本文来源于海潮天下（Marine Biodiversity）
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睡眠是每个人生活中的必需品，它不仅能帮助我们恢复体力，还在神经系统和细胞健康方面扮演着至关重要的角色。那么，睡眠，究竟是如何演化出来的？它为什么会成为几乎所有动物，尤其是拥有神经系统的动物，如水母、海葵等，必不可少的行为？
这个问题关乎人类健康，也长期困扰着生物学家们。最近，一项最新的研究对这一问题进行了深入探讨，揭示了睡眠如何帮助这些看似简单的水生动物修复DNA损伤，甚至可能在睡眠演化的早期起到关键作用。
仙后水母的睡眠——白天活跃，夜晚修复
在自然界中，仙后水母（Cassiopea andromeda）是一种非常特殊的生物。它生活在浅水区域，通常与光合作用的单细胞藻类共生，白天它们活跃，利用阳光获得能量；而到了夜晚，它们的活动则明显减少，进入休息状态。这种水母的睡眠状态，一直是科学家们研究的对象。
▲上图：仙后水母。摄影师：Raimond Spekking（CC BY-SA 4.0）
科学家们用红外摄像头，仔细监测仙后水母的行为，发现它们在夜间的活动频率明显低于白天。具体来说，仙后水母的“脉动”频率——即水母伞盖的扩张和收缩频率——在白天为36.4次/分钟，而在夜间为31.9次/分钟，显示出典型的昼夜节律。
为了更准确地界定睡眠，研究人员给水母施加光刺激，来测试其反应能力。结果他们发现，当水母的脉动频率低于每分钟37次，且维持超过三分钟时，它们对刺激的反应显著减慢，这标志着它们已进入了睡眠状态。
在实验室条件下，仙后水母的睡眠模式表现为晚上睡眠时间较长（约63.7%），而白天的睡眠时间则较短（45.3%）。更为有趣的是，研究还发现，仙后水母不仅仅在夜间休息，它们在中午时分也会进行短暂的小睡，这一点与人类的午休类似。通过这种规律性的睡眠，水母能够更好地恢复体力，并修复白天积累的细胞损伤，尤其是DNA损伤。
星状海葵的睡眠，在黄昏时
在这个研究中，另一种研究对象是星状海葵（Nematostella vectensis）。
它们的生活方式跟仙后水母有很大的不同。星状海葵主要在黄昏和夜晚活动，因此，它们被认为是“黄昏型”动物。在仔细观察了海葵的行为后，研究人员发现它们的睡眠模式也存在昼夜节律，并且受到生物钟和体内稳态的双重调控。
星状海葵，也翻译为小星海葵，是一种属于刺胞动物门的模式生物，广泛应用于进化发育生物学和基因组学研究。它呈半透明的蠕虫状，拥有中心口部及周围的一圈触手，常栖息于沿海盐沼的泥沙中。由于其基因组序列与人类等脊椎动物具有显著的保守性，科学家常用它来探究生命演化早期关于神经系统发育、组织再生以及睡眠修复DNA损伤等基础生物学机制。上图来自史密森尼环境研究中心（CC BY-SA 2.0）
在这项研究中，研究人员使用红外摄像头监测了18只星状海葵的行为，并对其活动进行量化。他们发现，海葵在黄昏（ZT6-ZT18）时段活动最为频繁，而在黎明（ZT18-ZT6）时段则活动减少，进入了休息状态。
为了进一步确认星状海葵的睡眠状态，研究人员给它们施加了不同强度的光刺激，并观察它们的反应时间。结果显示，经过8分钟的安静期后，海葵的反应速度明显变慢，这表明它们处于一种睡眠状态。
不仅如此，研究人员还发现，星状海葵的睡眠与仙后水母相似，睡眠时也能有效减轻DNA损伤。无论是暴露于自然环境中的光线变化，还是人为的光暗转换，都会影响星状海葵的睡眠，进而帮助它们修复DNA损伤。进一步的实验表明，睡眠丧失会导致海葵的DNA损伤增加，而恢复睡眠后，DNA损伤得以修复。
▲上图：睡眠减少刺胞动物神经元的DNA损伤。实验记录了两类物种在光暗周期下的睡眠模式（图a-d），并利用免疫荧光技术观察其神经元核内代表DNA损伤的γH2AX焦点（图e-h）。结果显示，在正常睡眠期间，神经元中的DNA损伤水平显著下降；而一旦进行睡眠剥夺（SD），这些生物神经元内的DNA损伤则会大幅累积（图i-l）。这一发现表明，即便是在进化地位较低的刺胞动物中，睡眠对维持神经系统基因组的完整性也发挥着不可或缺的作用。论文出处：Aguillon, R., Harduf, A., Sagi, D. et al.
