科學家為測試水母是否會睡覺竟給它吃「腦白金」

天下 09-06

睡眠在高等動物中十分普遍，比如我們人類，一生中近三分之一的時間都用來睡覺。不過，在閉目養神之前，你是否曾考慮過，那些結構簡單的動物們需不需要睡覺呢？

猜猜看，下面哪些生物會睡覺呢？

神經系統的演化及其代表動物。圖片：Silverthorn, D. U. / Humanphysiology（2007）

在過去十幾年中，科學家們剛剛證實了包括斑馬魚、果蠅甚至線蟲在內的「有腦」生物都存在類似睡眠的行為。也就是說，上圖中從扁形蟲（B）到哺乳動物（F）都會睡覺。那麼新的問題來了，「無腦」的水母會睡覺嗎？

「無腦」的水母。圖片：Egor Kamelev / Pexels

水母擁有多細胞動物中最原始、最簡單的網狀神經系統。它的神經元只是互相連接形成一個鬆散的網路，並不存在中樞及明顯的功能分區，屬於典型的「無腦」動物。所以，只要搞清楚水母會不會睡覺，就能知道「腦對於睡眠是否必要」。

如何證明水母是否睡覺？

水母沒有眼睛、不會說話，也不會做出躺卧動作，怎樣才能判斷它們是否在睡覺呢？好在有下面三條有關睡眠行為的標準，目前在許多物種中被普遍接受，可以用來借鑒：

靜息（quiescence），即活動性的降低。

對外界刺激反應的降低（reduced responsiveness）。

穩態反彈（homeostatic rebound），即在睡眠剝奪後會有反彈。

這三條標準翻譯成人話分別是：

睡著了動彈少。

睡著了反應更慢。

熬夜不睡之後會困、要補覺。

熬夜之後根本睜不開眼。圖片：《貓和老鼠》

如果是用小鼠、果蠅等常見模式生物做實驗，很容易就能找到材料，但還很少有人將水母這種海洋精靈請進實驗室。所以，想要進行這項研究，好像必須先去海里捕捉水母才行，不然只能「望洋」興嘆了。

有三位來自加州理工學院的博士生，在一次茶餘飯後的閑談中聊到了這個問題。碰巧的是，他們當中有一個人剛好養了幾箱水母在做其他研究。於是三人立即趕去實驗室一探究竟——當他們把水箱的燈光關閉後，神奇的事情發生了，這些水母的規律性收縮看上去放慢了，就像是在睡覺一樣。於是，他們決定用上文所述的嚴格標準來測試一下，這算不算是真的睡眠行為。

測試1：晝夜活動性差異

這種在實驗室培養的是一種屬於仙女水母屬（Cassiopea）的水母。不同於在水族館中常見的四處飛舞的水母，仙女水母在大多數時候是「倒立」著坐在海底的，這使得它們非常易於飼養和觀察。平時，它們會規律地收縮。

萌萌噠「小仙女」。圖片：Nath, R. D. et al. / Current Biology（2017）

研究者用攝像機詳細地記錄了水母在白天和夜間的收縮行為。結果發現，在白天這些水母每隔一兩秒鐘會規律地收縮一次。而到了晚上，它們不僅會時不時地停下來不再收縮，並且收縮時的頻率也降低了不少。

圖像上方和下方分別是白天晚上收縮的頻率。

圖片：Nath, R. D. et al. / Current Biology（2017）

重要的是，這樣的結果並不只出現在個別水母。在他們觀察的全部23隻水母中，都一致地出現了白天明顯比夜間更活躍的現象。在白天，它們平均每分鐘收縮58次，在晚上則平均每分鐘收縮39次。

