Weder Quallen noch Seeanemonen haben ein Gehirn, und doch schlafen diese Tiere auf erstaunlich ähnliche Weise wie der Mensch, so eine Studie, die in einer aktuellen Ausgabe von Nature Communications veröffentlicht wurde. Die Ergebnisse stützen die Theorie, dass Schlaf sich zumindest teilweise entwickelt hat, um die DNA einzelner Neuronen zu schützen und Tieren zu helfen, Schäden zu reparieren, die sich während des Wachzustands angesammelt haben.
"Nervenzellen sind sehr wertvoll", sagt der Mitautor der Studie, Lior Appelbaum, ein Molekularneurowissenschaftler an der Bar-Ilan-Universität. "Sie teilen sich nicht, deshalb müssen sie intakt erhalten werden."
Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass Quallen in einen schlafähnlichen Zustand eintreten, aber diese Forschung ist die erste, die dieses Phänomen in Bezug auf Seeanemonen beschreibt und die erste, die die Schlafmuster beider Lebewesen detailliert beschreibt. "Jedes Mal, wenn jemand eine neue Art in die Liste der schlafenden Arten aufnimmt, ist das ein sehr wichtiger Schritt nach vorn in der Wissenschaft", fügt Chiara Cirelli, Schlafforscherin an der Universität von Wisconsin-Madison, hinzu.
Schlaf ist für Tiere ein riskanter Zustand. Er macht sie anfällig für Raubtiere und Umweltbedrohungen und reduziert die Zeit, die sie sonst für Fütterung, Paarung oder die Pflege ihres Nachwuchses verwenden könnten. Die Fachwelt ist sich weitgehend einig, dass der Schlaf eine grundlegende biologische Funktion hat, denn die Evolution hat ihn bei allen bisher untersuchten Tieren mit einem Nervensystem erhalten.
Die Idee, dass der Schlaf tatsächlich der Evolution des zentralen Nervensystems vorausging, gewann 2017 an Boden, als Ravi Nath, jetzt Postdoktorand in den Neurowissenschaften an der Stanford University, und Kollegen erstmals einen schlafähnlichen Zustand bei Quallen nachwiesen. "Wir haben qualitative Beweise dafür, dass der Schlaf mit Neuronen entstanden ist", sagt Nath. "Er hat wahrscheinlich eine grundlegende Funktion, aber jede Art hat ihn an ihre eigenen Bedürfnisse angepasst."
Die neueste Studie baut auf diesen Erkenntnissen auf, indem sie den Schlaf genauer definiert und untersucht, welche Auswirkungen er auf zellulärer Ebene bei Tieren mit Neuronen, aber ohne Gehirn haben könnte. Appelbaum und Kollegen fanden sowohl im Labor als auch in ihrem natürlichen Lebensraum in Key Largo, Florida, heraus, dass die bodenbewohnende Qualle (Cassiopea andromeda) wie der Mensch etwa acht Stunden am Tag schläft. Der meiste Schlaf findet nachts statt, aber die Qualle macht auch ein kurzes Nickerchen am Nachmittag. Das Team hat auch den Sternrochen (Nematostella vectensis) im Labor untersucht und zum ersten Mal den Schlaf einer Seerose charakterisiert. Die Mitglieder der untersuchten Arten schliefen ebenfalls etwa ein Drittel des Tages, wobei sich die Ruhephase auf die Morgendämmerung konzentrierte.
Man nimmt an, dass die Neuronen erstmals vor Hunderten von Millionen Jahren in basalen Metazoen auftraten, also in frühen Tieren wie modernen Quallen und Seelöwen, die ein diffuses Netzwerk von Neuronen, aber kein zentrales Nervensystem hatten. In Experimenten mit Quallen und Seerosen stellte Appelbaums Team immer wieder fest, dass die DNA-Schäden an den Neuronen während des Wachseins zunahmen und während des Schlafs abnahmen. Als das Team die DNA-Schäden mit ultravioletter Strahlung verursachte, reagierten die Tiere mit mehr Schlaf. Die Forscher schlossen daraus, dass die DNA-Schäden im Wachzustand die Reparatur übersteigen, während der Schlaf eine besondere Gelegenheit für eine effiziente Zellerhaltung bietet.
Cirellis Forschung ist sehr gründlich, weist aber auf eine Einschränkung hin: Es fehlt eine Kontrollgruppe von Tieren, die nach der DNA-Schädigung wach gehalten wurden. Obwohl seine eigenen Studien zeigen, dass Schlaf die DNA-Reparatur beschleunigt, vermutet Cirelli, dass eine ähnliche Reparatur auch dann stattfinden kann, wenn die Tiere wach sind und nicht aktiv lernen. Seine eigenen Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass der Schlaf andere starke evolutionäre Triebkräfte haben könnte, wie z. B. die Verringerung der Stärke von Verbindungen zwischen Neuronen, die sich tagsüber verstärken. Dies spart Energie, stellt die Lernfähigkeit der Tiere wieder her und hilft bei der Konsolidierung von Erinnerungen, sagt Cirelli.
Die Entschlüsselung der Evolution des Schlafs könnte dazu beitragen, die Zusammenhänge zwischen Schlafentzug und neurodegenerativen Erkrankungen sowie Phänomene wie den lokalen Schlaf zu erhellen, bei dem sich kleine Regionen des menschlichen Gehirns während des Wachzustands für kurze Zeit abschalten. "Beim Menschen unterstützt der Schlaf das Lernen und das Gedächtnis, aber er kann auch zur Erhaltung bestimmter Neuronen beitragen", sagt Cirelli. Sein Team plant nun, diese Fragen bei anderen Tieren zu untersuchen, z. B. bei Schwämmen und Zebrafinken, deren Gehirne wichtige Merkmale aufweisen, die denen des Menschen ähneln.
