلر ، عالمة فيزيولوجيا النوم التي كانت تعمل في جامعة زيورخ في أواخر السبعينيات ، والتي بدأت في دراسة سلوك الصراصير ، فضوليًا ما إذا كانت اللافقاريات مثل الحشرات تنام مثل الثدييات. بعد قراءة Piéron وغيره ، أدرك توبلر أن النوم يمكن تعريفه من الناحية السلوكية أيضًا.
قامت بتقطير مجموعة من المعايير السلوكية لتحديد النوم بدون تخطيط كهربية الدماغ. الحيوان النائم لا يتحرك. من الصعب الاستيقاظ أكثر من الاستيقاظ ببساطة. قد يتخذ وضعًا مختلفًا عما هو عليه عند الاستيقاظ ، أو قد يبحث عن مكان محدد للنوم. بمجرد الاستيقاظ ، يتصرف بشكل طبيعي وليس بطيئًا. وأضافت توبلر معيارًا خاصًا بها ، مستمدًا من عملها مع الفئران: فالحيوان النائم الذي تعرض للاضطراب سينام لاحقًا لفترة أطول أو أعمق من المعتاد ، وهي ظاهرة تسمى توازن النوم.
تشخيصات للنوم في الحشرات.
بإذن من إيرين توبلر
سرعان ما أوضحت توبلر قضيتها بأن الصراصير كانت إما نائمة أو تفعل شيئًا يشبه ذلك. كانت استجابة زملائها ، الذين درس معظمهم الثدييات عالية المستوى ، فورية. قال توبلر: “كان التفكير في هذا بدعة”. “لقد سخروا مني حقًا في سنواتي الأولى. لم يكن الأمر ممتعًا للغاية. لكنني شعرت أن الوقت سيخبرنا نوعًا ما “. درست العقارب والزرافات والهامستر والقطط – 22 نوعًا في المجموع. كانت مقتنعة بأن العلم سيؤكد في النهاية أن النوم منتشر على نطاق واسع ، وفي دراسات لاحقة للنوم ، أثبتت معاييرها السلوكية أنها حاسمة.
كانت هذه المعايير في أذهان أميتا سيجال في كلية الطب بجامعة بنسلفانيا ، بول شو (الآن في كلية الطب بجامعة واشنطن في سانت لويس) وزملائهم في أواخر التسعينيات. لقد كانوا جزءًا من مجموعتين مستقلتين بدأتا في البحث عن كثب في سكون ذباب الفاكهة. يقول سيجال إن النوم كان إلى حد كبير مجال اختصاص علماء النفس ، وليس العلماء الذين درسوا علم الوراثة أو بيولوجيا الخلية. فيما يتعلق بالآليات ، من منظور عالم الأحياء الجزيئية ، “كان مجال النوم نائمًا” ، على حد قولها.
ومع ذلك ، كان المجال المجاور لبيولوجيا الساعة البيولوجية ينفجر بالنشاط ، بعد اكتشاف الجينات التي تنظم ساعة 24 ساعة في الجسم. إذا أمكن الكشف عن الآليات الجزيئية الكامنة وراء النوم – إذا كان من الممكن استخدام كائن نموذجي مفهومة جيدًا مثل ذبابة الفاكهة لدراستها – فهناك احتمال حدوث ثورة في علم النوم أيضًا. لا يمكن توصيل الذباب ، مثل صراصير توبلير والعقارب ، بسهولة بجهاز تخطيط كهربية الدماغ. لكن يمكن ملاحظتهم بدقة ، ويمكن تسجيل استجاباتهم للحرمان.