測試2：對外界刺激的反應

睡眠時的另一個特徵是對外部世界的刺激反應降低。要測試水母在晚上是不是也有這個特點，三位博士生也大開腦洞，根據仙女水母的習性「量身打造」了一款獨家檢測法。仙女水母天生喜歡「宅」—— 無論白天還是晚上，只要有突然而來的外力把它們從舒適的「床」上（海底）拽起來，它們都會趕緊游回去。因此，測試反應速度的方法，就是檢查仙女水母突然漂浮起來後，再游回去時的反應有多快。

他們把一隻仙女水母放在一個有底的小管中，一併放在水箱中。每次測量時，他們會把小管慢慢提起，然後瞬間放下，這時水母就因為慣性而漂浮在水中。隨後，他們會記錄水母開始遊動的時間和游回到小管底部的時間。

還能不能讓水母好好睡覺了。圖片：Nath, R. D. et al. / Current Biology（2017）

實驗結果顯示，比起白天時，在夜裡「睡得迷迷糊糊」的仙女水母果然需要更多時間才能意識到自己不在原位，同時也需要花更長時間才能游回管底。也就是說，仙女水母在晚上對外界刺激的反應確實變慢了。

測試3：熬夜的影響

要驗證「熬夜」對水母的影響，首先遇到的難處就是該怎樣讓水母「失眠」呢？畢竟，仙女水母們既不會熬夜刷手機，也不會趕deadline，有什麼理由「失眠」呢？不過，在三位思(sang)如(xin)泉(bing)涌(kuang)的博士生看來，這也不是什麼難事。他們很快找到一種的方法：「可勁兒折騰它們」——只要每20分鐘用水流把可憐的小水母吹起來並持續10秒鐘，就可以讓它們整晚上睡不安穩。

參加「熬夜」實驗的（可憐的）仙女水母 (5倍真實速度)。

圖片：Nath, R. D. et al. / Current Biology（2017）

於是，他們用這種方法整晚地「折騰」仙女水母，然後記錄它們接下來的活躍程度。不出所料，經歷「熬夜」的第二天，水母們的活躍度果然相比往常大幅下降；甚至在緊接著的第二天晚上，它們也比平時睡得更「沉」一些。

作為對照實驗，如果水母們是在白天遭到了「折騰」，那接下來的黑夜和白天，它們的活躍度與往常相比沒有什麼很大的變化。看起來，仙女水母們的「睡眠」確實存在一個穩態調節機制。

更多的證據

通過這三組實驗，三人其實已經證明了水母中存在一種非常接近於我們慣常稱為「睡眠」的行為。不過，他們想進一步看看，這種行為在化學調控機制上，是否也與其他動物的睡眠行為類似。

於是，他們嘗試著向水箱中加入脊椎動物中常見的調控睡眠和光周期的分子：褪黑色素(melatonin)。這種分子還有一個更廣為人知的俗名——「腦白金」。對於大多數日間活動的哺乳動物來說，血清中的褪黑色素濃度會在白天降低、晚上升高，進而調控全身的睡眠活動。

神奇的是，褪黑色素確實降低了仙女水母在白天的活躍度，而且降低程度也與褪黑色素的濃度成正相關。也就是說，褪黑色素這種參與了哺乳動物睡眠調控的分子，可能具有驚人的演化上的保守性。

加入褪黑色素後，水母的活動性很快降低。

圖片：Nath, R. D. et al. / Current Biology（2017）

原來，「腦白金」並不是有腦動物的專利，早在「腦」沒有出現時，褪黑色素就已經在調控神經系統的睡眠行為了。

上述一系列研究結果或許意味著，睡眠是動物神經系統的一種不依賴於腦的、可以直接依託整個神經網路本身的特性。這為科學家們理解「我們什麼要睡覺」帶來了新的思路。

那麼這一發現對水母飼養有什麼實際意義嗎？

答案是：並沒有

但科學就是這樣，當年發現磁生電時給貴族和官員演示

被嘲笑：這有什麼用，可以換錢嗎？

反駁道：未來你或許可以對它進行收稅。

後來事實已經證明了一切。