Frage:
Warum hat sich der Schlafprozess bei vielen Tieren entwickelt? Was ist sein evolutionärer Vorteil?
Gordon Gustafson
2011-12-24 21:10:51 UTC
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Der Schlafprozess scheint für einen Organismus sehr nachteilig zu sein, da er mehrere Stunden lang extrem anfällig für Raubtiere ist. Warum ist bei so vielen Tieren Schlaf notwendig? Welchen Vorteil gab es den Individuen, die sich entwickelt hatten, um es als Anpassung zu haben? Wann und wie ist es wahrscheinlich auf dem Evolutionsweg der Tiere aufgetreten?

z.B. Delfine können es sich nicht leisten, das volle Bewusstsein zu verlieren, wenn sie sich ausruhen, sonst würden sie ertrinken. Das Gehirn von Säugetieren hat sich also so entwickelt [dass jeweils nur die Hälfte des Gehirns schläft] (http://science.howstuffworks.com/environmental/life/zoology/mammals/question643.htm).
Viele Zugtiere, wie Schildkröten und Vögel, haben ebenfalls diesen Halbhirnschlaf entwickelt.
Laut einem Artikel, den ich gelesen habe, hilft das Schlafen beim Lernprozess und viele neuronale Verbindungen werden im Schlaf verstärkt.
In der Gemeinde gibt es den Vorschlag (nichts veröffentlichtes, was ich finden kann), dass sich der Schlaf entwickelt hat, um Tiere davon abzuhalten, sich auf den Weg zu machen, wenn die Bedingungen für die Jagd nicht günstig waren (zum Beispiel wurden Jäger des Tages nachts gejagt oder langsame heimliche nachtaktive Tiere wurden offensichtlich im Sonnenschein). Es ist besser, wenn sie sich nur hocken, wenn ihre Sinne nicht auf die Situationen eingestellt sind, denen sie möglicherweise gegenüberstehen.
Die Beantwortung von Teilen Ihrer Frage ist das Ziel des Buches [Warum wir schlafen] (https://www.amazon.com/Why-We-Sleep-Unlocking-Dreams/dp/1501144316) des Schlafwissenschaftlers Matthew Walker. Das Buch ist sehr beliebt und aktuell (2017).
Vier antworten:
#1
+54
DVK
2011-12-24 22:01:39 UTC
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Dieser gute nicht-wissenschaftliche Artikel behandelt einige der üblichen Vorteile (Ruhe / Regeneration).

Eine der von ihnen erwähnten Forschungsarbeiten (die mit der Pressemitteilung verknüpft waren) war Erhaltung des Schlafes: Erkenntnisse aus Nicht-Säugetier-Modellsystemen von John E. Zimmerman, Ph.D.; Trends Neurosci. 2008 Juli; 31 (7): 371–376. Online veröffentlicht am 5. Juni 2008 doi: 10.1016 / j.tins.2008.05.001; NIHMSID: NIHMS230885 . Um aus der Pressemitteilung zu zitieren:

Da die Zeit des Lethargus mit einer Zeit im Lebenszyklus der runden Würmer zusammenfällt, wenn synaptische Veränderungen im Nervensystem auftreten, schlagen sie vor, dass Schlaf ist Ein Zustand, der für die Plastizität des Nervensystems erforderlich ist. Mit anderen Worten, damit das Nervensystem wachsen und sich verändern kann, muss es eine Ausfallzeit für aktives Verhalten geben. Andere Forscher bei Penn haben gezeigt, dass bei Säugetieren synaptische Veränderungen während des Schlafes auftreten und dass Schlafentzug zu einer Störung dieser synaptischen Veränderungen führt.

