Gián có nằm ngửa khi ngủ không và hành trình đi tìm giấc ngủ nguyên sơ nhất lịch sử Trái Đất

Cái thứ ngoe nguẩy mà bạn đang thấy ở đây là Hydra, một sinh vật thân mềm có cấu tạo cực kỳ đơn giản. Chỉ dài nhỉnh hơn 1 cm, cơ thể hình ống của nó có hai đầu, một đầu là miệng, đầu còn lại là chân bám.

Hydra thường dính bệt cơ thể nó vào một cái cây hoặc một tảng đá dưới nước. Với cái miệng có nhiều xúc tu, nó thi thoảng có thể vớ được một con bọ chét nước bơi ngang qua và rồi… tiêu hoá nó.

Loài sinh vật này không có não, cũng chẳng có hệ thống thần kinh. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới của các nhà khoa học Nhật Bản và Hàn Quốc cho thấy chúng vẫn có thể ngủ. Mặc dù không có mắt để nhắm và không có tín hiệu điện não đồ, những con Hydra vẫn định kỳ rơi vào trạng thái nghỉ ngơi đáp ứng tất cả các tiêu chí cần thiết để định nghĩa một giấc ngủ.

Nếu là trong thế kỷ 19, giả thuyết này nghe sẽ hết sức vô lý và không nhà khoa học nào có thể chấp nhận nó.

Hơn 100 năm về trước, các nhà nghiên cứu cho biết giấc ngủ chỉ xuất hiện trong não. Họ đã khám phá ra mối liên hệ của giấc ngủ với trí nhớ và học tập, đã đánh số các mạch thần kinh đẩy chúng ta vào giấc ngủ và kéo chúng ta ra khỏi nó. Không những ghi lại được những thay đổi đáng kể trong sóng não đại diện các giai đoạn giấc ngủ khác nhau, họ còn cố gắng hiểu nhiều điều hơn nữa về chúng.

Giấc ngủ gắn liền với não bộ là điều không thể phủ nhận. Tất cả các nghiên cứu và trải nghiệm hàng ngày của con người đều chứng thực cho lập luận hiển nhiên đó.

Nhưng rồi có một quan điểm đối lập đã xuất hiện. Các nhà nghiên cứu mới nhận thấy rằng nhiều phân tử được tạo ra bởi cơ bắp và một số mô khác bên ngoài hệ thần kinh cũng có chức năng điều chỉnh giấc ngủ.

Giấc ngủ ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất trong cơ thể, cho thấy tác động của nó không chỉ khu trú trên hệ thần kinh. Và ngày càng có nhiều nghiên cứu mới chỉ ra các sinh vật có cấu tạo não đơn giản vẫn dành thời gian để ngủ.

Hydra một loài không có não thậm chí cũng vậy. Phát hiện mới của các nhà khoa học Nhật Bản và Hàn Quốc ngụ ý nhiều vai trò của giấc ngủ đã bị chôn vùi suốt hàng tỷ năm trong lịch sử hình thành sự sống.

Bây giờ, chúng ta có thể bắt đầu khai quật kho tàng quý giá ấy. Và có lẽ nó sẽ tiết lộ nhiều kiến thức rất khác với quan niệm mà con người từng có về giấc ngủ. Nếu giấc ngủ không cần đến bộ não, thì đó có thể là một hiện tượng kỳ lạ hơn nhiều so với những gì chúng ta từng biết đến.

Năm 1913, nhà khoa học giấc ngủ người Pháp Henri Piéron từng viết: Giấc ngủ thường nhật của một người hay một sinh vật không giống như giấc ngủ đông ở loài gấu, nó cũng không giống một người đang hôn mê, say rượu hay ở trong bất kỳ một trạng thái tĩnh lặng nào khác.

Mặc dù tất cả đều có điểm chung là sự vắng mặt của cử động, nhưng mỗi trạng thái lại sở hữu những tính chất riêng biệt. Giấc ngủ hay sự gián đoạn trạng thái có ý thức xảy ra định kỳ mỗi ngày với chúng ta cũng có những đặc điểm bí ẩn.

Một ngày thiếu ngủ, bạn sẽ thấy đầu óc mình mù mờ, bối rối, không có khả năng suy nghĩ rõ ràng. Cho nên bằng trực quan, các nhà nghiên cứu biết họ cần phải hiểu điều gì đã xảy ra trong não bộ khi ngủ. Thực tế là vào giữa thế kỷ 20 nếu muốn nghiên cứu về giấc ngủ, bạn phải trở thành một chuyên gia đọc điện não đồ.

