¿Cómo evolucionaron los organismos para necesitar dormir?

El sueño sigue siendo enigmático en lo que respecta a su función y evolución . En general, se acepta que el sueño es esencial para la homeostasis metabólica y la recuperación funcional , defensa y respuesta a lesiones , neuroplasticidad y homeostasis neurodinámica , y el momento de los procesos biológicos . Sin embargo, la diversidad fenotípica en el sueño animal sugiere que cada función del sueño puede variar en grado de importancia de una especie animal a otra . El caso más extremo es la aparente ausencia de sueño en peces y mamíferos acuáticos que nadan constantemente y en aves migratorias que vuelan constantemente. Estos animales pueden haber sido dotados de adaptaciones especiales para satisfacer las necesidades biológicas que en la mayoría de los animales se satisfacen mediante mecanismos de sueño. Los cambios en la anatomía funcional del sueño durante la evolución están en marcado contraste con la conservación de los mecanismos moleculares del sueño . Este último sirve como motivación para buscar un principio unificador para la función y evolución del sueño .

Para ser válida, una teoría evolutiva del sueño debe tener en cuenta la diversidad fenotípica del sueño en el reino animal. Al construir tal teoría, el sueño debe ser visto, no como una sola adaptación, sino como una acumulación de muchos rasgos adaptativos para lidiar con diferentes presiones evolutivas . Existen algunas presiones en algunos nichos pero no en otros. Algunas presiones permanecen sólidas mientras que otras pierden su impacto con el tiempo. Algunos animales usan el sueño, mientras que otros usan estrategias de vigilia para lidiar con la misma presión. El comportamiento del sueño está en conflicto con el forrajeo, la evasión de la depredación y los comportamientos reproductivos, lo que implica que el sueño es una compensación clave de la aptitud física en la evolución del comportamiento complejo.

Los factores ecológicos y el comportamiento social son en gran parte responsables de la diversidad interespecies e intraespecies en el fenotipo del sueño. La temperatura ambiente y el ciclo claro-oscuro juegan un papel importante en la configuración del comportamiento y el momento del sueño. Los estudios que comparan el comportamiento del sueño en diferentes especies de mamíferos indican que la presión de depredación , las demandas de alimentación y el comportamiento social pueden explicar las variaciones entre especies en el tiempo, la duración y la arquitectura del sueño. La consolidación del sueño puede conferir una ventaja evolutiva al aumentar la eficiencia del sueño que, a su vez, reduce el tiempo total de sueño. La forma en que los animales adaptan su comportamiento de sueño a las demandas estacionales de su entorno (p. Ej., Reproducción, migración) es un área de investigación activa. Es necesaria cierta flexibilidad en el comportamiento del sueño para lidiar con las presiones estacionales y aleatorias del medio ambiente. Se necesita más investigación para determinar el grado en que diversos factores socioecológicos afectan los patrones y el comportamiento del sueño.

Construir un mapa filogenético del sueño es una tarea formidable. El principio de homología es útil para seguir la evolución de una estructura o rasgo discreto . El sueño, por otro lado, es un agregado de muchos rasgos . Lo que se percibe como un paso adelante en la evolución del sueño puede implicar un cambio en algunos rasgos clave o en un gran número de rasgos. Algunos rasgos pueden ser homólogos a los antecedentes, pero otros pueden haber sido aplicados al dominio funcional del sueño. El seguimiento de los rasgos groseros que experimentan transformación o exaptación es más difícil que el seguimiento de los cambios en algunos rasgos clave , como la neuroplasticidad, la neuromodulación y los mecanismos de reloj. En la evolución, los mecanismos moleculares y celulares tienden a conservarse frente a los principales cambios en la anatomía del cerebro . Si bien la mayoría de los expertos están de acuerdo en que el sueño REM evolucionó independientemente en aves y mamíferos, lo que condujo a esta evolución convergente sigue sin estar claro. Una hipótesis es que ambos tipos de homeotermos emplearon la misma estrategia para resolver un problema común: la necesidad de una termorregulación compleja .

