ข้อมูล

ทำไมกระบวนการของการนอนหลับจึงมีวิวัฒนาการในสัตว์หลายชนิด? ข้อได้เปรียบเชิงวิวัฒนาการของมันคืออะไร?

ทำไมกระบวนการของการนอนหลับจึงมีวิวัฒนาการในสัตว์หลายชนิด? ข้อได้เปรียบเชิงวิวัฒนาการของมันคืออะไร?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

กระบวนการนอนหลับนั้นดูจะส่งผลเสียต่อร่างกายอย่างมาก เนื่องจากมันเสี่ยงที่จะโดนปล้นสะดมเป็นเวลาหลายชั่วโมงในแต่ละครั้งอย่างมาก ทำไมการนอนหลับจึงมีความจำเป็นในสัตว์หลายชนิด? มันให้ประโยชน์อะไรกับบุคคลที่พัฒนาให้มีการปรับตัว? มีแนวโน้มว่าจะเกิดขึ้นในเส้นทางวิวัฒนาการของสัตว์เมื่อใดและอย่างไร


บทความดีๆ ที่ไม่ใช่เชิงวิชาการนี้ครอบคลุมข้อดีบางประการตามปกติ (การพักผ่อน/การฟื้นฟู)

งานวิจัยชิ้นหนึ่งที่พวกเขากล่าวถึง (ซึ่งเชื่อมโยงกับข่าวประชาสัมพันธ์) คือ การอนุรักษ์การนอนหลับ: ข้อมูลเชิงลึกจากระบบแบบจำลองที่ไม่ใช่สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม โดย John E. Zimmerman, Ph.D.; เทรนด์ Neurosci 2551 กรกฎาคม; 31(7): 371-376. เผยแพร่ออนไลน์ 2551 มิถุนายน 5 ดอย: 10.1016/j.tins.2008.05.001; NIHMSID: NIHMS230885. อ้างจากข่าวประชาสัมพันธ์:

เนื่องจากเวลาของ lethargus เกิดขึ้นพร้อมกับเวลาในวงจรชีวิตของหนอนตัวกลมเมื่อการเปลี่ยนแปลงของ synaptic เกิดขึ้นในระบบประสาทพวกเขาเสนอว่า การนอนหลับเป็นสภาวะที่จำเป็นสำหรับการปั้นของระบบประสาท กล่าวอีกนัยหนึ่งเพื่อให้ระบบประสาทเติบโตและเปลี่ยนแปลงต้องมีเวลาหยุดทำงานของพฤติกรรม นักวิจัยคนอื่นๆ ที่ Penn ได้แสดงให้เห็นว่าในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม การเปลี่ยนแปลง synaptic เกิดขึ้นระหว่างการนอนหลับ และการอดนอนส่งผลให้เกิดการหยุดชะงักของการเปลี่ยนแปลง synaptic เหล่านี้


ฉันพบบทความนี้โดย Benington และ Heller ที่ขยายทฤษฎีการนอนหลับที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ว่าเป็นกลไกในการต่ออายุการเผาผลาญ พวกเขาตั้งสมมติฐานว่าการนอนหลับเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อเติมเต็มการสะสมไกลโคเจน (ส่วนใหญ่อยู่ภายใน astrocytes) ในสมอง ร้านค้าเหล่านี้มักใช้เพื่อเสริมระดับน้ำตาลในเลือดเนื่องจากความต้องการพลังงานสูงของสมอง

ขอแนะนำว่าสิ่งนี้อาจส่งผลให้เกิดอาการง่วงนอนอันเป็นผลมาจากความอ่อนล้าของสารไกลโคเจนในบริเวณเล็กๆ เฉพาะของสมอง การสะสมไกลโคเจนโดยสังเขปและเป็นภาษาท้องถิ่นทำให้เซลล์ทำงานโดยใช้พลังงานน้อยกว่าปกติที่ต้องทำงานด้วย ทำให้การสังเคราะห์อะดีโนซีนเพิ่มขึ้นจากการสลาย AMP บทความนี้ยืนยันว่าระดับของอะดีโนซีนที่เพิ่มขึ้นจะถูกตรวจพบโดยตัวรับอะดีโนซีน ซึ่งจะกระตุ้นหรือเพิ่มขึ้น (ดังที่เห็นในการสแกน EEG) ความรู้สึกของความจำเป็นในการนอนหลับ:

ในการนอนหลับของ NREM (ซึ่งอาจสนับสนุนทฤษฎีบางอย่างเนื่องจากการนอนหลับของ NREM คิดเป็น 80% ของการนอนหลับและแตกต่างกันทางสรีรวิทยามากที่สุดกับการตื่น) ไกลโคเจนนี้จะถูกแทนที่อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด ระหว่างการนอนหลับ NREM การปล่อยสารสื่อประสาทที่กระตุ้นไกลโคเจนจะลดน้อยลง ทำให้ไกลโคเจน-ซินเทสมีอิทธิพลเหนือกว่า และระดับไกลโคเจนจะกลับคืนมา อย่างไรก็ตาม สารสื่อประสาทชนิดเดียวกันเหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในการประมวลผลสิ่งเร้าทางประสาทสัมผัส ดังนั้นการเติมไกลโคเจนจะสัมพันธ์กับการตอบสนองต่อสิ่งเร้า (อย่างมาก) ที่ลดลงเสมอ.

สิ่งนี้นำไปสู่การตอบคำถามในที่สุดว่าทำไมการนอนหลับจึงมีข้อได้เปรียบเชิงวิวัฒนาการ ซึ่งฉันจะอ้างอิงคำต่อคำเพื่อรักษาโมเมนตัมของผู้เขียน:

การเติมไกลโคเจนในระหว่างการตื่นนอนจะไม่เหมาะสมเพราะจะทำให้ความสามารถของร่างกายในการประมวลผลและตอบสนองต่อสิ่งเร้าทางประสาทสัมผัสลดลง การนอนหลับจึงพัฒนาเป็นสภาวะที่สัตว์หนีไปสู่สภาพแวดล้อมที่ปลอดภัย พฤติกรรมถูกระงับ และสะสมไกลโคเจน.


จากสิ่งที่ฉันได้เรียนรู้ มีสองทฤษฎีที่จะตอบคำถามนั้น:

  1. การฟื้นฟู - ร่างกายต้องการพักผ่อนเพื่อฟื้นฟูการเผาผลาญ (หากสัตว์ทำงานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน มันจะใช้พลังงานและเมแทบอลิซึมมากอย่างต่อเนื่อง) มีการแสดงให้เห็นว่าหนูที่หายไประยะหนึ่งโดยไม่ได้นอนหลับมีระบบภูมิคุ้มกันที่อ่อนแอ

  2. การเก็บรักษา - การนอนหลับจะถือว่าให้ความได้เปรียบในการเอาชีวิตรอด เวลากลางคืนเป็นช่วงเวลาที่อันตราย ดังนั้นการนอนแบบ 'บังคับ' สัตว์ให้นอนต่ำสักสองสามชั่วโมง


เหตุใดการนอนหลับยังคงมีอยู่จึงค่อนข้างง่าย เหตุใดจึงมีความจำเป็นไม่ทราบ

การนอนหลับดูเหมือนจะมีความจำเป็นในสิ่งมีชีวิตใดๆ ที่มีสมอง นั่นคือสิ่งใดก็ตามที่มีความเข้มข้นของเซลล์ประสาทชนิดใดก็ตาม เมื่อถูกปฏิเสธก็กล่าวว่าสิ่งมีชีวิตตาย สิ่งที่ต้องเกิดขึ้นก็คือประโยชน์ของสมองมีค่ามากกว่าค่านอน

ระยะเวลาในการนอนหลับที่ต้องการสัมพันธ์กับขนาดสมอง อย่างน้อยส่วน REM ของการนอนหลับ ส่วนอื่นๆ สัมพันธ์กับอัตราการเผาผลาญ ตอนนี้สิ่งนี้ดูเหมือนจะสับสนในสมองที่ซับซ้อนขนาดใหญ่ (โดยเฉพาะนกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม) เมื่อสิ่งมีชีวิตเริ่มพับสมองเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของเซลล์ประสาทโดยไม่เพิ่มขนาดโดยรวม ในกรณีนี้ สิ่งมีชีวิตเหล่านี้กำลังเพิ่ม "ขนาด" ของสมองโดยไม่ทำให้สมองมีขนาดใหญ่ขึ้น โดยการเพิ่มความหนาแน่น สิ่งมีชีวิตบางตัวที่เลวร้ายยิ่งกว่านั้น "นอนหลับ" เป็นเวลานาน แต่ในช่วงเวลาสั้น ๆ เท่านั้นที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของระบบประสาทที่เกี่ยวข้องกับการนอนหลับ (เช่น REM) การนอนในสัตว์ที่ซับซ้อนมากขึ้น (ผู้ที่มีสมองที่ซับซ้อนมาก) มีหน้าที่หลายอย่าง