مع دماغ أقل وأقل
في يناير 2000 ، نشرت Sehgal وزملاؤها ورقتهم التي تؤكد أن الذباب كان نائمًا. في شهر مارس من ذلك العام ، نشر شو وزملاؤه عملهم الموازي لتأكيد الادعاء. كان المجال لا يزال مترددًا في الاعتراف بأن النوم الحقيقي موجود في اللافقاريات ، وأن نوم الإنسان يمكن دراسته بشكل مفيد باستخدام الذباب ، كما يقول شو. لكن الذباب أثبت جدارته. اليوم ، يستخدم أكثر من 50 مختبرًا الذباب لدراسة النوم ، مما يؤدي إلى نتائج تشير إلى أن للنوم مجموعة من الميزات الأساسية الموجودة في جميع أنحاء المملكة الحيوانية. وعلماء الأحياء لم يتوقفوا عند الذباب. قال شو: “بمجرد أن أظهرنا أن الذباب نائم ، أصبح من الممكن القول إن أي شيء نام”.
لم يكن النوم الذي درسه الباحثون في الأنواع الأخرى مشابهًا دائمًا للتنوع البشري القياسي. أدرك الباحثون أن الدلافين والطيور المهاجرة يمكن أن ترسل نصف دماغها للنوم بينما تبدو مستيقظة. تقضي الأفيال كل ساعة تقريبًا مستيقظة ، بينما تقضي الخفافيش البنية الصغيرة كل ساعة تقريبًا نائمة.
في عام 2008 ، أفاد David Raizen وزملاؤه بالنوم في Caenorhabditis elegans ، وهي الدودة المستديرة المستخدمة على نطاق واسع ككائن حي نموذجي في مختبرات الأحياء. لديهم 959 خلية فقط من خلايا الجسم (بصرف النظر عن الغدد التناسلية الخاصة بهم) ، مع 302 خلية عصبية يتم تجميعها في الغالب في عدة مجموعات في الرأس. على عكس العديد من المخلوقات الأخرى ، لا تنام C. elegans لجزء من كل يوم من حياتها. بدلاً من ذلك ، ينام لفترات قصيرة أثناء تطوره. كما أنه ينام بعد فترات من التوتر كشخص بالغ.
يبدو أن الدليل على النوم في المخلوقات ذات الجهاز العصبي البسيط قد وصل إلى مستوى جديد قبل حوالي خمس سنوات بدراسات على قناديل البحر. تقضي جيلي كاسيوبيا ، التي يبلغ طولها حوالي أربع بوصات ، معظم وقتها مقلوبة ، وتصل مخالبها نحو سطح المحيط ، وتنبض لدفع مياه البحر عبر أجسامها. عندما سأل مايكل أبرامز ، وهو الآن زميل في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، وطالبان آخران من طلاب الدراسات العليا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا عما إذا كان كاسيوبيا قد ينام ، كانوا يواصلون خط الاستفسار الذي اتبعته توبلر عندما درست الصراصير ، والتحقيق في ما إذا كان النوم موجود في الكائنات الحية الأبسط من أي وقت مضى. إذا كان قنديل البحر ينام ، فإن هذا يشير إلى أن النوم ربما يكون قد تطور منذ أكثر من مليار سنة ويمكن أن يكون وظيفة أساسية لجميع الكائنات الحية تقريبًا في المملكة الحيوانية ، وكثير منها ليس لديه أدمغة.
لا يمتلك قنديل البحر “المقلوب” كاسيوبيا جهازًا عصبيًا مركزيًا ولكنه ينام. لا تتوقف الحيوانات أبدًا عن الحركة تمامًا ، ولكن في الليل يتباطأ معدل نبضاتها ، وتظهر سلوكيات أخرى مرتبطة بالنوم.
جاكوبو ويرثر
هذا لأنه من بين الحيوانات ، قنديل البحر تطوريًا بعيدًا بقدر ما يمكنك الحصول عليه من الثدييات. جيرانهم في شجرة الحياة هم الإسفنج ، الذين يقضون حياتهم مرتبطًا بالصخور في المحيط ، و placozoans ، وهي مجموعات صغيرة من الخلايا شاهدها العلماء لأول مرة على جدران أحواض أسماك مياه البحر. على عكس المخلوقات الأخرى التي لوحظت وهي نائمة ، لا يوجد لدى كاسيوبيا دماغ ولا نظام عصبي مركزي. لكن يمكنهم التحرك ، ولديهم فترات راحة. رأى طلاب Cal Tech أنه ينبغي أن يكون من الممكن تطبيق معايير النوم السلوكي عليهم.