Đặt điện cực lên người, mèo hoặc chuột cho phép các nhà nghiên cứu nói chính xác liệu đối tượng có đang ngủ hay không và họ đang ở trong giai đoạn nào của giấc ngủ. Cách tiếp cận đó tạo ra nhiều hiểu biết sâu sắc, nhưng nó cũng để lại nhiều thiên kiến trong khoa học:

Hầu hết mọi thứ chúng ta đã biết về giấc ngủ đều đến từ những nghiên cứu động vật có thể gắn được điện cực lên người, và đặc điểm của giấc ngủ ngày càng được gán cho hoạt động của não.

Irene Tobler, một nhà sinh lý học giấc ngủ làm việc tại Đại học Zurich đã sớm nhận ra điều này vào cuối thập niên 1970. Đó là lúc cô đang nghiên cứu hành vi của những con gián. Tobler chỉ đơn giản là tò mò đặt một câu hỏi: Liệu những con côn trùng hay động vật không xương sống có ngủ như động vật có vú hay không?

Sau khi đọc các nghiên cứu của Piéron và nhiều người khác, Tobler biết rằng giấc ngủ cũng có thể được định nghĩa bằng hành vi, chứ không nhất thiết bằng tín hiệu điện não. Do đó, cô đã chắt lọc một bộ tiêu chí hành vi để xác định giấc ngủ.

Một con vật đang ngủ khi nó không di chuyển xung quanh. Nhưng để phân biệt với trạng thái nó đang nghỉ ngơi, các nhà khoa học nói rằng con vật ngủ sẽ khó bị đánh thức hơn so với khi đang nghỉ. Nó cũng thường sẽ tìm đến một vị trí cụ thể để ngủ, giống với khi chúng ta đi tìm chiếc giường ấm áp.

Con vật lúc ngủ có một tư thế đặc biệt, khác với tất cả các tư thế khi chúng thức. Và sau khi được đánh thức, con vật có xu hướng hoạt động bình thường thay vì uể oải so với khi chúng bị làm phiền lúc nghỉ.

Ngoài các tiêu chí đã được kể đến, Tobler đã thêm vào đó một đặc điểm của riêng mình: Một con vật nếu bị quấy rầy khi ngủ sẽ ngủ lại lâu hơn hoặc sâu hơn bình thường - hiện tượng được gọi là cân bằng nội môi khi ngủ.

Trở lại thập niên 70, Tobler đã mạnh dạn công bố nghiên cứu và đưa ra giả thuyết rằng những con gián cũng biết ngủ. Thế nhưng ngay lập tức, cô đã phải nhận rất nhiều ý kiến phản đối từ các đồng nghiệp, hầu hết trong số họ đang nghiên cứu động vật có vú bậc cao.

"Tất cả họ đều coi đó là thứ khoa học dị giáo", Tobler nói: "Họ thực sự đã chế giễu tôi suốt những năm đầu của nghiên cứu. Chịu đựng điều đó không hề dễ chịu một chút nào. Nhưng tôi tự nhủ rồi thời gian rồi sẽ có câu trả lời cho họ".

Sau giấc ngủ của loài gián, Tobler đã tiếp tục nghiên cứu về bọ cạp, hươu cao cổ, chuột đồng, mèo - 22 loài tất cả. Cô tin rằng khoa học cuối cùng sẽ xác nhận giấc ngủ xuất hiện trong cả các loài không phải động vật có vú. Và các nghiên cứu sau này về giấc ngủ sẽ dùng đến các tiêu chí hành vi của cô, thay cho tín hiệu điện não đồ không thể đo được với nhiều loài động vật bé nhỏ.

Giấc ngủ ở các loài động vật khác không phải lúc nào cũng giống với giấc ngủ tiêu chuẩn của con người. Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng, cá heo và chim di cư có thể đưa một nửa não của chúng vào trạng thái ngủ trong khi nửa não còn lại và cơ thể vẫn tỉnh táo. Voi hầu như thức cả ngày trong khi những con dơi nâu nhỏ dành gần như cả ngày để ngủ.

Năm 2000, hai nhà khoa học Amita Sehgal và Paul Shaw đã tìm thấy các tiêu chí đánh giá giấc ngủ của Tobler. Họ đã cùng áp dụng chúng khi quan sát một hành vi rất giống giấc ngủ ở ruồi giấm. Cũng giống như gián, ruồi là một sinh vật quá nhỏ bé để có thể mắc chúng vào máy đo điện não đồ.

Nhưng bằng cách quan sát hành vi của chúng một cách tỉ mỉ, các nhà khoa học có thể phát hiện lũ ruồi có ngủ thật hay không? "Một khi chứng minh được lũ ruồi có thể ngủ, sau đó chúng tôi có thể nói rằng giấc ngủ có thể xuất hiện ở bất cứ sinh vật nào", Shaw nói.