ในสิ่งมีชีวิตที่มีสมองเล็ก ๆ และการเผาผลาญอาหารช้า (หรือที่รู้จักกันในนามสิ่งแรกสุดที่มีสมอง) การนอนหลับใช้เวลาไม่นานนัก ดังนั้นค่าใช้จ่ายจึงน้อยมาก ประโยชน์ของสมอง (และด้วยเหตุนี้การเรียนรู้) อาจสูง ต่อมาเมื่อสมองมีขนาดใหญ่ขึ้น ค่าใช้จ่ายก็เพิ่มขึ้น แต่ประโยชน์ก็เช่นกัน ถ้าเป็นไปได้ที่สมองจะคงอยู่โดยไม่จำเป็นต้องนอนก็ควรเลือกให้อยู่ในระยะนี้ ดังนั้น ความจำเป็นในการนอนหลับจึงเป็นสิ่งที่พื้นฐานสำหรับการทำงานของเซลล์ประสาท และไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยไม่รบกวนการทำงานของเซลล์ประสาทอย่างจริงจัง ไม่ใช่เรื่องแปลกที่สิ่งที่ไม่เอื้ออำนวยจะถูกขังอยู่ในวิวัฒนาการในลักษณะนี้ ค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนแปลง (ในกรณีนี้คือการสูญเสียการทำงานของสมอง) นั้นมากกว่าค่าใช้จ่ายในการนอนมาก ดังนั้นการเลือกจึงรักษาไว้ได้

ในตอนนี้ ความซับซ้อนของการนอนหลับนั้นสมเหตุสมผลแล้ว หากคุณมีช่วงเวลาที่ต้องหยุดทำงานตามที่กำหนดอยู่แล้ว การพัฒนาอย่างอื่นที่ทำได้ดีที่สุดในช่วงเวลาดังกล่าวก็สมเหตุสมผลตามวิวัฒนาการ ดีกว่าที่จะใช้ทริกเกอร์และเวลาสำหรับกิจกรรมการหยุดทำงานที่มีอยู่สำหรับผู้อื่นที่เพิ่มเข้ามาแล้วมีเวลาหยุดทำงานมากขึ้น ดังนั้น ตอนนี้ เรามีปัจจัยที่ทำให้เกิดความสับสนจำนวนหนึ่งซึ่งศึกษาด้วยโคลนและทำให้ยากที่จะบอกได้ว่าส่วนใดมีความสำคัญ

เราไม่รู้ว่าทำไมการนอนจึงจำเป็น, มีความคิดมากมายแต่มีหลักฐานไม่มากนัก. เมื่อพิจารณาจากความซับซ้อนของการนอนหลับแล้ว จึงไม่น่าแปลกใจเลยที่การล้อเลียนว่าหน้าที่ใดเป็นพื้นฐานจึงไม่ใช่เรื่องง่าย มีกระแสโน้มเอียงไปทางความจำเป็นในการกำจัดเมแทบอไลต์ที่ขัดขวางการทำงานของระบบประสาท ดูเหมือนว่ากระบวนการนี้จะทำลายสมองอย่างมากหากสมองตื่นอยู่ จนถึงจุดที่เพียงแค่ปิดการทำงานของสมอง (โดยเฉพาะการเคลื่อนไหว) นั้นปลอดภัยกว่ามาก สำหรับสิ่งมีชีวิต แต่เช่นเดียวกับการวิจัยทั้งหมด นี่เป็นเพียงข้อมูลเบื้องต้นและความเข้าใจเรื่องการนอนหลับไม่ค่อยดี ดังนั้นการยอมรับจึงเป็นเรื่องไม่แน่นอน


วิวัฒนาการร่วมกัน

ในทางชีววิทยา วิวัฒนาการร่วมกัน เกิดขึ้นเมื่อสปีชีส์ตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปส่งผลต่อวิวัฒนาการของกันและกันผ่านกระบวนการคัดเลือกโดยธรรมชาติ คำนี้บางครั้งใช้สำหรับลักษณะสองประการในสปีชีส์เดียวกันที่ส่งผลต่อวิวัฒนาการของกันและกัน เช่นเดียวกับวิวัฒนาการร่วมกันของการเพาะเลี้ยงยีน

Charles Darwin กล่าวถึงปฏิสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการระหว่างพืชดอกและแมลงใน เกี่ยวกับต้นกำเนิดของสายพันธุ์ (1859). แม้ว่าเขาจะไม่ได้ใช้คำว่าวิวัฒนาการร่วมกัน แต่เขาแนะนำว่าพืชและแมลงสามารถวิวัฒนาการผ่านการเปลี่ยนแปลงทางวิวัฒนาการซึ่งกันและกันได้อย่างไร นักธรรมชาติวิทยาในช่วงปลายทศวรรษ 1800 ได้ศึกษาตัวอย่างอื่นๆ ว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างสปีชีส์อาจส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางวิวัฒนาการซึ่งกันและกันได้อย่างไร เริ่มต้นในทศวรรษที่ 1940 นักพยาธิวิทยาพืชได้พัฒนาโปรแกรมการเพาะพันธุ์ที่เป็นตัวอย่างของการวิวัฒนาการร่วมที่เกิดจากมนุษย์ การพัฒนาพันธุ์พืชพันธุ์ใหม่ที่ต้านทานโรคบางชนิดได้สนับสนุนวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วของประชากรก่อโรคเพื่อเอาชนะการป้องกันพืชเหล่านั้น ในทางกลับกัน จำเป็นต้องมีการพัฒนาพันธุ์พืชที่ต้านทานต่อใหม่ ทำให้เกิดวัฏจักรของการวิวัฒนาการซึ่งกันและกันในพืชและโรคพืชอย่างต่อเนื่องมาจนถึงทุกวันนี้

วิวัฒนาการร่วมเป็นหัวข้อหลักสำหรับการศึกษาในธรรมชาติขยายตัวอย่างรวดเร็วหลังช่วงกลางทศวรรษ 1960 เมื่อแดเนียล เอช. แจนเซนแสดงวิวัฒนาการร่วมกันระหว่างอะคาเซียกับมด (ดูด้านล่าง) และพอล อาร์. เออร์ลิชและปีเตอร์ เอช. เรเวน เสนอว่าการวิวัฒนาการร่วมกันระหว่างพืชและผีเสื้ออาจมีได้อย่างไร มีส่วนทำให้เกิดความหลากหลายในทั้งสองกลุ่ม รากฐานทางทฤษฎีของการวิวัฒนาการร่วมกันขณะนี้ได้รับการพัฒนาอย่างดี (เช่น ทฤษฎีโมเสกเชิงภูมิศาสตร์ของการวิวัฒนาการร่วมกัน) และแสดงให้เห็นว่าการวิวัฒนาการร่วมกันสามารถมีบทบาทสำคัญในการขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงทางวิวัฒนาการที่สำคัญ เช่น วิวัฒนาการของการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศหรือการเปลี่ยนแปลงอย่างอุดมสมบูรณ์ [2] [3] อีกไม่นาน มันยังแสดงให้เห็นอีกด้วยว่าวิวัฒนาการร่วมสามารถมีอิทธิพลต่อโครงสร้างและหน้าที่ของชุมชนทางนิเวศวิทยา วิวัฒนาการของกลุ่มผู้มีส่วนร่วม เช่น พืชและแมลงผสมเกสร และการเปลี่ยนแปลงของโรคติดเชื้อ [2] [4]

แต่ละฝ่ายในความสัมพันธ์แบบวิวัฒนาการร่วมกันใช้แรงกดดันในการเลือกอีกฝ่าย ซึ่งส่งผลต่อวิวัฒนาการของกันและกัน วิวัฒนาการร่วมกันประกอบด้วยความสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน โฮสต์-ปรสิต และเหยื่อผู้ล่าระหว่างสปีชีส์หลายรูปแบบ เช่นเดียวกับการแข่งขันภายในหรือระหว่างสปีชีส์ ในหลายกรณี แรงกดดันจากการคัดเลือกทำให้เกิดการแข่งขันด้านอาวุธวิวัฒนาการระหว่างสปีชีส์ที่เกี่ยวข้อง จับคู่ หรือ วิวัฒนาการร่วมจำเพาะระหว่างสองสปีชีส์นั้นไม่ใช่ความเป็นไปได้เพียงอย่างเดียวใน วิวัฒนาการร่วมกันหลายสายพันธุ์ซึ่งบางครั้งเรียกว่า กิลด์ หรือ วิวัฒนาการร่วมแบบกระจายหลายถึงหลายสายพันธุ์อาจมีวิวัฒนาการลักษณะหรือกลุ่มของลักษณะตอบแทนด้วยชุดของลักษณะในสายพันธุ์อื่น ดังที่เคยเกิดขึ้นระหว่างไม้ดอกและแมลงผสมเกสร เช่น ผึ้ง แมลงวัน และแมลงปีกแข็ง มีชุดของสมมติฐานเฉพาะเกี่ยวกับกลไกที่กลุ่มของสปีชีส์มีวิวัฒนาการร่วมกัน [5]

วิวัฒนาการร่วมเป็นแนวคิดทางชีววิทยาเป็นหลัก แต่นักวิจัยได้ประยุกต์ใช้โดยเปรียบเทียบกับสาขาต่างๆ เช่น วิทยาการคอมพิวเตอร์ สังคมวิทยา และดาราศาสตร์