Dies könnte erklären, warum [Schlafentzug die Herzfrequenz beeinflusst] (https://sleepfoundation.org/sleep-news/how-sleep-deprivation-affects-your-heart).
Dies ist insofern etwas kreisförmig, als Schlaf, der "für die Plastizität des Nervensystems erforderlich ist", einfach bedeutet, dass die Abhängigkeit der Nervenanpassung vom Schlaf nie ausgewählt wurde. Es antwortet nicht warum
In diesem Argument wird auch nicht erwähnt, warum es keine hochmodulare und redundante Gehirnarchitektur mit mindestens 2 Modulen für jedes neuroplastische Subsystem geben kann, die Schlaf- und Wachzyklen abwechseln. Eine solche Technologie gibt es bereits für große Servercluster und Racks (als rollierendes Update bezeichnet), bei denen ein Load Balancer als Front-End für Clients verwendet wird (Weiterleiten von Anforderungen an Server, die bereit sind, diese zu akzeptieren). Wenn ein Update bereitgestellt wird, werden Server heruntergefahren, aktualisiert und "rollierend" neu gestartet, sodass die meisten Server während des Updates jederzeit aktiv sind.
#2
+27
Rory M
2012-01-29 18:56:02 UTC
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Ich habe dieses Papier von Benington und Heller gefunden, das die zuvor erwähnte Theorie des Schlafes als Mechanismus zur Erneuerung des Stoffwechsels erweitert. Sie nehmen an, dass Schlaf notwendig ist, um die Glykogenspeicher (hauptsächlich in Astrozyten) im Gehirn wieder aufzufüllen. Diese Speicher werden aufgrund des hohen Energiebedarfs des Gehirns normalerweise zur Ergänzung des Blutzuckers verwendet.

Es wird vermutet, dass dies auch dazu führen kann, dass Sie sich als Folge der Erschöpfung der Glykogenversorgung in bestimmten kleinen Bereichen des Gehirns schläfrig fühlen. Eine kurze und lokalisierte Erschöpfung der Glykogenspeicher bedeutet, dass Zellen mit weniger Energie arbeiten, als sie normalerweise arbeiten müssen. Dies führt zu einem Anstieg der Adenosinsynthese aufgrund des Abbaus von AMP. Das Papier behauptet, dass die erhöhten Adenosinspiegel von Adenosinrezeptoren erfasst werden, die dann das Gefühl des Schlafbedürfnisses auslösen oder erhöhen (wie bei EEG-Scans zu sehen ist):

Flowchart of the relation of glycogen to sleep need and replenishment

Im NREM-Schlaf (was die Theorie unterstützen kann, da der NREM-Schlaf 80% des Schlafes ausmacht und sich physiologisch am stärksten vom Aufwachen unterscheidet) wird dieses Glykogen am effizientesten ersetzt. Während des NREM-Schlafes wird die Freisetzung von Glykogenolyse-induzierenden Neurotransmittern reduziert, wodurch die Glykogensynthase überwiegt und die Glykogenspiegel wiederhergestellt werden können. Dieselben Neurotransmitter sind jedoch der Schlüssel für die Verarbeitung sensorischer Reize (durch tonische Depolarisation von Neuronen im sensorischen Kortex). Daher ist die Wiederauffüllung des Glykogens immer mit einer (stark) reduzierten Reaktion auf Reize verbunden.

Dies führt zur endgültigen Beantwortung der Frage, warum Schlaf einen evolutionären Vorteil hat, den ich werde Zitat wörtlich, um die Dynamik des Autors aufrechtzuerhalten:

Die Wiederauffüllung des Glykogens während des Aufwachens wäre schlecht anpassbar, da dies die Fähigkeit des Organismus beeinträchtigen würde, sensorische Reize zu verarbeiten und darauf zu reagieren. Der Schlaf hat sich daher zu einem Zustand entwickelt, in dem sich Tiere in eine sichere Umgebung zurückziehen, das Verhalten unterdrückt und die Glykogenspeicher wieder aufgefüllt werden .

