Bí ẩn giấc ngủ của loài "không có não"

Đã quá nửa đêm nhưng Michael Abrams, Claire Bedbrook và Ravi Nath vẫn miệt mài ở phòng thí nghiệm Caltech - nơi họ đang nghiên cứu những con sứa. Họ không bật đèn mà dùng ánh sáng của điện thoại di động để xác định bàn làm việc và các thiết bị.

Ba sinh viên không thông báo cho bất kì ai về cuộc thử nghiệm này, nó không hề bị cấm nhưng họ muốn có một cơ hội thực nghiệm mà không có sự giám sát chặt chẽ từ những giáo viên trợ giảng của họ.

“Khi bạn có ý định bắt đầu một công việc hoàn toàn điên rồ, tốt nhất bạn nên có dữ liệu chắc chắn về nó trước khi nói với bất kì ai”, Abrams nói. Và điều được cho là "hoàn toàn điên rồ" ở đây là xác định xem sứa có ngủ hay không?

Tất cả bắt đầu khi Bedbrook - một sinh viên cao học về thần kinh học nghe được cuộc thảo luận của Nath và Abrams tại bàn cà phê. Chủ đề này kỳ quặc đến nỗi khiến cô phải dừng lại và tranh luận với họ.

Có 2 dạng ngủ - một là REM (Rapid Eye Movement) và dạng còn lại gọi là non-REM; nôm na là ngủ say và ngủ chập chờn.

Khi đạt được trạng thái REM, não bộ của chúng ta ở mức hoạt động thấp nhất và cơ thể ở trạng thái nghỉ ngơi tốt nhất. Trạng thái REM càng kéo dài thì cơ thể càng nhanh hồi phục sau những công việc vất vả và căng thẳng.

"Dĩ nhiên là sứa không ngủ”, cô nói. Các nhà khoa học vẫn chưa hoàn toàn biết lý do khiến động vật cần ngủ, nhưng một số nghiên cứu cho biết rằng giấc ngủ là một hành vi phức tạp liên quan đến việc củng cố trí nhớ và trạng thái REM khi ngủ.

Trong khi sứa là một sinh vật nguyên thủy, thậm chí loài sứa không có bộ não thì liệu nó có ngủ không vẫn còn là điều bí ẩn. Do không ai có thể chắc chắn về điều này nên ba sinh viên quyết định tiến hành thí nghiệm để kiểm tra.

Sau nhiều tháng miệt mài nghiên cứu, Bedbrook đã thay đổi suy nghĩ của mình. Trong một bài báo đăng trên tạp chí Current Biology, cả ba cho biết rằng: loài sứa Cassiopea biểu hiện một hành vi giống như là ngủ và đây là loài sinh vật đầu tiên không có não biết làm như vậy.

Kết quả nghiên cứu cho thấy giấc ngủ có nguồn gốc sâu xa trong quá trình sinh học của chúng ta. Đây là một hành vi đã phát triển từ sớm trong lịch sử phát triển của những dạng sống và tồn tại cho đến bây giờ. Nghiên cứu sâu hơn về giấc ngủ của sứa có thể giúp các nhà khoa học đến gần hơn với một giải pháp được gọi là "nghịch lý của giấc ngủ".

Nếu bạn ngủ trong thiên nhiên hoang dã và kẻ săn mồi xuất hiện, bạn sẽ cầm chắc cái chết; nếu bạn ngủ trong khi có thể kiếm thức ăn bạn sẽ bị đói; nếu bạn ngủ trong khi người bạn đời tiềm năng đang đi qua, bạn sẽ bỏ lỡ cơ hội truyền vật liệu di truyền của mình cho các thế hệ sau.

“Tất cả điều đó cho thấy, ngủ là khoảng thời gian mà động vật không làm những thứ có lợi theo quan điểm chọn lọc tự nhiên”, Nath nói.

"Chúng tôi nghĩ giấc ngủ rất quan trọng, nếu không, qua quá trình phát triển hàng triệu năm, giấc ngủ đã biến mất khỏi hành vi của động vật”, Bedbrook bổ sung.

Cơ chế giấc ngủ của loài sứa

Nếu động vật có thể phát triển một cách để sống mà không cần giấc ngủ, chắc chắn chúng đã làm. Nhưng nhiều thí nghiệm cho thấy, nếu những sinh vật như chuột bị mất ngủ quá lâu, chúng sẽ chết.

Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng động vật đơn giản như loài giun tròn C. elegans, có bộ não chỉ gồm 302 nơ-ron, cũng cần ngủ để tồn tại. Còn loài sứa Cassiopea thì còn không có cả bộ não - chúng chỉ là một "mạng lưới" phân tán các tế bào thần kinh được phân bố khắp cơ thể bé nhỏ của chúng. Những con sứa này thậm chí còn không hoạt động giống như động vật.