สารบัญ

การนอนหลับสามารถเป็นไปตามคำจำกัดความทางสรีรวิทยาหรือพฤติกรรม ในความหมายทางสรีรวิทยา การนอนหลับเป็นภาวะที่มีลักษณะอาการหมดสติแบบย้อนกลับได้ รูปแบบคลื่นสมองพิเศษ การเคลื่อนไหวของดวงตาเป็นระยะๆ การสูญเสียกล้ามเนื้อ ของรัฐนี้เรียกว่าสภาวะสมดุลของการนอนหลับ [1] ในแง่พฤติกรรม การนอนหลับมีลักษณะเฉพาะโดยมีการเคลื่อนไหวเพียงเล็กน้อย การไม่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก (กล่าวคือ เพิ่มเกณฑ์การรับความรู้สึก) การนำท่าทางทั่วไปมาใช้ และการยึดครองพื้นที่กำบัง ซึ่งทั้งหมดนี้มักจะทำซ้ำใน ตลอด 24 ชม. [2] คำจำกัดความทางสรีรวิทยาใช้ได้ดีกับนกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แต่ในสัตว์อื่นๆ (ซึ่งสมองไม่ซับซ้อน) มักใช้คำจำกัดความพฤติกรรมมากกว่า ในสัตว์ธรรมดาๆ คำจำกัดความเชิงพฤติกรรมของการนอนหลับเป็นสิ่งเดียวเท่านั้นที่เป็นไปได้ และแม้กระทั่งละครเกี่ยวกับพฤติกรรมของสัตว์ก็อาจไม่กว้างขวางพอที่จะแยกความแตกต่างระหว่างการนอนหลับและความตื่นตัว [3] การนอนหลับสามารถย้อนกลับได้อย่างรวดเร็ว เมื่อเทียบกับการจำศีลหรือโคม่า และการอดนอนจะตามมาด้วยการนอนหลับที่เด้งกลับนานขึ้นหรือลึกขึ้น

หากการนอนหลับไม่จำเป็น ผู้คนจะคาดหวังว่าจะพบว่า:

  • สัตว์ที่ไม่หลับไม่นอน
  • สัตว์ที่ไม่ต้องพักฟื้นหลังตื่นนอนนานกว่าปกติ
  • สัตว์ที่ไม่ได้รับผลกระทบร้ายแรงจากการอดนอน

นอกจากสัตว์พื้นฐานสองสามตัวที่ไม่มีสมองหรือตัวธรรมดาแล้ว ยังไม่พบสัตว์ใดที่ตรงตามเกณฑ์เหล่านี้ [4] ในขณะที่ฉลามบางสายพันธุ์ เช่น ฉลามขาวและหัวค้อน ต้องเคลื่อนไหวตลอดเวลาเพื่อเคลื่อนน้ำที่มีออกซิเจนไปเหนือเหงือก มันเป็นไปได้ที่พวกมันจะยังหลับในสมองซีกหนึ่งในเวลาเดียวกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในทะเล อย่างไรก็ตาม ยังคงต้องแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าปลาตัวใดสามารถนอนหลับครึ่งซีกเดียวได้ [ ต้องการการอ้างอิง ]

การนอนหลับเป็นปรากฏการณ์ที่ดูเหมือนจะมีรากวิวัฒนาการที่เก่าแก่มาก สิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์เดียวไม่จำเป็นต้อง "นอนหลับ" แม้ว่าหลายคนจะมีจังหวะชีวิตที่เด่นชัด แมงกะพรุน Cassiopea เป็นหนึ่งในสิ่งมีชีวิตดึกดำบรรพ์ที่สุดที่มีการสังเกตสภาพเหมือนนอนหลับ [6] การสังเกตสภาวะการนอนหลับในแมงกะพรุนให้หลักฐานว่าสภาวะการนอนหลับไม่ต้องการให้สัตว์มีสมองหรือระบบประสาทส่วนกลาง [7] ไส้เดือนฝอย C. elegans เป็นสิ่งมีชีวิตดึกดำบรรพ์อีกชนิดหนึ่งที่ดูเหมือนจะต้องการการนอนหลับ ที่นี่ lethargus ระยะเกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้น ๆ ก่อนลอกคราบ ข้อเท็จจริงที่อาจบ่งชี้ว่าการนอนหลับในขั้นต้นนั้นเชื่อมโยงกับกระบวนการพัฒนา Raizen และคณะ'ผลลัพธ์ [8] นอกจากนี้ยังแนะนำว่าการนอนหลับเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเปลี่ยนแปลงในระบบประสาท

การศึกษาการนอนหลับในสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังขนาดเล็กนั้นซับซ้อน แมลงผ่านจังหวะของกิจกรรมและความเฉื่อย circadian แต่บางตัวดูเหมือนจะไม่ต้องการการนอนหลับแบบ homeostatic แมลงดูเหมือนจะไม่แสดงการนอนหลับ REM อย่างไรก็ตาม แมลงวันผลไม้ดูเหมือนจะนอนหลับ และการรบกวนอย่างเป็นระบบของสภาวะนั้นนำไปสู่ความบกพร่องทางสติปัญญา [9] มีหลายวิธีในการวัดการทำงานของการรับรู้ในแมลงวันผลไม้ วิธีทั่วไปคือให้แมลงวันเลือกว่าต้องการบินผ่านอุโมงค์ที่นำไปสู่แหล่งกำเนิดแสงหรือผ่านอุโมงค์มืด โดยปกติแมลงวันจะดึงดูดแสง แต่ถ้าวางน้ำตาลไว้ที่ปลายอุโมงค์มืด และแมลงวันไม่ชอบมาวางไว้ที่ปลายอุโมงค์แสง ในที่สุดแมลงวันก็จะเรียนรู้ที่จะบินไปสู่ความมืดมากกว่าที่จะบินไปสู่แสงสว่าง แมลงวันอดนอนต้องใช้เวลาในการเรียนรู้สิ่งนี้นานขึ้นและลืมมันได้เร็วยิ่งขึ้น หากสัตว์ขาปล้องถูกทดลองให้ตื่นตัวนานกว่าที่เคยเป็น ระยะเวลาพักฟื้นที่จะมาถึงจะยืดเยื้อ ในแมลงสาบนั้นระยะเวลาพักนั้นมีลักษณะเป็นหนวดที่ถูกพับลงและมีความไวต่อสิ่งเร้าภายนอกลดลง [10] การนอนหลับได้รับการอธิบายไว้ในกุ้งเครย์ฟิชเช่นกัน โดยมีลักษณะเฉื่อยและเพิ่มขีดจำกัดสำหรับสิ่งเร้าทางประสาทสัมผัสตลอดจนการเปลี่ยนแปลงในรูปแบบ EEG ซึ่งแตกต่างอย่างเห็นได้ชัดจากรูปแบบที่พบในกั้งเมื่อตื่น [11] ในผึ้ง พบว่าพวกมันใช้การนอนหลับเพื่อเก็บความทรงจำระยะยาว (12)

การนอนหลับในปลาเป็นเรื่องของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน [13] [14] โดยทั่วไปแล้วปลาจะแสดงช่วงเวลาของการไม่มีการใช้งานแต่ไม่แสดงปฏิกิริยาที่สำคัญต่อการกีดกันสภาพนี้ บางชนิดที่อาศัยอยู่ในสันดอนหรือว่ายอย่างต่อเนื่อง (เช่น จำเป็นต้องระบายอากาศของเหงือก) เป็นที่สงสัยว่าไม่เคยหลับใหล [15] ยังมีข้อสงสัยเกี่ยวกับสัตว์ตาบอดบางชนิดที่อาศัยอยู่ในถ้ำ [16] อย่างไรก็ตาม ปลาอื่นๆ ดูเหมือนจะหลับ ตัวอย่างเช่น ปลาม้าลาย [17] ปลานิล [18] เทนช์ [19] หัวบูลเฮดสีน้ำตาล [20] และปลาฉลามบวม [21] จะไม่เคลื่อนไหวและไม่ตอบสนองในตอนกลางคืน (หรือในเวลากลางวัน ในกรณีของปลาฉลามบวม) ภาษาสเปน ปลาฮอกฟิชและปลาตะเพียนหัวสีฟ้าสามารถยกขึ้นด้วยมือจนสุดพื้นผิวโดยไม่ทำให้เกิดการตอบสนอง [22] จากการศึกษาเชิงสังเกตในปี 2504 ของสัตว์น้ำประมาณ 200 สายพันธุ์ในตู้ปลาสาธารณะของยุโรปรายงานหลายกรณีของการนอนหลับที่ชัดเจน [23] ในทางกลับกัน รูปแบบการนอนจะรบกวนได้ง่ายและอาจหายไปได้ในช่วงที่มีการย้ายถิ่น การวางไข่ และการดูแลของผู้ปกครอง [24]