El sueño y otras adaptaciones evolucionaron juntas y separar el sueño de otras funciones puede ser un desafío, si no imposible. La termorregulación , el equilibrio energético , la renormalización funcional y los ritmos biológicos están inextricablemente entrelazados con el sueño. Por ejemplo, el sueño, la sincronía circadiana y la función del gen del reloj influyen directamente en la homeostasis energética y la función cardiovascular. Los estudios también encontraron interacciones recíprocas entre el sueño y las hormonas metabólicas grelina y leptina. La grelina y la leptina también afectan la función inmune. Dado que los procesos del sueño, los ritmos biológicos, la regulación metabólica y las funciones inmunes están tan interrelacionados, es muy probable que se solapen en la historia evolutiva de estos procesos .

Los marcos teóricos que intentan explicar la evolución del sueño enfatizan ciertos aspectos de la biología, como el equilibrio energético, la homeostasis, la neurodinámica y la interacción de algunas variables. A pesar de que el sueño es un estado global que emerge de la interacción de variables neurodinámicas, metabólicas, homeostáticas, cronofásicas y aferentes , las teorías y modelos actuales para comprender el sueño tienen en cuenta algunas de estas variables, pero no todas. Esto nos motivó a proponer el paradigma de dos modos y tres unidades (2m3d) , un marco mental para comprender la función y la evolución del sueño donde todas estas variables se tienen en cuenta y se integran en el espacio y el tiempo .

En el paradigma 2m3d , los procesos neurodinámico-metabólicos locales cambian su función entre dos modos operativos (m0 y m1) en respuesta a tres impulsos globales (homeostático, circadiano y aferente) y que la sincronización modal de procesos locales que están separados en el espacio y el tiempo da lugar a estados globales de sueño o vigilia . Desde la perspectiva de la evolución, el paradigma 2m3d ve el sueño como una adaptación que evolucionó para que los animales puedan reforzar periódicamente la homeostasis neurodinámica y metabólica mientras mantienen la capacidad de respuesta al medio ambiente . Dormir para restaurar la homeostasis y despertarse en presencia de amenazas potenciales es un acto de equilibrio que involucra mecanismos homeostáticos, cronofásicos y aferentes que evolucionaron como adaptaciones para la supervivencia en entornos particulares .

Ya hay muchas buenas respuestas aquí, pero siento que no dan en el blanco. Dormimos como una compensación por nuestra capacidad de aprender .

Durante el día, las neuronas del sistema nervioso central están constantemente haciendo nuevas conexiones dendríticas, permitiendo nuevos patrones de disparo y nuevas respuestas a los estímulos. Cuanto más se desencadena una sinapsis específica, más fuerte y estable se vuelve la conexión. Por eso la práctica hace al maestro.

Pero a medida que nuestros cerebros forman nuevas conexiones para codificar recuerdos, habilidades, pensamientos, lo que sea que tengas, comienzan a ser ruidosos. Se vuelve más difícil enfocar, porque la actividad de básicamente cada pensamiento comenzará a estimular circuitos no relacionados. Si esto continúa durante el tiempo suficiente, sus percepciones sensoriales comienzan a deteriorarse porque comienzan a recibir información del resto de su cerebro, en lugar de solo estímulos ambientales. Esto resulta en alucinaciones, ansiedad. Si esto continúa durante el tiempo suficiente, eventualmente el cerebro se desorganiza tanto que pierde su capacidad de regular su cuerpo y muere.

Cuando duermes, este proceso se invierte. El sueño se acompaña de poda dendrítica, cortando las conexiones débiles entre las neuronas. Durante REM, los electroencefalogramas muestran ciclos rítmicos de actividad. Esta actividad estimula el fortalecimiento de la sinapsis al mismo tiempo que la poda dendrítica está limpiando las conexiones más débiles. A medida que las conexiones más débiles se cortan, las conexiones más fuertes deben fortalecerse para compensar. De esta manera, cada ciclo de REM constriñe nuestros circuitos neuronales a un número mínimo de conexiones. Las habilidades y los recuerdos que aprendimos el día anterior todavía están ahí, pero dependen de menos conexiones, lo que permite una mayor claridad y concentración.