Và đúng như cô nói, năm 2008, một nhà sinh học tên là David Raizen báo cáo về giấc ngủ ở Caenorhabditis elegans, một loài giun đũa được sử dụng rộng rãi như một sinh vật mẫu trong các phòng thí nghiệm sinh học.

Chúng chỉ có 959 tế bào cơ thể (ngoài tuyến sinh dục của chúng), với 302 tế bào thần kinh chủ yếu tập trung thành một số cụm trên đầu. Không giống như nhiều sinh vật khác, C. elegans không có những giấc ngủ phân chia theo ngày. Thay vào đó, chúng ngủ thành những phiên ngắn trong chính quá trình phát triển. Chẳng hạn sau một thời gian lớn lên căng thẳng chúng sẽ đi ngủ.

Cách đây khoảng 5 năm, bằng chứng về giấc ngủ ở những sinh vật có hệ thần kinh tối thiểu đã được đưa lên một tầm cao mới với các nghiên cứu về sứa, cụ thể là loài sứa có tên là Cassiopea. Những con sứa Cassiopea dài khoảng 10 cm. Chúng dành phần lớn cuộc đời của mình để lộn ngược, vươn các xúc tu về phía mặt biển và rung động thân người để đẩy nước qua cơ thể.

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học California và Học viện Cal Tech dẫn đầu bởi tiến sĩ Michael Abrams, đã tự hỏi: Liệu sứa Cassiopea có thể ngủ hay không?

Để trả lời, nhóm nghiên cứu đã lật ngược lại dòng thời gian để tìm bộ tiêu chuẩn hành vi mà Tobler đã rút ra được từ nghiên cứu những con gián.

Nếu sứa ngủ, điều đó cho thấy giấc ngủ có thể đã tiến hoá từ hơn 1 tỷ năm về trước và có thể là một chức năng cơ bản của hầu hết các sinh vật trong giới động vật, nhiều loài trong số đó thậm chí không có não.

Đó là bởi vì trong số các loài động vật, sứa là loài tiến hóa ở khoảng cách xa nhất so với động vật có vú. Những người hàng xóm của chúng trên nhánh cây sự sống bao gồm bọt biển, những sinh vật gắn bó cả cuộc đời của mình vào đá trong các đại dương và placozoans, những cụm tế bào nhỏ lần đầu tiên được các nhà khoa học nhìn thấy trên thành của bể cá nước mặn.

Nhưng giấc ngủ ở sứa Cassiopea là một thứ khó nhận diện hơn so với các loài động vật khác. Chúng không hề có não, cũng chẳng có hệ thần kinh trung ương. Hành vi duy nhất mà những con sứa này thể hiện là di chuyển xen kẽ những khoảng thời gian nghỉ ngơi. Nhưng vậy cũng đủ để áp dụng các tiêu chí hành vi giấc ngủ của Tobler.

Trong quá trình theo dõi, Abrams nhận thấy mặc dù sứa đập cả ngày lẫn, tốc độ hoạt động của chúng sẽ chậm lại theo một mô hình rất đặc trưng vào ban đêm. Và khi loài động vật này thức dậy, chúng cũng uể oải như cách chúng ta thức dậy vào mỗi sáng.

Dấu hiệu mất cân bằng nội môi của sứa Cassiopea cũng được xác định. Abrams nhận thấy khi lũ sứa càng bị quấy rầy nhiều khi ngủ, sinh vật này sẽ càng ít di chuyển hơn vào ngày hôm sau. Kết quả nghiên cứu năm 2007 khẳng định sứa Cassiopea cũng biết ngủ và Abrams vẫn tiếp tục nghiên cứu hành vi thần kinh của chúng kể từ đó.

Bây giờ trong năm 2021, những khám phá mới về giấc ngủ của Hydra đã đẩy toàn bộ lĩnh vực nghiên cứu này lên một đỉnh điểm mới. Hydra có cơ thể và hệ thần kinh còn đơn giản hơn sứa Cassiopea.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu từ Đại học Kyushu ở Nhật Bản và Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan Hàn Quốc cũng đã chứng minh được dấu hiệu cân bằng nội môi của Hydra. Cụ thể, một khi loài sinh vật này rơi vào trạng thái ngủ, một luồng ánh sáng chiếu qua sẽ có thể đánh thức chúng. Và sau nhiều lần bị đánh thức như vậy, những con Hydra sẽ ngủ lâu hơn mức trung bình của chúng giống với cách chúng ta ngủ nướng sau một tuần dậy sớm làm việc.