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม นก และสัตว์เลื้อยคลานวิวัฒนาการมาจากบรรพบุรุษของน้ำคร่ำ ซึ่งเป็นสัตว์มีกระดูกสันหลังกลุ่มแรกที่มีวัฏจักรชีวิตที่เป็นอิสระจากน้ำ ความจริงที่ว่านกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเป็นสัตว์เพียงชนิดเดียวที่รู้จักกันในการแสดงการนอนหลับของ REM และ NREM บ่งบอกถึงลักษณะทั่วไปก่อนที่จะมีความแตกต่าง [25] อย่างไรก็ตาม หลักฐานล่าสุดของการนอนหลับเหมือน REM ในปลาชี้ให้เห็นว่าความแตกต่างนี้อาจเกิดขึ้นเร็วกว่าที่เคยคิดไว้มาก [26] จนถึงตอนนี้ สัตว์เลื้อยคลานถือเป็นกลุ่มที่มีเหตุผลที่สุดในการตรวจสอบที่มาของการนอนหลับ กิจกรรมในเวลากลางวันในสัตว์เลื้อยคลานสลับกันระหว่างการนอนอาบแดดกับพฤติกรรมกระฉับกระเฉงสั้นๆ ซึ่งมีความคล้ายคลึงกันทางระบบประสาทและสรีรวิทยาอย่างมีนัยสำคัญกับสภาวะการนอนหลับของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม มีการเสนอว่าการนอนหลับ REM นั้นวิวัฒนาการมาจากการเคลื่อนไหวสั้นๆ ของการเคลื่อนไหวในสัตว์เลื้อยคลาน ในขณะที่การนอนแบบคลื่นช้า (SWS) นั้นวิวัฒนาการมาจากสถานะการนอนของพวกมันซึ่งแสดงรูปแบบ EEG ของคลื่นช้าที่คล้ายกัน [27]

สัตว์เลื้อยคลานมีช่วงสงบคล้ายกับการนอนหลับของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม และมีการลงทะเบียนกิจกรรมทางไฟฟ้าในสมองลดลงเมื่อสัตว์นอนหลับ อย่างไรก็ตาม รูปแบบ EEG ในการนอนหลับของสัตว์เลื้อยคลานนั้นแตกต่างจากที่พบในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและสัตว์อื่นๆ [3] ในสัตว์เลื้อยคลาน เวลานอนจะเพิ่มขึ้นหลังจากการอดนอน และจำเป็นต้องมีแรงกระตุ้นที่แรงกว่าในการปลุกสัตว์เมื่ออดนอนเมื่อเทียบกับเวลาที่พวกมันนอนหลับตามปกติ นี่แสดงให้เห็นว่าการนอนหลับที่เกิดขึ้นภายหลังการกีดกันนั้นลึกกว่าการชดเชย (28)

ในปี 2016 งานวิจัย [29] รายงานว่ามีระยะการนอนหลับที่เหมือน REM และ NREM ในมังกรออสเตรเลีย Pogona vitticeps. สัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกมีช่วงที่ไม่มีการเคลื่อนไหว แต่แสดงความระมัดระวังสูง (ไวต่อสิ่งเร้าที่อาจคุกคาม) ในสภาวะนี้

มีความคล้ายคลึงกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างการนอนหลับของนกกับการนอนในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม [30] ซึ่งเป็นหนึ่งในสาเหตุของความคิดที่ว่าการนอนหลับในสัตว์ที่สูงขึ้นโดยแบ่งเป็นการนอนหลับ REM และ NREM ได้พัฒนาไปพร้อมกับเลือดอุ่น [31] นกชดเชยการสูญเสียการนอนหลับในลักษณะที่คล้ายกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมโดยการนอนหลับคลื่นช้า (SWS) ที่ลึกกว่าหรือรุนแรงกว่า (32)

นกมีทั้งการนอนหลับ REM และ NREM และรูปแบบ EEG ของทั้งสองมีความคล้ายคลึงกันกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม นกต่างๆ นอนหลับในปริมาณที่ต่างกัน แต่ความสัมพันธ์ที่เห็นในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมระหว่างการนอนหลับกับตัวแปรต่างๆ เช่น มวลกาย มวลสมอง มวลสมองสัมพัทธ์ เมตาบอลิซึมพื้นฐาน และปัจจัยอื่นๆ (ดูด้านล่าง) ไม่พบในนก ปัจจัยอธิบายที่ชัดเจนเพียงอย่างเดียวสำหรับการเปลี่ยนแปลงของปริมาณการนอนหลับของนกในสายพันธุ์ต่าง ๆ คือนกที่นอนหลับในสภาพแวดล้อมที่พวกมันสัมผัสกับผู้ล่าจะนอนหลับลึกน้อยกว่านกที่นอนหลับในสภาพแวดล้อมที่ได้รับการคุ้มครองมากกว่า [33]

นกไม่จำเป็นต้องแสดงภาระการนอน แต่เป็นลักษณะเฉพาะที่นกร่วมกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในน้ำ และอาจรวมถึงกิ้งก่าบางชนิดด้วย (ความคิดเห็นต่างกันเกี่ยวกับประเด็นสุดท้ายนั้น [ ต้องการคำชี้แจง ] ) คือความสามารถในการนอนหลับแบบครึ่งซีกโลก นั่นคือความสามารถในการนอนหลับโดยซีกโลกหนึ่งซีกในคราวเดียว ในขณะที่ซีกโลกอีกซีกหนึ่งตื่นอยู่ (การนอนหลับแบบคลื่นช้าแบบ Unihemispheric) (34) เมื่อมีซีกโลกเพียงซีกเดียวหลับตาข้างเดียวจะปิด นั่นคือเมื่อซีกขวาหลับตาซ้ายจะปิด และในทางกลับกัน [35] การกระจายของการนอนหลับระหว่างซีกโลกทั้งสองและปริมาณของการนอนหลับครึ่งซีกนั้นพิจารณาจากทั้งสองว่าส่วนใดของสมองมีการเคลื่อนไหวมากที่สุดในช่วงก่อนหน้าของการตื่น [36] - ส่วนนั้นจะหลับลึกที่สุด - และมัน ยังถูกกำหนดโดยความเสี่ยงของการโจมตีจากผู้ล่า เป็ดที่อยู่ใกล้ขอบฝูงมักจะเป็นเป็ดที่จะตรวจจับการจู่โจมของนักล่าก่อน เป็ดเหล่านี้มีการนอนหลับครึ่งซีกมากกว่าคนที่นอนกลางฝูงอย่างมาก และพวกมันตอบสนองต่อสิ่งเร้าที่คุกคามซึ่งมองเห็นได้ด้วยตาที่เปิดอยู่ [37]

ความคิดเห็นบางส่วนแตกต่างกันเกี่ยวกับการนอนหลับของนกอพยพ [ ต้องการการอ้างอิง ] การโต้เถียงส่วนใหญ่เกี่ยวกับว่าพวกเขาสามารถนอนหลับขณะบินได้หรือไม่ [ ต้องการการอ้างอิง ] ในทางทฤษฎี การนอนหลับบางประเภทสามารถทำได้ในขณะที่บิน แต่ปัญหาทางเทคนิคทำให้ไม่สามารถบันทึกการทำงานของสมองในนกขณะบินได้

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีความหลากหลายในปรากฏการณ์การนอนหลับ โดยทั่วไปแล้ว พวกเขาต้องผ่านช่วงเวลาของการนอนแบบ non-REM และ REM สลับกัน แต่สิ่งเหล่านี้แสดงออกต่างกัน ม้าและสัตว์กีบเท้าที่กินพืชเป็นอาหารอื่นๆ สามารถนอนหลับได้ในขณะยืน แต่จำเป็นต้องนอนราบเพื่อการนอนหลับช่วง REM (ซึ่งทำให้เกิดการสลายของกล้ามเนื้อ) ในช่วงเวลาสั้นๆ ตัวอย่างเช่น ยีราฟจำเป็นต้องนอนลงเพื่อการนอนหลับแบบ REM ครั้งละสองสามนาทีเท่านั้น ค้างคาวนอนในขณะที่ห้อยคว่ำ อาร์มาดิลโลตัวผู้จะแข็งตัวระหว่างการนอนหลับที่ไม่ใช่ REM และการผกผันเป็นจริงในหนู [38] สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในยุคแรก ๆ นอนหลับแบบ polyphasic โดยแบ่งการนอนหลับออกเป็นหลายรอบต่อวัน โควตาการนอนหลับที่สูงขึ้นในแต่ละวันและรอบการนอนหลับที่สั้นลงในสายพันธุ์ polyphasic เมื่อเทียบกับสายพันธุ์ monophasic ชี้ให้เห็นว่าการนอนหลับแบบ polyphasic อาจเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าในการบรรลุผลประโยชน์ของการนอนหลับ สายพันธุ์ขนาดเล็กที่มีอัตราการเผาผลาญพื้นฐาน (BMR) สูงกว่าจึงอาจมีรูปแบบการนอนหลับที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่า ตามมาด้วยว่าวิวัฒนาการของการนอนหลับแบบโมโนเฟสิกอาจเป็นข้อได้เปรียบที่ไม่ทราบแน่ชัดของการพัฒนาขนาดร่างกายของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่ใหญ่ขึ้นและค่า BMR ที่ต่ำลง [39]

บางครั้งการนอนคิดว่าช่วยประหยัดพลังงาน แม้ว่าทฤษฎีนี้จะไม่เพียงพออย่างเต็มที่เนื่องจากลดการเผาผลาญได้ประมาณ 5-10% เท่านั้น [40] [41] นอกจากนี้ ยังสังเกตเห็นว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมต้องการการนอนหลับแม้ในช่วงภาวะไฮเบอร์เนตไฮเบอร์เนต ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่จริง ๆ แล้วเป็นการสูญเสียพลังงานสุทธิในขณะที่สัตว์กลับมาจากภาวะอุณหภูมิต่ำเป็นภาวะยูเทอร์เมียเพื่อการนอนหลับ [42]