¡Pero espera! ¿Por qué es esto ventajoso? ¿No podríamos simplemente tener poda y formación de sinapsis a la misma velocidad durante todo el día? ¿No detendría eso la acumulación de ruido?

Si, absolutamente. Probablemente así fue como funcionaban los cerebros más simples en los albores de los vertebrados. Pero el aprendizaje de habilidades está directamente relacionado con la tasa de acumulación de sinapsis. Cuando aprende, su cerebro no está buscando la mejor solución, solo una solución aproximada , y al hacer una serie de conexiones débiles, su cerebro puede aproximar la respuesta deseada muy rápidamente (recuerde, la fuerza de una sinapsis aumenta con el uso, por lo que toma tiempo y repetición hacer una conexión duradera. Es mucho más rápido disparar cientos de conexiones débiles hasta encontrar un equilibrio que funcione).

Al mantener alta la tasa de formación de sinapsis durante el día, aumentamos dramáticamente nuestra tasa de aprendizaje. Pero un efecto secundario de esto es hacer que nuestros cerebros crezcan demasiado y pierdan organización. El sueño permite un período de poda dendrítica en el que la formación de nuevas conexiones no es importante. Es razonable decir, entonces, que evolucionamos para aprovechar el ciclo diurno para aumentar dramáticamente nuestra tasa de aprendizaje. Hoy en día, no podemos sobrevivir sin él.

Nota: He modelado este fenómeno con redes neuronales artificiales en una variedad de arquitecturas y en una variedad de problemas, y lo mismo ocurre con ellos. La imposición de una fase de expansión / poda día / noche aumenta la tasa de convergencia en una solución óptima en aproximadamente un 30% cuando día / noche es 1: 1, en comparación con las redes estándar que no utilizan este tipo de ciclo.

Yo digo: competencia a través de la especialización .

Decir que se trata de energía podría estar causando retroceso: muy posiblemente, el sueño evolucionó para satisfacer una variedad de otras necesidades, con un consumo reducido de energía como un beneficio.

El ahorro de energía, por supuesto, se ha propuesto como una de las funciones del sueño. El problema con la idea de que evolucionó solo debido a ese factor es que derivamos toda nuestra energía de los alimentos: si la economía energética fuera la única razón por la que el sueño evolucionó, los animales podrían quedarse sin dormir cuando la comida fuera abundante. No solo lo harían, sino que deberían: si no lo hicieran, perderían oportunidades de reabastecimiento de energía, perderían en la competencia entre dientes y garras con otras especies y se extinguirían. Y, sin embargo, parece que casi todos los animales duermen (según su definición de sueño).

Para estar seguros, el sueño tiende a reducir el gasto de energía. Sin embargo, el metabolismo basal consume tanta energía que la reducción es menor de lo que podría pensar: para los humanos, solo un 20-25 %% más bajo en el ciclo de sueño menos energético, cuando el cerebro (un gran consumidor) casi se apaga. El sueño parece implicar algo más como un reparto del consumo de energía en los procesos metabólicos que un ahorro de energía total por la reducción de la actividad.

Del gasto de energía durante el sueño, la privación del sueño y el sueño después de la privación del sueño en humanos adultos, CM Jung, et al.