Ngoài ra, một phát hiện đáng ngạc nhiên khác cho thấy dopamine, một hooc-môn thường khiến con người chúng ta và các loài động vật khác tỉnh táo hơn, lại giúp Hydra bất động và rơi vào trạng thái ngủ.

Quan sát cũng cho thấy Hydra dường như không ngủ theo chu kỳ 24 giờ, thay vào đó, cứ 4 tiếng chúng lại ngủ một lần. Tobler cho biết có thể những pha ngủ này sẽ đem lại cho Hydra một lợi ích nào đó mà chúng ta chưa biết.

Nhưng ngoài những khác biệt kể trên, xét xuống tới cấp độ di truyền thì giấc ngủ của Hydra sẽ giống với giấc ngủ của bất cứ loài động vật nào khác. Khi các nhà nghiên cứu tìm kiếm hoạt động gen nào đã bị thay đổi trong khi những con Hydra bị chiếu sáng liên tục, họ đã thấy một số gen quen thuộc liên quan đến chứng mất ngủ.

Taichi Itoh, một phó giáo sư tại Đại học Kyushu cho biết: "Ít nhất một số gen được bảo tồn ở các loài động vật khác có liên quan đến điều hòa giấc ngủ ở Hydra. Phát hiện đó cho thấy rằng các loài động vật thuộc nhóm Cnidaria, bao gồm Hydra và sứa, đã có một số thành phần di truyền điều hòa giấc ngủ trước khi chia tách với tổ tiên của các nhóm động vật khác.

Khi những loài động vật đó dần dần phát triển hệ thống thần kinh tập trung, giấc ngủ có thể đã đảm nhận các chức năng mới để duy trì chúng".

Vậy thì, giấc ngủ có tác dụng gì với một loài động vật không có não? Raizen nghi ngờ rằng đối với một số loài động vật, giấc ngủ có chức năng trao đổi chất. Ngủ cho phép một số phản ứng sinh hóa nhất định diễn ra mà khi thức chúng không thể.

Trên thực tế, sự tỉnh táo sẽ đòi hỏi tiêu tốn nhiều năng lượng hơn, và khi động vật ngủ, năng lượng tiết kiệm được đó có thể được chuyển sang các quá trình mới. Ví dụ, giun C.elegans dường như sử dụng giấc ngủ để kích hoạt sự phát triển của cơ thể và hỗ trợ việc tái tạo các mô bị hư hỏng của nó.

Khi thiếu ngủ, quá trinh phân chia tế bào của C.elegans sẽ bị dừng lại. Một cái gì đó tương tự đã được nhìn thấy trong não của những con chuột thiếu ngủ và ruồi giấm. Quản lý dòng chảy năng lượng có thể là một vai trò trung tâm của giấc ngủ ở sinh vật từ đơn giản đến phức tạp.

Tất cả nghiên cứu mới về C.elegans và Hydra đã đặt ra câu hỏi: Vậy đâu là sinh vật đầu tiên biết ngủ? Bất kể câu trả lời gì, sinh vật này có thể đã tuyệt chủng cách chúng ta hơn 1 tỷ năm.

Nếu nó là một tổ tiên chung giữa Hydra và con người, sinh vật này có thể có tế bào thần kinh và một thứ gì đó như sợi cơ giúp nó di chuyển. Khi sinh vật này vắng mặt sự chuyển động, đó sẽ là đặc điểm của một giấc ngủ nguyên sơ, đáp ứng các tiêu chí hành vi của Tobler.

Giấc ngủ đó có thể giúp sinh vật này duy trì hệ thống thần kinh, nhưng nó cũng có thể đem lại lợi ích trong quá trình trao đổi chất và tiêu hóa. "Trước khi các sinh vật có não, chúng đã có ruột", Abrams nói.

Ranh giới của các sinh vật ngủ và không ngủ còn đang được đẩy xa hơn nữa. Bên dưới Hydra, chúng ta còn có Placozoans, một sinh vật đa bào cực nhỏ thuộc vào nhóm những loài động vật đơn giản nhất chỉ biết di chuyển và phản ứng với môi trường xung quanh.

Placozoans không có tế bào thần kinh và không có cơ bắp. Bọt biển cũng vậy, chúng neo một chỗ nhưng vẫn phản ứng với môi trường chứng tỏ bản chất sinh vật của chúng. "Mọi người vẫn thường hỏi tôi," Bọt biển có ngủ được không? Nhưng xuống đến đây là một thế giới hoàn toàn mới", Abrams nói.

"Mặc dù vậy, chúng ta vẫn sẽ có nhiều cách để kiểm tra giả thuyết đó trong tương lai".