Ist es also nur ein Zufall, dass der Stoffwechselweg der Glykogensynthese im Gehirn durch Neurotransmitter reguliert wird? Wenn es sich unabhängig entwickelt hätte - würden wir keinen Schlaf brauchen?
@MartaCz-C, das ist ein wirklich guter Punkt, und wenn ich ehrlich bin, habe ich mich bemüht, eine Antwort in der Literatur für Sie zu finden. Man könnte jedoch sagen, dass, da die Glykogenreserven im Wesentlichen eine Notstromversorgung sind, selbst wenn Neurotransmitter nicht beteiligt wären, eine solche Versorgung ohne einen stark reduzierten Energiebedarf (dh im Schlaf) wahrscheinlich nicht wieder aufgefüllt wird, da sonst Glukose ankommt würde schnell verwendet werden, anstatt in der Glykogenese gespeichert zu werden. In diesem Fall könnte es sich eher um eine Anpassung als um ein Zusammentreffen handeln, bei dem ein Organismus gezwungen wird, sich eine Pause einzulegen, um diese Vorräte wieder aufzubauen.
#3
+9
Innab
2011-12-24 23:49:37 UTC
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Nach dem, was ich gelernt habe, gibt es zwei Theorien, um diese Frage zu beantworten:

  1. Wiederherstellung - Der Körper muss sich ausruhen, um seinen Stoffwechsel zu erneuern (wenn es sich um ein Tier handelt) Es ist rund um die Uhr aktiv und verbraucht ständig viel Energie und Stoffwechsel. Es wurde gezeigt, dass Mäuse, die eine Weile ohne Schlaf waren, ein geschwächtes Immunsystem haben.

  2. Erhaltung - Es wird angenommen, dass Schlaf einen Überlebensvorteil bringt. Die Nacht ist eine gefährliche Zeit, daher zwingt der Schlaf ein Tier dazu, ein paar Stunden lang ruhig zu liegen.

  3. ol>
Ihr Punkt 2 sagt genau das Gegenteil der Prämisse der Frage. Möchten Sie ein wenig expandieren (z. B. einige Referenzen angeben)?
Punkt 1 scheint ein zirkuläres Argument zu sein (oder völlig falsch): Wenn das Tier nicht schlief, könnte es nach Nahrung suchen / suchen. Selbst im Schlaf verbrauchen wir * etwas * Energie, so dass diese Berechnung * immer * positiv ist, wenn man wach bleibt.
@KonradRudolph - Der Körper verbraucht immer etwas Energie, aber die Energie, die der Körper im Schlaf verbraucht, ist ein Bruchteil der Energie, die benötigt wird, um wach zu bleiben / zu jagen / etc.
@nico - Ich habe einen Auszug aus einem Buch gefunden [hier] (http://www.trentu.ca/admin/specialneeds/learninginnovations/thinkingandlearning/public/Unit13%20-%20Sleep%20and%20Learning%20Handout.pdf)
@Innab Es ist irrelevant, dass der Energieaufwand nur einen Bruchteil beträgt. Wichtig ist, dass es überhaupt welche gibt. Rechnen Sie nach, es wird * nie * von Vorteil sein, sich auszuruhen, anstatt die gleiche Zeit auf der Jagd zu verbringen, da die Nettoenergiebilanz der Jagd * positiv * ist (dh Energiezufuhr statt Kosten). In der Summe wird Ruhe also immer ausgegeben mehr Energie als Jagd.
@KonradRudolph ist dies sicherlich nur dann der Fall, wenn die Jagd erfolgreich ist - daher kann das Schlafen in Bezug auf den Energieverbrauch * weniger nachteilig * sein, wenn die Chancen gegen eine erfolgreiche Raubtierjagd zu einer bestimmten Tageszeit stark gestapelt sind.
# 2 gilt auch nicht für nachtaktive Tiere; insbesondere Tiere, die zu verschiedenen Tageszeiten aktiv sind, um Raubtieren auszuweichen.
#4
+2
John
2019-09-27 21:52:51 UTC
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Warum der Schlaf anhält, ist ziemlich einfach, warum er benötigt wird, ist unbekannt.