كان من السهل نسبيًا التحقق من المربعات القليلة الأولى. على الرغم من أن قنديل البحر ينبض ليلاً ونهارًا ، أظهر أبرامز ومعاونوه أن معدل النبض يتباطأ بطريقة مميزة في الليل ، وأن الحيوانات يمكن أن تنهض من هذه الحالة ببعض الجهد. (كانت هناك أيضًا مؤشرات على أن قنديل البحر فضل وضعًا معينًا على منصة في الخزان خلال هذه الفترات الأكثر هدوءًا ، لكن أبرامز يعتبر أن الأدلة لا تزال سردية). تزعجهم دون إزعاجهم. في النهاية ، استقر أبرامز ومعاونيه على إخراج المنصة من تحتها ؛ عندما حدث ذلك ، ستغرق كاسيوبيا وترتفع مرة أخرى ، وتنبض بمعدل النهار.
يمكن ملاحظة نبض قنديل البحر كاسيوبيا في هذه السلسلة من الصور المأخوذة من الأعلى. الحافة الخارجية للحيوان مسترخية إلى اليسار. يتقلص على الصورتين التاليتين ، ثم يرتاح مرة أخرى. يساعد معدل هذا النبض في الإشارة إلى النوم في قنديل البحر.
في وقت لاحق ، كانت هناك علامات منبهة لتنظيم الاستتباب: كلما زاد اضطراب قنديل البحر ، قل تحرك المخلوقات في اليوم التالي. قال أبرامز: “لم نقم ببيعها حتى رأينا لائحة الاستتباب”. نُشرت نتائج الفريق في عام 2017 ، وواصل أبرامز سبر جينات قنديل البحر وعلم الأعصاب منذ ذلك الحين.
النوم في السياق
الاكتشافات الجديدة حول النوم في الهيدرا تدفع باكتشافات النوم إلى مستوى جديد. إن جسم هيدرا وجهازها العصبي بدائية أكثر من جسد كاسيوبيا. ومع ذلك ، كما أوضح الباحثون من جامعة كيوشو في اليابان ومعهد أولسان الوطني للعلوم والتكنولوجيا في كوريا الجنوبية ، بمجرد دخول الهيدرا في حالة الراحة ، فإن نبضة من الضوء ستثيرها ، وتنام لفترة أطول بعد الحرمان المتكرر ، من بين نتائج أخرى. .
يتميز Hydra sleep بخصائصه: الدوبامين ، الذي يجعل الحيوانات عادة تنام أقل ، تسبب في توقف الهيدرا. لا يبدو أن الهيدرا تنام في دورة مدتها 24 ساعة ، وبدلاً من ذلك تقضي جزءًا من كل أربع ساعات نائمة. يقترح توبلر أن شيئًا ما حول طريقة حياة هيدرا ربما جعل هذه السمات مفيدة.
عندما تكون نشطة ، تستخدم الهيدرا مخالبها لوقوع فريسة عابرة. ثم تسحب الهيدرا ضحيتها في فمها.