สัตว์ที่ออกหากินเวลากลางคืนมีอุณหภูมิร่างกายสูงขึ้น มีกิจกรรมมากขึ้น มีเซโรโทนินเพิ่มขึ้น และคอร์ติซอลลดลงในตอนกลางคืน ซึ่งตรงกันข้ามกับสัตว์กลางวัน สัตว์กลางคืนและสัตว์กลางวัน ทั้งสอง ได้เพิ่มกิจกรรมทางไฟฟ้าในนิวเคลียส suprachiasmatic และการหลั่งเมลาโทนินที่สอดคล้องกันจากต่อมไพเนียลในเวลากลางคืน [43] สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่ออกหากินเวลากลางคืน ซึ่งมักจะตื่นนอนตอนกลางคืน มีเมลาโทนินสูงกว่าในตอนกลางคืนเหมือนกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมรายวัน [44] และแม้ว่าการเอาต่อมไพเนียลในสัตว์หลายชนิดจะยกเลิกจังหวะของเมลาโทนิน แต่ก็ไม่ได้หยุดจังหวะของ circadian โดยสิ้นเชิง แม้ว่ามันอาจจะเปลี่ยนและตอบสนองต่อสัญญาณไฟอ่อนลงก็ตาม [45] ระดับคอร์ติซอลในสัตว์กลางวันมักจะเพิ่มขึ้นตลอดทั้งคืน สูงสุดในเวลาตื่นนอน และลดลงในระหว่างวัน [46] [47] ในสัตว์กลางวัน ความง่วงนอนจะเพิ่มขึ้นในช่วงกลางคืน

แก้ไขระยะเวลา

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมต่าง ๆ นอนหลับในปริมาณที่แตกต่างกัน บางชนิด เช่น ค้างคาว นอน 18-20 ชั่วโมงต่อวัน ในขณะที่บางชนิด เช่น ยีราฟ นอนเพียง 3-4 ชั่วโมงต่อวัน อาจมีความแตกต่างกันมากระหว่างสายพันธุ์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด การศึกษาในห้องปฏิบัติการและภาคสนามอาจมีความแตกต่างกันได้ ตัวอย่างเช่น นักวิจัยในปี 1983 รายงานว่าสลอธที่ถูกจับได้นอนหลับเกือบ 16 ชั่วโมงต่อวัน แต่ในปี 2008 เมื่อมีการพัฒนาเครื่องบันทึกทางสรีรวิทยาขนาดเล็กที่สามารถติดกับสัตว์ป่า สลอธในธรรมชาติได้ พบว่านอนหลับเพียง 9.6 ชั่วโมงต่อวัน [48]

เช่นเดียวกับนก กฎหลักสำหรับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม (มีข้อยกเว้นบางประการ ดูด้านล่าง) คือพวกมันมีระยะการนอนหลับที่แตกต่างกันสองช่วง: REM และ NREM sleep (ดูด้านบน) นิสัยการกินของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมนั้นสัมพันธ์กับระยะเวลาการนอนหลับของพวกมัน ความต้องการการนอนหลับในแต่ละวันสูงที่สุดในสัตว์กินเนื้อ สัตว์กินเนื้อที่ต่ำกว่า และสัตว์กินพืชน้อยที่สุด มนุษย์นอนหลับน้อยกว่าสัตว์กินเนื้ออื่น ๆ อีกมาก แต่ไม่มากหรือน้อยผิดปกติเมื่อเทียบกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่นๆ [49]

สัตว์กินพืชจำนวนมาก เช่น รูมิแนนเทีย (เช่น วัวควาย) ใช้เวลาส่วนใหญ่ตื่นในอาการง่วงนอน [ ต้องการคำอธิบายเพิ่มเติม ] ซึ่งส่วนหนึ่งอาจอธิบายความต้องการการนอนหลับที่ค่อนข้างต่ำของพวกเขาได้ ในสัตว์กินพืช มีความสัมพันธ์แบบผกผันชัดเจนระหว่างมวลกายและความยาวการนอนหลับของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดใหญ่ที่นอนหลับน้อยกว่าตัวที่เล็กกว่า ความสัมพันธ์นี้คิดว่าจะอธิบายความแตกต่างของปริมาณการนอนหลับระหว่างสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมแต่ละชนิดได้ประมาณ 25% [49] นอกจากนี้ ความยาวของวงจรการนอนหลับโดยเฉพาะนั้นสัมพันธ์กับขนาดของสัตว์โดยเฉลี่ย สัตว์ที่ใหญ่กว่าจะมีวงจรการนอนหลับที่ยาวกว่าสัตว์ขนาดเล็ก ปริมาณการนอนหลับยังรวมถึงปัจจัยต่างๆ เช่น เมแทบอลิซึมพื้นฐาน มวลสมอง และมวลสมองสัมพัทธ์ [ ต้องการการอ้างอิง ] ระยะเวลาการนอนหลับระหว่างสปีชีส์ก็เกี่ยวข้องโดยตรงกับ BMR หนูที่มี BMR สูง จะนอนหลับได้นานถึง 14 ชั่วโมงต่อวัน ในขณะที่ช้างและยีราฟซึ่งมี BMR ต่ำกว่าจะนอนหลับเพียง 2-4 ชั่วโมงต่อวัน [50]

มีการแนะนำว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่ใช้เวลาในการนอนนานขึ้นกำลังลงทุนในระบบภูมิคุ้มกัน เนื่องจากสายพันธุ์ที่มีเวลานอนนานขึ้นจะมีจำนวนเม็ดเลือดขาวสูงขึ้น [51] สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่เกิดมาพร้อมกับระบบการกำกับดูแลที่ได้รับการพัฒนามาอย่างดี เช่น ม้าและยีราฟ มักจะมีการนอนหลับช่วง REM น้อยกว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่มีพัฒนาการน้อยตั้งแต่แรกเกิด เช่น แมวและหนู [52] สิ่งนี้ดูเหมือนจะสะท้อนความต้องการการนอนหลับ REM ในทารกแรกเกิดมากกว่าผู้ใหญ่ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมส่วนใหญ่ สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจำนวนมากนอนหลับเป็นสัดส่วนมากในแต่ละช่วงเวลา 24 ชั่วโมงเมื่อพวกมันยังเด็กมาก [53] ยีราฟนอนหลับเพียง 2 ชั่วโมงต่อวันในช่วงเวลาประมาณ 5–15 นาที โคอาล่าเป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่หลับได้ยาวนานที่สุด ประมาณ 20-22 ชั่วโมงต่อวัน อย่างไรก็ตาม วาฬเพชฌฆาตและโลมาบางตัวไม่ยอมนอนในช่วงเดือนแรกของชีวิต [54] ในทางกลับกัน โลมาและวาฬรุ่นเยาว์มักพักผ่อนโดยกดร่างของพวกมันไว้ใกล้กับแม่ของพวกมันขณะที่เธอว่ายน้ำ ขณะที่แม่กำลังว่ายน้ำ เธอกำลังอุ้มลูกของเธอลอยน้ำเพื่อป้องกันไม่ให้พวกมันจมน้ำ สิ่งนี้ทำให้โลมาและวาฬอายุน้อยได้พักผ่อน ซึ่งจะช่วยให้ระบบภูมิคุ้มกันของพวกมันแข็งแรง และปกป้องพวกมันจากโรคภัยไข้เจ็บ [55] ในช่วงเวลานี้ มารดามักเสียสละการนอนหลับเพื่อปกป้องลูกของตนจากผู้ล่า อย่างไรก็ตาม ไม่เหมือนกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่นๆ โลมาและวาฬที่โตเต็มวัยสามารถนอนหลับได้เป็นเวลาหนึ่งเดือน [55] [56]

เปรียบเทียบระยะเวลาการนอนหลับเฉลี่ยของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมต่างๆ (ในกรงขัง) เกิน 24 ชั่วโมง [ ต้องการการอ้างอิง ]

    – 2 ชั่วโมง [57] – 3+ ชั่วโมง [50] – 4.0 ชั่วโมง – 4.5 ชั่วโมง – 8.0 ชั่วโมง – 8.4 ชั่วโมง – 9.7 ชั่วโมง – 9.8 ชั่วโมง – 10.1 ชั่วโมง – 15.8 ชั่วโมง – 12.5 ชั่วโมง – 12.5 ชั่วโมง – 13.5 ชั่วโมง – 14 ชั่วโมง – 15 ชั่วโมง – 18.1 ชั่วโมง – 18 ชั่วโมงต่อวัน – 19.9 ชั่วโมง

เหตุผลสำหรับรูปแบบที่หลากหลายนั้นรวมถึงข้อเท็จจริงที่ว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม "ที่งีบหลับในที่ซ่อน เช่น ค้างคาวหรือหนูมักจะมีการงีบหลับที่ยาวกว่าและลึกกว่าสัตว์ที่ตื่นตัวตลอดเวลา" สิงโตที่กลัวผู้ล่าเพียงเล็กน้อยก็มีช่วงเวลาการนอนหลับค่อนข้างนาน ในขณะที่ช้างต้องกินเวลาส่วนใหญ่เพื่อรองรับร่างกายที่ใหญ่โตของพวกมัน ค้างคาวสีน้ำตาลตัวเล็ก ๆ จะประหยัดพลังงาน ยกเว้นเพียงไม่กี่ชั่วโมงในแต่ละคืนเมื่อมีแมลงเป็นเหยื่อ และตุ่นปากเป็ดกินอาหารที่มีสัตว์จำพวกครัสเตเชียนที่มีพลังงานสูง ดังนั้นจึงอาจไม่จำเป็นต้องตื่นนอนมากเท่ากับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่นๆ [58]