DNA损伤与睡眠，是相互影响的
无论是仙后水母还是星状海葵，科学家们都观察到，睡眠不仅能恢复体力，还能修复细胞，尤其是神经元中的DNA损伤。
DNA损伤通常是在动物清醒状态下积累的，原因包括紫外线辐射、活性氧（ROS）分子以及神经元活动中的代谢产物。由于神经元是无法分裂的细胞，因此它们尤其容易受到这种损伤的影响。而在睡眠状态下，细胞活动减少，为DNA的修复提供了时间窗口。
科学家们通过检测这些动物体内的DNA损伤标志物——γH2AX，发现水母和海葵在清醒期时，DNA损伤标记物的数量显著增加，而在睡眠期时，这些损伤得到了有效的修复。此外，研究还发现，睡眠剥夺会导致DNA损伤的积累，而一旦恢复睡眠，DNA损伤的水平则会降低，表明睡眠对DNA修复至关重要。
这一发现非常重要，它表明睡眠不仅是为了恢复体力，还起到了保护基因组的作用，确保细胞功能的正常运作。特别是对于一些基础的神经网络结构，如水母和海葵的神经系统，睡眠可能是保护这些神经元免受外部压力、延长其存活和功能的关键机制。
在研究中，科学家们还考察了紫外线（UV）对睡眠的影响。
紫外线辐射是一种强烈的DNA损伤源，而水母和海葵生活在海洋环境中，经常暴露在紫外线下。因此，研究人员在实验中暴露了水母和海葵于UVB辐射，并观察它们的DNA损伤水平及睡眠模式。
结果显示，紫外线照射后，DNA损伤标志物的数量迅速增加，紧接着，水母和海葵都表现出了更强的睡眠需求，进入了更长时间的休息期。这表明，紫外线辐射通过加剧DNA损伤，可能促进了它们的睡眠需求。
原来，睡“美容”觉，真不是吹？~
对仙后水母和星状海葵的研究，让科学家们得出了一个令人震惊的结论：睡眠可能是为了修复DNA损伤、维持基因稳定而在动物进化过程中逐渐形成的一个关键机制。它不光是动物们简单的休息、体力恢复过程；它可能是早期动物在面对外界环境压力时，为了保护自身基因、修复DNA损伤而进化出来的。
与此同时，该研究还发现，睡眠并不依赖复杂的神经系统进行调控。即便是那些神经网络相对简单的生物体，它们也能够通过睡眠修复受损的DNA，以此帮助动物在充满挑战的环境中生存下来，保障细胞和基因组的稳定。
感兴趣的“海潮天下”（Marine Biodiversity）读者可以参看全文：
Aguillon, R., Harduf, A., Sagi, D. et al. DNA damage modulates sleep drive in basal cnidarians with divergent chronotypes. Nat Commun 17, 3 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-025-67400-5
01
DNA损伤（DNA Damage）
DNA损伤是指DNA分子结构的改变、或破坏，通常由外界环境因素如紫外线、化学物质、辐射、氧化应激等引起。DNA损伤可能表现为单链断裂、双链断裂、碱基损伤或碱基错配等。这种损伤如果不及时修复，会影响基因的正常功能，导致细胞异常分裂、突变，甚至诱发癌症等疾病。细胞有一系列的DNA修复机制来检测、并修复这些损伤，以维持基因组的稳定性和细胞的正常功能。
02
自我修复（Autorepair）
自我修复（Autorepair）指的是生物体或细胞在受到损伤、或遭遇不利环境因素时，能够自动启动一系列内在机制，修复自身的损伤，恢复到正常状态的过程。这种修复过程通常是借助细胞内的各种酶和蛋白质来完成的，能够识别并修复细胞内的损伤，包括DNA损伤、蛋白质折叠错误、细胞膜破损等。自我修复是生物体维持生命活动和长期稳定的关键机制之一。
比如植物在受到机械损伤（如修剪、风吹、动物啃食）后，能够启动一系列自我修复机制（封锁与覆盖）。树木在被砍伐或刮伤时，会生成树皮、来封闭伤口，避免水分流失和病菌入侵。比如说，橡树在树皮受到损伤时，会通过不断增加树皮层，快速封闭伤口并启动免疫反应，防止木材腐烂。在一些植物中，如番茄，受伤部位会激活茉莉酸等信号分子，增强局部的免疫反应。
在脊椎动物中，人类肝脏的再生能力堪称生物学上的奇迹。肝脏作为人体内最强大的代谢器官，具备显著的补偿性增生能力。即使肝脏组织因病变、或手术被部分切除，剩余的健康肝细胞也会在24~48小时内迅速响应，进入高频的细胞周期。虽然临床上细胞分裂的峰值有其生理限度，但其增殖效率足以让肝脏在术后数周内恢复到原始体积的80%以上。通常情况下，经过数月的形态优化和功能重建，肝脏就能完全恢复其复杂的生理功能。
03
脉动行为（Pulsation Behavior）
脉动行为（Pulsation Behavior）是指一些水生动物，如水母和海葵，周期性收缩和舒张体内的肌肉或触手，产生有节律的动作。这种行为主要用于推动动物在水中运动，也可能与呼吸、食物捕捉及其他生理功能密切相关。水母借助伞状体的收缩和放松排水推动自己前进，而海葵则通过触手的收缩来维持位置或捕捉猎物。这个研究中，研究人员分析脉动行为，目的是精确地评估这些动物在休息或活动状态下的行为差异、并理解它们的生理和神经调控机制。
Q1、该研究探讨了睡眠在水母和海葵等简单神经网络动物中的作用，而这些动物的神经系统相对还是比较原始的。那么，这些没有高度复杂大脑的动物，是如何调节睡眠与觉醒的？它们的睡眠机制与哺乳动物（如我们人类）有何异同呢？这种对比，能否为理解更高等动物睡眠的基础机制提供新的视角？
Q2、这个研究揭示了在诸如水母、海葵等简单生物中，睡眠与DNA修复之间的紧密联系。基于这些发现，是否可以提出一种新的睡眠调节理论，探索如何通过调整睡眠时长、深度或周期性等参数，来在更复杂的生物体（如人类）中优化细胞修复和延缓衰老过程？特别是在抗衰老医学领域，是否能够借助这一原理，开发出通过调节睡眠来增强基因稳定性、或是减少衰老标志物的干预策略呢？
Q3、睡眠是否真的是物种间的普适机制，抑或只是特定物种在特定生态环境下的适应性进化产物？
本文参考资料
https://doi.org/10.1038/s41467-025-67400-5
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资讯源 | Aguillon, R., Harduf, A., Sagi, D. et al.
文 | 王海诗
排版 | 卢晓雨
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