ولكن على الرغم من هذه الاختلافات ، قد يتداخل نوم الهيدرا مع نوم الحيوانات الأخرى على المستوى الجيني. عندما بحث الباحثون عن النشاط الجيني الذي تغير بسبب الحرمان من النوم في الهيدرا ، رأوا بعضًا منها مألوفًا. كتب تايتشي إيتوه ، الأستاذ المساعد في جامعة كيوشو وقائد الدراسة الجديدة ، في رسالة بالبريد الإلكتروني إلى كوانتا: “على الأقل بعض الجينات المحفوظة في حيوانات أخرى تشارك في تنظيم النوم في هيدرا”. تشير هذه النتيجة إلى أن فصيلة Cnidaria للحيوانات ، والتي تشمل الهيدرا وقنديل البحر ، كانت تحتوي بالفعل على بعض المكونات الجينية لتنظيم النوم قبل أن تبتعد عن أسلاف مجموعات أخرى من الحيوانات. نظرًا لأن هذه الحيوانات قد طورت تدريجيًا أجهزة عصبية مركزية ، فقد يكون للنوم وظائف جديدة للحفاظ عليها.
إذن ما الذي يفعله النوم في حالة عدم وجود دماغ؟ يشتبه رايزن في أن للنوم ، على الأقل بالنسبة لبعض الحيوانات ، وظيفة التمثيل الغذائي بشكل أساسي ، مما يسمح بحدوث تفاعلات كيميائية حيوية معينة لا يمكن أن تحدث أثناء ساعات الاستيقاظ. قد يحول الطاقة التي سيتم استخدامها من خلال اليقظة والحركة إلى عمليات أخرى ، تلك التي تكون مكلفة للغاية بحيث لا تحدث عندما يكون الحيوان مستيقظًا. على سبيل المثال ، يبدو أن C. elegans يستخدم النوم لتمكين نمو جسمه ودعم إصلاح أنسجته. في الهيدرا المحرومة من النوم ، تتوقف الانقسامات الخلوية التي تشكل جزءًا من الحياة اليومية مؤقتًا. وقد شوهد شيء مشابه في أدمغة الفئران المحرومة من النوم وفي ذباب الفاكهة. قد تكون إدارة تدفق الطاقة دورًا رئيسيًا للنوم.
تثير كل هذه الأبحاث حول الأشخاص الذين ينامون بسطاء جدًا أسئلة حول الكائن الأول الذي نام. ربما اختفى هذا النائم الأول ، مهما كان ، منذ أكثر من مليار سنة. إذا كان هو السلف المشترك بين الهيدرا والبشر ، فمن المحتمل أن يكون لديه خلايا عصبية وشيء مثل العضلات التي مكنته من الحركة – وكان غياب تلك الحركة سمة من سمات نسخته من النوم ، التي تلبي احتياجاتها الخاصة.
قال أبرامز: “إذا نام هذا الحيوان ، كان النوم مهما كان هذا السياق”. قد يكون النوم قد ساعد في الحفاظ على الجهاز العصبي البدائي للنائم الأول ، ولكن يمكن أن يكون بنفس السهولة في فوائد عملية التمثيل الغذائي أو الهضم. قال: “قبل أن يكون لدينا دماغ ، كانت لدينا أمعاء”.
يتم الآن طرح أسئلة أعمق. في ورقة رأي عام 2019 ، تساءل رايزن وزملاؤه: إذا كان النوم يحدث في الخلايا العصبية ، فما هو الحد الأدنى لعدد الخلايا العصبية التي يمكن أن تنهار؟
عيب؟ هل يمكن أن تكون الحاجة إلى النوم مدفوعة بأنواع أخرى من الخلايا ، كما يوحي العمل المتعلق بخلايا الكبد والعضلات؟
في الواقع ، هناك عدد قليل من الكائنات الحية التي قد يكشف سلوكها يومًا ما الإجابة. Placozoans ، الكائنات المجهرية متعددة الخلايا التي يبدو أنها من بين الأبسط في مملكة الحيوان ، تتحرك وتتفاعل مع محيطها. ليس لديهم خلايا عصبية ولا عضلات. لا الإسفنج ، الذي يثبت في مكانه ولكنه لا يزال يستجيب لبيئته.
قال أبرامز: “كثيرًا ما يُسأل ،” هل تنام الإسفنج؟ ” “هذا عالم جديد تمامًا. قد تكون هناك طرق لاختبار ذلك “.