Schlaf scheint in jedem Organismus mit einem Gehirn notwendig zu sein, das ist alles mit jeder Art der Konzentration von Neuronen. Dann wird geleugnet, dass Organismen sterben. Alles was passieren muss ist, dass die Vorteile eines Gehirns die Schlafkosten überwiegen.

Die benötigte Schlafdauer korreliert mit der Gehirngröße, zumindest der REM-Teil des Schlafes andere Teile korrelieren mit den Stoffwechselraten. Nun kann dies in größeren komplexen Gehirnen (insbesondere Vögeln und Säugetieren) scheinbar verwirrt sein, wenn Organismen beginnen, das Gehirn zu falten, um die Neuronendichte zu erhöhen, ohne die Gesamtgröße zu erhöhen. In diesem Fall erhöhen diese Organismen die "Größe" des Gehirns, ohne das Gehirn zu vergrößern, indem sie die Dichte erhöhen. Schlimmer noch, einige Organismen "schlafen" für lange Zeiträume, aber nur ein kurzer Teil dieser Zeit beinhaltet die mit dem Schlaf verbundene neuronale Aktivität (wie REM), Schlaf bei komplexeren Tieren (solchen mit sehr großen komplexen Gehirnen) enthält viele Funktionen.

In Organismen mit winzigen Gehirnen und langsamem Stoffwechsel (auch bekannt als die frühesten Dinge mit Gehirnen) dauert der Schlaf nicht sehr lange, so dass die Kosten minimal sind und die Vorteile eines Gehirns (und damit des Lernens) hoch sein können. Später, wenn das Gehirn größer wird, steigen die Kosten, aber auch der Vorteil, wenn es möglich wäre, ein Gehirn ohne Schlaf zu erhalten, für das es zu diesem Zeitpunkt ausgewählt werden sollte. Höchstwahrscheinlich ist das Bedürfnis nach Schlaf etwas Grundlegendes für die Funktionsweise von Neuronen und kann nicht geändert werden, ohne ihre Funktion ernsthaft zu beeinträchtigen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass ungünstige Dinge auf diese Weise evolutionär eingeschlossen werden. Die Kosten für deren Änderung (in diesem Fall der Verlust der Gehirnfunktion) sind weitaus höher als die Kosten für den Schlaf, sodass die Auswahl sie aufrechterhält.

Nun ist die Komplexität des Schlafes sinnvoll. Wenn Sie bereits über diese erforderliche Ausfallzeit verfügen, ist es evolutionär sinnvoll, alles andere in Angriff zu nehmen, was in dieser Zeit am besten möglich wäre. Verwenden Sie die Auslöser und die Zeit für vorhandene Ausfallzeiten besser für alle anderen, die hinzugefügt werden, als für noch mehr Ausfallzeiten. Jetzt haben wir eine Reihe von verwirrenden Faktoren, die das Studium trüben und es schwierig machen zu sagen, welche Teile wesentlich sind.

Wir wissen nicht, warum Schlaf notwendig ist , es gibt viele Ideen, aber nicht viele Beweise. Angesichts der Komplexität des Schlafes ist es nicht überraschend, herauszufinden, welche Funktionen von grundlegender Bedeutung sind. Es gibt eine Tendenz, die dazu neigt, Metaboliten zu beseitigen, die die neuronale Funktion stören. Es scheint, dass dieser Prozess für das Gehirn sehr störend ist, wenn das Gehirn wach ist, bis zu dem Punkt, an dem einfach die Gehirnaktivität abgeschaltet wird ( Bewegung insbesondere) ist für den Organismus weitaus sicherer. Aber wie bei allen Untersuchungen ist dies sehr vorläufig und der Schlaf wird schlecht verstanden, so dass Akzeptanz sehr vorläufig ist und sein sollte.



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