หนูแก้ไข

การศึกษาที่ดำเนินการโดย Datta สนับสนุนความคิดที่ว่าความจำได้ประโยชน์จากการนอนหลับโดยอ้อม [59] กล่องถูกสร้างขึ้นเพื่อให้หนูตัวหนึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระจากปลายข้างหนึ่งไปอีกข้างหนึ่ง ด้านล่างของกล่องทำด้วยตะแกรงเหล็ก แสงจะส่องสว่างในกล่องพร้อมกับเสียง หลังจากหน่วงเวลาห้าวินาที จะเกิดไฟฟ้าช็อต เมื่อเริ่มช็อกแล้ว หนูสามารถขยับไปที่ปลายอีกด้านของกล่องได้ และยุติการช็อกในทันที หนูสามารถใช้การหน่วงเวลาห้าวินาทีเพื่อย้ายไปที่ปลายอีกด้านของกล่องและหลีกเลี่ยงการกระแทกโดยสิ้นเชิง ความยาวของช็อตไม่เกินห้าวินาที ทำซ้ำ 30 ครั้งสำหรับหนูครึ่งหนึ่ง อีกครึ่งหนึ่งคือกลุ่มควบคุมถูกจัดอยู่ในการทดลองเดียวกัน แต่หนูตกใจโดยไม่คำนึงถึงปฏิกิริยาของพวกมัน หลังจากการฝึกซ้อมแต่ละครั้ง หนูจะถูกขังในกรงสำหรับบันทึกเป็นเวลาหกชั่วโมงในการบันทึกโพลีกราฟิก กระบวนการนี้ทำซ้ำเป็นเวลาสามวันติดต่อกัน ระหว่างช่วงการบันทึกการนอนหลับหลังการทดลอง หนูใช้เวลา 25.47% ในการนอนหลับ REM หลังจากเรียนรู้การทดลองมากกว่าหลังจากการทดลองควบคุม [59]

การสังเกตของการศึกษา Datta คือกลุ่มการเรียนรู้ใช้เวลาใน SWS มากกว่า 180% เมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุมในระหว่างเซสชันการบันทึกการนอนหลับหลังการทดลอง [60] การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าหลังจากกิจกรรมการสำรวจอวกาศ รูปแบบของเซลล์ตำแหน่งฮิปโปแคมปัสจะถูกเปิดใช้งานอีกครั้งระหว่าง SWS หลังการทดลอง หนูวิ่งผ่านรางเชิงเส้นโดยใช้รางวัลที่ปลายทั้งสองข้าง จากนั้นหนูจะถูกวางลงในลู่วิ่งเป็นเวลา 30 นาทีเพื่อให้พวกมันปรับตัว (PRE) จากนั้นพวกมันจึงวิ่งบนลู่ด้วยการฝึกแบบให้รางวัลเป็นเวลา 30 นาที (RUN) และปล่อยให้พวกมันพักเป็นเวลา 30 นาที

ในแต่ละช่วงเวลาทั้งสามนี้ ข้อมูล EEG จะถูกเก็บรวบรวมสำหรับข้อมูลเกี่ยวกับระยะการนอนหลับของหนู อัตราการยิงเฉลี่ยของเซลล์แทนที่ตำแหน่งฮิปโปแคมปัสในช่วงก่อนพฤติกรรม SWS (PRE) และช่วงเวลาสิบนาทีสามช่วงใน SWS หลังพฤติกรรม (POST) คำนวณโดยการหาค่าเฉลี่ยจากการวิ่งลู่วิ่ง 22 ครั้งจากหนู 7 ตัว ผลการวิจัยพบว่าสิบนาทีหลังจากช่วงทดลอง RUN มีอัตราการยิงเฉลี่ยของเซลล์ place ของ hippocampal เพิ่มขึ้น 12% จากระดับ PRE หลังจาก 20 นาที อัตราการยิงเฉลี่ยกลับคืนสู่ระดับ PRE อย่างรวดเร็ว การยิงเซลล์ตำแหน่งฮิปโปแคมปัสที่สูงขึ้นระหว่าง SWS หลังจากการสำรวจเชิงพื้นที่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมจึงมีระดับการนอนหลับของคลื่นช้าในระดับสูงในการศึกษาของ Datta เนื่องจากยังเกี่ยวข้องกับรูปแบบการสำรวจเชิงพื้นที่ด้วย

ในหนู การอดนอนทำให้น้ำหนักลดลงและทำให้อุณหภูมิร่างกายลดลง หนูตื่นอยู่เรื่อย ๆ ทำให้เกิดแผลที่ผิวหนัง, ภาวะไขมันในเลือดสูง, การสูญเสียมวลกาย, ภาวะอุณหภูมิร่างกายต่ำกว่าปกติ และในที่สุด ภาวะติดเชื้อที่ร้ายแรงถึงชีวิต [61] การอดนอนยังเป็นอุปสรรคต่อการรักษาแผลไฟไหม้ในหนู [62] เมื่อเปรียบเทียบกับกลุ่มควบคุม การตรวจเลือดของหนูที่อดนอนพบว่าจำนวนเม็ดเลือดขาวลดลง 20% ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในระบบภูมิคุ้มกัน [63]

ผลการศึกษาในปี 2014 พบว่าการอดนอนของหนูช่วยเพิ่มการเติบโตของมะเร็ง และลดความสามารถของระบบภูมิคุ้มกันในการควบคุมมะเร็ง นักวิจัยพบว่ามีมาโครฟาจที่เกี่ยวข้องกับเนื้องอก M2 และโมเลกุล TLR4 ในระดับที่สูงขึ้นในหนูที่อดนอนและเสนอว่านี่เป็นกลไกในการเพิ่มความไวของหนูต่อการเติบโตของมะเร็ง เซลล์ M2 ไปกดภูมิคุ้มกันและกระตุ้นการเติบโตของเนื้องอก โมเลกุล TRL4 เป็นสัญญาณของโมเลกุลในการกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกัน [64]

โมโนทรีมแก้ไข

เนื่องจากโมโนทรีม (สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่วางไข่) ถือเป็นกลุ่มสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่เก่าแก่ที่สุดกลุ่มหนึ่งที่มีวิวัฒนาการ พวกมันจึงได้รับความสนใจเป็นพิเศษในการศึกษาการนอนหลับของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เนื่องจากการศึกษาในช่วงแรกๆ ของสัตว์เหล่านี้ไม่พบหลักฐานที่ชัดเจนสำหรับการนอนหลับ REM จึงสันนิษฐานได้ในตอนแรกว่าการนอนหลับดังกล่าวไม่มีอยู่ในโมโนทรีม แต่พัฒนาขึ้นหลังจากโมโนทรีมแตกแขนงออกจากส่วนที่เหลือของสายวิวัฒนาการของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม และกลายเป็นสิ่งที่แยกจากกันชัดเจน กลุ่ม. อย่างไรก็ตาม การบันทึก EEG ของก้านสมองในโมโนทรีมแสดงรูปแบบการยิงที่ค่อนข้างคล้ายกับรูปแบบที่พบในการนอนหลับ REM ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่สูงกว่า [65] [66] ในความเป็นจริง REM sleep จำนวนมากที่สุดที่รู้จักในสัตว์ใด ๆ ที่พบในตุ่นปากเป็ด [67] การกระตุ้นด้วยไฟฟ้า REM ไม่ได้ขยายไปถึงสมองส่วนหน้าในตุ่นปากเป็ด เป็นการบอกว่าพวกมันไม่ได้ฝัน เวลานอนเฉลี่ยของตุ่นปากเป็ดในระยะเวลา 24 ชั่วโมงจะนานถึง 14 ชั่วโมง แม้ว่าอาจเป็นเพราะอาหารที่มีสัตว์จำพวกครัสเตเชียนที่มีแคลอรีสูง [58]

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในน้ำ Edit

ผลที่ตามมาจากการนอนหลับสนิทของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในทะเลอาจทำให้หายใจไม่ออกและจมน้ำ หรือกลายเป็นเหยื่อผู้ล่าได้ง่าย ดังนั้น โลมา วาฬ และแมวน้ำ (แมวน้ำ) นอนหลับแบบครึ่งซีกโลกขณะว่ายน้ำ ซึ่งช่วยให้ซีกสมองซีกหนึ่งทำงานเต็มที่ ในขณะที่อีกซีกหนึ่งหลับไป ซีกโลกที่หลับไหลสลับกันเพื่อให้ทั้งสองซีกโลกได้พักผ่อนอย่างเต็มที่ [55] [68] Just like terrestrial mammals, pinnipeds that sleep on land fall into a deep sleep and both hemispheres of their brain shut down and are in full sleep mode. [69] [70] Aquatic mammal infants do not have REM sleep in infancy [71] REM sleep increases as they age.