Chúng không lấy thức ăn bằng miệng mà qua lỗ chân lông trong xúc tu. Chúng cũng tạo ra năng lượng thông qua mối quan hệ cộng sinh với những sinh vật quang hợp nhỏ sống kí sinh bên trong chúng.

"Loài sứa kì lạ này giống một loài nửa động vật nửa thực vật", Bedbrook nói. Chúng cũng có nguồn gốc từ thời xa xưa: Theo cây phả hệ, loài ruột khoang – trong đó có sứa xuất hiện cách đây khoảng 700 triệu năm. Điều này có nghĩa chúng là một trong những loài động vật đầu tiên có mặt trên Trái Đất.

Những đặc điểm này khiến Cassiopea trở thành một sinh vật lý tưởng để kiểm tra nguồn gốc tiến hóa của giấc ngủ. Nhóm ba sinh viên đã tiến hành những thí nghiệm vào ban đêm – thời điểm sứa đang nghỉ ngơi, để kiểm tra ba tiêu chí liên quan đến giấc ngủ của chúng.

Tiêu chí đầu tiên: Sự hồi phục thụ động. Nói cách khác, khi ngủ sứa không hoạt động nhưng không rơi vào trạng thái tê liệt hoặc hôn mê. Các sinh viên đã tính toán các chuyển động của sứa và thấy rằng chúng hoạt động ít hơn 30% vào ban đêm. Nhưng khi thức ăn được đổ vào bể, những sinh vật này dần dần hoạt động trở lại, điều này chứng tỏ chúng hoàn toàn không bị tê liệt khi ngủ.

Tiêu chí thứ hai: Ngưỡng gia tăng sự tỉnh táo. Điều này có nghĩa là nếu động vật không tỉnh táo thì sẽ rất khó để thu hút sự chú ý của chúng. Về vấn đề này, các sinh viên đã đặt các con sứa đang ngủ vào trong các thùng chứa và nâng các thùng này lên trên mặt bể, sau đó tháo đáy thùng ra để những con sứa rơi xuống. Nếu con sứa đang thức, ngay lập tức chúng sẽ bơi đến sàn bể.

Nhưng nếu chúng đang ngủ, chúng sẽ trôi nổi trong nước. "Bạn có biết cảm giác khi thức dậy và thấy mình đang rơi là như thế nào không? Tôi giả sử là những con sứa có thể cảm nhận được điều đó. Có thể chúng sẽ bị đánh thức đột ngột và hét lên Ahhhh!”, Nath nói.

Tiêu chí thứ ba: Trạng thái thụ động phải được điều chỉnh từ bên trong. Tức là, con sứa phải cảm nhận được một động lực sinh học để ngủ. "Điều này giống như việc chúng ta buộc phải thức cả đêm”, Bedbrook nói.

Các sinh viên không biết làm cách nào để buộc các con sứa phải thức cả đêm, vì vậy cứ 20 phút họ lại “chọc” vào chúng. Ngày hôm sau, những sinh vật tội nghiệp này bơi một cách loạng choạng, và đêm sau chúng có một giấc ngủ đặc biệt sâu để bù cho giấc ngủ đã mất.

Nguồn gốc tiến hóa của giấc ngủ

Ông Paul Sternberg, người đứng đầu phòng thí nghiệm Caltech - nơi Nath làm việc và cũng là nhà sinh vật học của Viện Y tế Caltech đã đề nghị ba sinh viên tiếp tục thí nghiệm tại một địa điểm tốt hơn.

"Thí nghiệm này quan trọng bởi vì nó đặt ra nghi vấn xung quanh quá trình tiến hóa sớm của những sinh vật nguyên thủy có hệ thống thần kinh sơ khai”, Sternberg nói.

Ông Allan Pack - giám đốc Trung tâm Sinh học thần kinh về Giấc ngủ và Hô hấp của Đại học Pennsylvania cho biết: những nghiên cứu về giấc ngủ của sứa rất đáng chú ý, bởi vì chúng cho thấy một giấc ngủ cơ bản diễn tiến như thế nào. Đây có thể xem như một hành vi “bảo tồn” đã xuất hiện rất sớm trong lịch sử và tồn tại hàng triệu năm nay.

Nếu hành vi này được bảo tồn, có thể các cơ chế sinh học khác cũng vậy. Tìm hiểu lý do loài sứa với mạng lưới thần kinh đơn giản cũng cần ngủ có thể giúp các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn về giấc ngủ của con người.

"Tôi nghĩ đây là một trong những câu hỏi sinh học quan trọng của thời đại chúng ta. Chúng ta dành một phần ba cuộc đời để ngủ. Tại sao chúng ta phải làm vậy, câu trả lời đang còn ở phía trước”, nhà nghiên cứu Pack nói.