“… los procesos de respiración metabólicamente costosos ( Trinder et al. 1992 ), la frecuencia cardíaca ( Shinar et al. 2006 ), la motilidad intestinal ( Kumar et al. 1990 ) y la actividad muscular ( Shinar et al. 2006 ) se reducen durante el sueño y algunos de la energía resultante ahorrada puede redistribuirse a otros procesos metabólicamente costosos que se proponen como funciones del sueño (por ejemplo, la síntesis y liberación de hormonas dependientes del sueño ( Sassin et al. 1969 ), aumentos en la función inmune ( Everson, 1993 ; Palmblad et al. 1976 ; Bergmann et al. 1996 ), reposición de las reservas de glucógeno cerebral ( Benington y Heller, 1995 ) y plasticidad sináptica ( Cirelli et al. 2005 ). Por lo tanto, en base a nuestros hallazgos y hallazgos de la literatura existente, proponemos que uno de las funciones del sueño en los humanos es conservar energía y que parte de la energía ahorrada se redistribuya para apoyar otros procesos fisiológicos críticos dependientes del sueño “.

¿Pero por qué la repartición en absoluto? ¿Por qué no simplemente ejecutar todos los procesos metabólicos aproximadamente a la misma velocidad, todo el tiempo?

Creo que la respuesta tiene que ver con la competencia evolutiva dada la existencia de ciclos día-noche. Un animal que está igualmente adaptado como un recolector de alimentos tanto para el día como para la noche podría no ser lo suficientemente bueno en cualquier período para ser competitivo con aquellos que se especializan. Después de todo, las adaptaciones conllevan costos.

Considere los ojos: las células de la retina que son buenas para la visión nocturna, donde la mejora del contraste es la prioridad, también deberían ser buenas para la distinción del color durante el día. La adaptabilidad humana es enormemente costosa: obtenemos nuestra adaptabilidad en gran medida de nuestros cerebros, que mastican alrededor del 20% de nuestra energía incluso durante algunos ciclos de sueño como REM. Afortunadamente, los beneficios superan ampliamente los costos para la supervivencia de nuestra especie. (Um … hasta ahora)

E incluso si la obtención de alimentos es 0.5% menos eficiente en los generalistas de 24 horas que en los especialistas en sueño debido a la carga de las adaptaciones conflictivas, esa diferencia se va a sumar. A lo largo de escalas de tiempo evolutivas, tal especie eventualmente perdería ante las más eficientes. En algún punto de inflexión, evolucionaría para comenzar a especializarse en un período (con mayor frecuencia a la luz del día) o extinguirse.

Además de conservar energía, se requiere dormir para varios procesos neuronales que no son posibles durante la conciencia. Durante el sueño, las neuronas pueden reponer los neurotransmisores utilizados durante la actividad nerviosa diaria. El sueño también permite que el cerebro integre nuevos recuerdos al trasladar experiencias importantes al almacenamiento a largo plazo.

Algunos animales como pájaros y delfines duermen medio cerebro a la vez. Un hemisferio retiene la conciencia y controla la función mínima mientras que el otro duerme. Luego se cambian. Esto les permite cierta medida de conciencia ambiental contra los depredadores mientras cosechan los beneficios del sueño.

Preservación de la energía
Por lo general, los organismos son adecuados para recolectar alimentos, aparearse y, en general, dedicarse a la vida, ya sea de día (diurna) o de noche (nocturna). También hay algunos que son corpusculares (activos durante el anochecer y el amanecer), pero muy pocos, si es que hay alguno, son igualmente eficientes durante el día y la noche (podría haber algunas excepciones en la zona del hadal en hábitats marinos) a más de 6,000 metros bajo el agua. casi no hay cambio durante el día y la noche).

Entonces, esto nos deja con el resto del ciclo día / noche que no conduce a actividades productivas, por lo que lo mejor que puede hacer un organismo es conservar energía cambiando al “modo de reposo”, como una computadora o un teléfono inteligente, que en los animales se llaman solo dormir . Dormir, por supuesto, evolucionó de tal manera que el animal se despierta a la menor señal de peligro para que no se lo coma.