Among others, seals and whales belong to the aquatic mammals. Earless seals and eared seals have solved the problem of sleeping in water via two different methods. Eared seals, like whales, show unihemispheric sleep. The sleeping half of the brain does not awaken when they surface to breathe. When one half of a seal's brain shows slow-wave sleep, the flippers and whiskers on its opposite side are immobile. While in the water, these seals have almost no REM sleep and may go a week or two without it. As soon as they move onto land they switch to bilateral REM sleep and NREM sleep comparable to land mammals, surprising researchers with their lack of "recovery sleep" after missing so much REM.

Earless seals sleep bihemispherically like most mammals, under water, hanging at the water surface or on land. They hold their breath while sleeping under water, and wake up regularly to surface and breathe. They can also hang with their nostrils above water and in that position have REM sleep, but they do not have REM sleep underwater.

REM sleep has been observed in the pilot whale, a species of dolphin. [72] Whales do not seem to have REM sleep, nor do they seem to have any problems because of this. One reason REM sleep might be difficult in marine settings is the fact that REM sleep causes muscular atony that is to say, a functional paralysis of skeletal muscles that can be difficult to combine with the need to breathe regularly. [49] [73]

Conscious breathing cetaceans sleep but cannot afford to be unconscious for long, because they may drown. While knowledge of sleep in wild cetaceans is limited, toothed cetaceans in captivity have been recorded to exhibit unihemispheric slow-wave sleep (USWS), which means they sleep with one side of their brain at a time, so that they may swim, breathe consciously and avoid both predators and social contact during their period of rest. [74]

A 2008 study found that sperm whales sleep in vertical postures just under the surface in passive shallow 'drift-dives', generally during the day, during which whales do not respond to passing vessels unless they are in contact, leading to the suggestion that whales possibly sleep during such dives. [75]

Unihemispheric sleep refers to sleeping with only a single cerebral hemisphere. The phenomenon has been observed in birds and aquatic mammals, [76] as well as in several reptilian species (the latter being disputed: many reptiles behave in a way which could be construed as unihemispheric sleeping, but EEG studies have given contradictory results). Reasons for the development of unihemispheric sleep are likely that it enables the sleeping animal to receive stimuli—threats, for instance—from its environment, and that it enables the animal to fly or periodically surface to breathe when immersed in water. Only NREM sleep exists unihemispherically, and there seems to exist a continuum in unihemispheric sleep regarding the differences in the hemispheres: in animals exhibiting unihemispheric sleep, conditions range from one hemisphere being in deep sleep with the other hemisphere being awake to one hemisphere sleeping lightly with the other hemisphere being awake. If one hemisphere is selectively deprived of sleep in an animal exhibiting unihemispheric sleep (one hemisphere is allowed to sleep freely but the other is awoken whenever it falls asleep), the amount of deep sleep will selectively increase in the hemisphere that was deprived of sleep when both hemispheres are allowed to sleep freely.

The neurobiological background for unihemispheric sleep is still unclear. In experiments on cats in which the connection between the left and the right halves of the brain stem has been severed, the brain hemispheres show periods of a desynchronized EEG, during which the two hemispheres can sleep independently of each other. [77] In these cats, the state where one hemisphere slept NREM and the other was awake, as well as one hemisphere sleeping NREM with the other state sleeping REM were observed. The cats were never seen to sleep REM sleep with one hemisphere while the other hemisphere was awake. This is in accordance with the fact that REM sleep, as far as is currently known, does not occur unihemispherically.

The fact that unihemispheric sleep exists has been used as an argument for the necessity of sleep. [78] It appears that no animal has developed an ability to go without sleep altogether.

Animals that hibernate are in a state of torpor, differing from sleep. Hibernation markedly reduces the need for sleep, but does not remove it. Some hibernating animals end their hibernation a couple of times during the winter so that they can sleep. [42] Hibernating animals waking up from hibernation often go into rebound sleep because of lack of sleep during the hibernation period. They are definitely well-rested and are conserving energy during hibernation, but need sleep for something else. [42]


From Water to Land

Now that you know how fish move, we can talk about how land-walking critters may have evolved from fish-like ocean dwellers. You may have heard of evolution, or natural selection. It is the idea that some creatures with traits that help them survive live to pass those traits on to their babies. Over many, many generations, those traits make that type of creature distinct from what it used to be.

One important idea in evolution is that creatures from the oceans slowly evolved to live and walk on land. Fish have different muscles and bone structure than land animals, so the evolution of fish would have required the change of many different kinds of body parts. One way scientists examine these evolutionary changes is by looking at fossils, like the dinosaurs you see in museums. Fossils are an ancient record of creatures that lived on earth hundreds of thousands of years ago. But most fossils are only the hardened skeletons of creatures. Because muscles and other softer parts of animals do not usually become fossils, scientists run into problems when trying to learn about muscle evolution. Instead of looking at fossils, they have to use creative ways to figure out muscle evolution.

These pictures show a cross-section of pectoral muscles in four-legged animals (top), bony fish (middle), and sharks (bottom). Click for more detail.


Why Extraterrestrial Life May Not Seem Entirely Alien

Arik Kershenbaum, a zoologist and animal communications researcher at the University of Cambridge, thinks that the evolutionary forces that shape life on Earth will produce many similar features in extraterrestrial life.

Dan Falk

On the website for the department of zoology of the University of Cambridge, the page for Arik Kershenbaum lists his three main areas of research, one of which stands out from the others. Kershenbaum studies “Wolves & other canids,” “Dolphins & cetaceans” — and “Aliens.” Granted, science hasn’t yet found any aliens to study, but Kershenbaum says that there are certain things we can still say about them with reasonable certainty. Topping the list: They evolved.

“The bottom line — why animals do the things that they do, why they are the things that they are — is because of evolution,” said Kershenbaum, a lecturer and director of studies in the natural sciences at the university’s Girton College. He argues that evolution is a universal law of nature, like gravity — and that studies of plants and animals here can therefore tell us something useful about potential inhabitants of worlds far beyond Earth. He finds evidence for this in the process of evolutionary convergence, in which unrelated lineages of organisms evolve similar features as adaptations to similar environmental challenges. It’s an argument he presents in detail in his new book, The Zoologist’s Guide to the Galaxy: What Animals on Earth Reveal About Aliens — and Ourselves, which draws on comparisons of animals’ physical adaptations as well as his own research (and that of others) into animal communications.

Quanta recently spoke with Kershenbaum at his home in Cambridge via videoconference. The interview has been condensed and edited for clarity.

You’re a zoologist you study life here on our own planet. What made you want to write a book about alien life?

When zoologists study life on Earth, we’re studying mechanisms. We’re studying how life became the way it is. And because evolution is the explanatory mechanism for life everywhere, then the principles that we uncover on Earth should be applicable in the rest of the universe. Thinking about how life on other planets evolves and behaves is just a natural extension of my work with animals on Earth. If we discovered a lost island on this planet, we’d be examining its animals from the perspective of what we know about the evolution of life in general. You can be sure that if we discovered alien life on another planet, we’d be using the same methods to ask why they look and behave the way they do, and how they evolved.

You argue that natural selection — the key mechanism behind evolution — is inevitable, and that it applies universally. What makes you so confident about that?

No planet will have a complex form of life that popped into existence all on its own. Whatever life is like on an alien planet, it must have begun simply. Now, it could be that it remained simple that’s possible. Probable, even, on many planets. But if life is to achieve any kind of complexity, the only way that complexity can accumulate is if favorable changes and innovations are retained and unfavorable ones are lost — and that’s precisely evolution by natural selection.

One of the key ideas in your book is the notion of “convergent evolution.” What is that, and why is it important?

If you observe two animals with similar features — feathers, for instance — you might presume that they inherited them from a common ancestor: the feathered dinosaur that was the ancestor of all modern birds. That’s just regular evolution, where children have similarities because they inherit the characteristics of their parents.

But sometimes you see animals with traits that they couldn’t possibly have inherited from a common ancestor. For instance, the wings of birds work in pretty much the same way as the wings of bats. But the common ancestor of birds and bats was a small lizardlike creature that lived over 300 million years ago, long before even the dinosaurs. It certainly didn’t have wings, and the large majority of its descendants, including elephants and crocodiles, don’t have wings (thankfully). So those wings must have evolved separately in different lines of descendants.

Sometimes this “convergence” of traits is for something obviously useful, like wings. But sometimes convergence produces bizarrely similar creatures that share so many characteristics, it can be hard to believe they’re not closely related. The recently extinct thylacine [a large predatory marsupial native to Tasmania and mainland Australia], for example, could easily be mistaken for a peculiar breed of dog, but it’s much more closely related to a kangaroo! And yet living a life similar to that of modern coyotes or jackals meant that it evolved many similar characteristics convergently.

Share this article

Copied!

Newsletter

Get Quanta Magazine delivered to your inbox

The laws of physics and biomechanics constrain the ways that animals can conceivably evolve mobility on this planet. “And so we can expect these constraints to be operating everywhere in the universe,” Kershenbaum said.

You’re arguing that wherever organisms confront similar environmental challenges, they may come up with similar adaptive solutions. And you expect to see this throughout the universe?

Consider flight, since that’s the most famous example of convergence. If you live on a planet with an atmosphere, or even with an ocean or some other fluid, if you want to get from one place to another through that fluid, there’s only a handful of ways to do it. You can jump. You can float, if you’re lighter than the medium that you’re in. The only other way is aerodynamically, with a wing, to generate lift. Those are the mechanics of moving through a fluid medium.