Con el sueño ya presente, la evolución comenzó a adaptarse a otras actividades útiles durante este tiempo cuando el cerebro, aunque en modo de sueño, no está ocupado manteniendo la actividad, por lo que es un buen momento para organizar un poco los recuerdos frescos del día y hacer algo útil Tareas. Por lo tanto, el sueño evolucionó de una técnica opcional de ahorro de energía a una necesidad, hasta el punto de que la privación prolongada del sueño es fatal para la mayoría de los animales, incluidos los humanos (muchos de los cuales no tienen una presión sólida para conservar energía).

Debido a la rotación de la Tierra, tenemos un día de 12 horas y una noche de 12 horas.
Antes de que el hombre descubriera el fuego, no había casi nada que la mayoría de los animales que dependían de la visión para la mayoría de sus actividades pudieran hacer durante la noche.

También habría habido momentos en que la comida escaseaba, por lo que ahora la forma óptima de supervivencia para un organismo en tal situación sería mejorar la eficiencia energética hibernando durante las noches.
De modo que los animales que ahorraron ‘combustible’ durante las noches pudieron sobrevivir con menos cantidad de alimento y crecieron y se reprodujeron en grandes cantidades. Entonces, la mayoría de los animales que duermen ahora evolucionaron de tales sobrevivientes.
La evolución posterior habría provocado que las funciones corporales pasivas como la digestión ocurrieran principalmente durante el sueño para optimizar.

Descargo de responsabilidad: esta es solo mi hipótesis y no se basa en ningún material científico real que leí.

Evidencias que respaldan mi hipótesis: –
1. El ciclo de sueño es periódico exactamente a las 24 horas para que coincida con el tiempo necesario para una rotación de la tierra.
2. La luz del sol perturba fácilmente nuestro sueño y preferimos apagar las luces mientras dormimos. Por lo tanto, evolucionamos de criaturas que sentían la necesidad de despertar y organizar la comida mientras tenían luz solar disponible para sobrevivir.

Biológicamente hablando, casi todas las células de los organismos multicelulares tienen un período de “estasis” en el medio de las etapas de la mitosis celular. Durante este período, la célula está recolectando nutrientes, creciendo y procesando la energía en energía química potencial que es necesaria para la división celular real.

¿Es tan extraño que el organismo formado por órganos también lo haga? El sueño es una etapa de estasis donde nuestros cuerpos crecen, procesan alimentos y restauran la energía química para entrar en un nuevo ciclo de actividad. El sueño es crítico para la salud de cualquier organismo. Debido a la dieta y el metabolismo, esta etapa puede variar de una especie a otra, e incluso de una subespecie a otra.

Recuerda la próxima vez que veas a tu gato en una de sus siestas de 14-16 horas y agradece que nuestros metabolismos sean mucho más adecuados para estar despierto por más tiempo.

El sueño no es algo que “surgió”, es necesario para sobrevivir. Eche un vistazo a la privación del sueño para ver qué sucede en los humanos, aunque es bastante comparable (hasta donde yo sé) en casi todos los animales de cualquier tipo de sofisticación.

Estás malinterpretando la evolución como algo que obliga a la especie a “mejorar” de alguna manera objetiva. La realidad no es más que “los organismos muertos no tienen hijos”. Cuando la teoría evolutiva habla de “aptitud”, solo significan supervivencia hasta la reproducción.

No creo que nadie lo sepa. Nuestros cuerpos entran en modo de reparación cuando dormimos, aunque no sé por qué no pudimos hacerlo mientras nos despertamos.

Creo que la mejor respuesta es que todos los organismos en la naturaleza generalmente están al borde del hambre y la enfermedad con recursos limitados que son difíciles de obtener. Imagina que todas las estaciones de servicio cierran y tienes cinco galones de gasolina. Vas a pensar bastante en correr a la tienda por un galón de leche. Hará lo que tenga sentido para preservar esa energía en la lata de gas.

Este escenario describe la vida de muchas criaturas, por lo que se ha pasado un mecanismo que les permite preservar la energía y mantenerlos fuera de la lucha de defenderse.

¡Buena pregunta!

No dormir resulta en la muerte. No morir por falta de sueño es una gran ventaja.