On Earth, flight evolved four different times in four different groups: in birds and bats and pterosaurs and insects. The fact that they all use wings isn’t because they evolved on Earth it’s because it was advantageous to fly, and wings are just about the only way to fly. And so we can expect these constraints to be operating everywhere in the universe.

How far can that insight take us, though? As you said, organisms anywhere that need to fly are likely to evolve wings. But the wings of bumblebees, bluebirds and bats are very different.

Yes, bat wings and bee wings are different, but only in detail, not in principle. Both consist of a membrane supported by rigid structures. Both generate lift by creating airflow over that membrane. In fact, the main difference between bee wings and bat wings is not in their structure, it’s in the way they use them. The small size of insects means that they cannot simply flap their wings like bats and expect to fly. They need to buzz, generating lift both on the forward stroke of their wings and on the backward stroke — something that neither birds nor bats do.

So rather than the diversity of implementations on our planet confounding our comparisons, we can actually be more confident about our predictions, because we can see how tightly constrained these solutions really are. Yes, birds, bats and bees have different wings, but they’ve all achieved the same end result — an aerodynamic wing — despite the hugely different physical constraints acting on them.

Coincidences of evolutionary (and even cosmic) history will always affect the details of animal shape and appearance. We have four limbs only because it was a four-finned fish that crawled out of the sea almost 400 million years ago. We could easily have had six limbs, or even eight, if evolutionary history had played out differently. So there will never really be close similarity between us and our equivalent species on an alien planet. But some things are just so tightly constrained that there aren’t really many alternative ways to do things.

Stephen Jay Gould, the noted paleontologist and evolutionary theorist, famously wrote about the idea of “replaying the tape of life” and letting life evolve over again. Gould imagined that the outcomes would be different we would be unlikely to end up with Homo sapiens, for example. But it sounds like you’re arguing that, while any one specific outcome is unlikely, the same kinds of innovations would crop up again and again?

That’s absolutely right. There’s this big argument between Stephen Jay Gould and Simon Conway Morris [of Cambridge]: Is it going to be different every time you replay the tape? Is it going to be the same every time? But obviously, the correct answer is: It will be different, but many things will be the same. And the things that will be the same are those things that are constrained either by the laws of physics or by the laws of evolution.

There are mathematical rules that govern the way evolution works. One of the things I talk about [in the book] is sociality. Sociality evolves because of the particular characteristics of evolution, not because of physics. Those sorts of things are constraints too. They will continue to be constraints no matter how often you replay the tape of life.


Constant birth rate & variable mortality rates

In the case where birth rate and activity are constant but mortality is variable such that γ(ρ) = Γ(1 + cos ρ), again from (13), we find that (19)

Sleep in a vulnerable environment

We now consider the case where NS(NS) = max NSNS, is a decreasing function of NS. This way, if an organism is sleeping (low NS) it increases its mortality rate. This we take to model the situation of an organism sleeping in an open environment or non-socially so that the vulnerability associated with sleep increases predation. So in the case of our simple sleep function we have NS(NS) = 1 − cos ρ. We continue to assume that birth rates are unaffected by sleep. In this instance, we denote the associated fitness by NS2วี which, by (13), takes the value (20)

Sleep in a safe environment

In a safe environment whereby sleeping would be expected to decrease predation, we take NS(NS) = NS. This may occur primarily for two reasons. First, it may be that an organism does not sleep openly but burrows or climbs away from predation. Second, an organism may sleep socially gaining the benefit of being alerted to predators by conspecifics. In this case, we choose the sleep function such that NS(ρ) = 1 − cos ρ. We let the fitness under these conditions be given by NS2NS, which is found to be (21) Clearly, for almost all NS we then have the following inequalities: (22) (23) In other words, when birth rates are constant but mortality rates oscillate there exists a sleep function in both safe and vulnerable environments such that an organism that sleeps enjoys a higher fitness than one that does not (again see Fig 3 for a typical example). Intuitively, in the vulnerable case it is best to stay most active during periods with the highest mortality. Whereas in the safe environment it is more beneficial to shift activity such that the peaks occur when mortality is lowest.


The sinister reason why people fall in love

Your heart beats a little faster, glands open to secret tiny dribbles of sweat, and your body starts producing hormones, which make you feel a bit giddy and warm inside.

These are some of the biological processes that occur as you are thrust into the early throes of love &ndash or infatuation, it can be hard to tell which it is.

Love is such a pervasive part of our humanity that art and culture is filled with references to love won and love lost. Libraries have shelves of books filled with romantic prose. "Love is not time's fool," wrote Shakespeare in sonnet 116: "Love alters not with his brief hours and weeks / But bears it out even to the edge of doom."

It seems Shakespeare was more correct than he could have known. Peer into the evolution of love in the animal kingdom and it becomes apparent that love had its beginnings long before the advent of humanity. What's more, it could have been born out of something quite sinister.

The journey to love as we know it today began with sex, which was one of the first things life on Earth figured out how to do. Sex began as a way to pass on an organism's genes to the next generation.

To love, life first needed a brain that could deal with emotions. It was not until a few billion years after life began that the brain began its journey to existence. At first it was only a small clump of cells.

Love alters not with his brief hours and weeks

Fast forward to around 60 million years ago, when the first members of our family, the primates, appeared. Over millions more years of evolution, some primates would evolve ever bigger brains, eventually producing modern humans.

But there was a problem. As our brains grew, our babies had to be born earlier in development. Otherwise their heads would be too big to pass through the birth canal.

As a result, baby gorillas, chimps and humans are almost entirely helpless. Their parents therefore had to spend ever more time caring for them.

This prolonged childhood created a new risk.

In many primates today, a mother with a dependent infant is unavailable to mate until her infant is weaned. To get access to her, a male would first have to kill her child. This sort of targeted infanticide goes on in many species, including gorillas, monkeys and dolphins.

This led Kit Opie of University College London in the UK and his colleagues, to propose a startling idea. Almost a third of primates form monogamous male-female relationships, and in 2013 Opie suggested that this behaviour had evolved to prevent infanticide.

Infanticide has been the driving force for monogamy for 20 million years

His team peered back into the family tree of primates to reconstruct how behaviours like mating and parenting changed over the course of evolution. Their analysis suggested that infanticide has been the driving force for monogamy for 20 million years, because it consistently preceded monogamy in evolution.

Other species found different solutions, which is why not all primates are monogamous. For instance, chimps and bonobos minimise the risk of infanticide by being highly promiscuous. The males do not kill babies because they do not know which are theirs.

But in those species where males and females started bonding strongly, their offspring's chances of survival improved because the males could help out with parenting. As a result, monogamy was favoured by evolution, says Opie.

Love depends on regions of the brain that only appeared quite recently in our evolutionary history

This process may have been a one-way street, says Robin Dunbar of the University of Oxford in the UK. It could have resulted in major changes in the brain, "to keep the pair-bond together for life". This includes a preference for your partner and antagonism towards potential rivals.

This in turn could have been the "kick" that changed human evolution, says Opie. Extra male care helped early human societies grow and thrive, which in turn "allowed our brains to grow larger than our closest relatives".

There is evidence to back this up. As brain size started to expand, so did cooperation and group size. We can see a trend towards larger groups and more cooperation in the early-human species โฮโม อีเร็กตัส, which lived almost two million years ago.

What's more, it seems that aspects of love depend on regions of the brain that only appeared quite recently in our evolutionary history.

Stephanie Cacioppo of the University of Chicago in Illinois, US, scoured the scientific literature to find fMRI brain imaging studies that examined the parts of the brain involved in love. She found that the most intense and "abstract" states of love rely on a part of the brain called the angular gyrus.

We do not know what chimpanzees feel about their mates

This is known to be important for certain aspects of language, like metaphors. This makes some sense, as without complex language we cannot express the more refined and intense aspects of our emotions. Conceivably, Shakespeare's angular gyrus was active when he penned his love sonnets.

The angular gyrus is only found in great apes and humans.

We do not actually know what role it plays in apes' emotions, says Cacioppo, because "complementary fMRI experiments have not been performed on apes". So we do not know what chimpanzees feel about their mates. Obviously they do not write sonnets, but neither do most humans.

Still, Cacioppo's findings offer some support to the idea that our growing brains helped love to flourish.

However, Opie's idea that infanticide kick-started this process is controversial. Not everyone agrees it played any role in the development of monogamy.

Female competition could have encouraged pair bonds

Anthropologist Robert Sussman of Washington University in St Louis in Missouri, US is one of the sceptics. He says that both monogamy and infanticide are such unusual behaviours that they are unlikely to be linked.

There are alternatives. A 2014 study suggested monogamy evolved as an outgrowth of a "mate guarding strategy": that is, males staying with a female to ensure that no one else mates with her.

One year later, another study reconstructed the evolution of another group of primates called lemurs. It found that female competition could have encouraged pair bonds.

Opie disagrees. He says the methods in these studies "cannot be used to determine the switch to monogamy".

What is certainly true is that many primates get by just fine without pair-bonded parents, and presumably without anything akin to romantic love. But there is one thing all primates do have in common: a strong mother-child bond.

This is true, "even in the nocturnal primates that live solitarily," says Sussman. He suggests that the brain processes underlying the mother-child bond were "hijacked" to create romantic love.

There is evidence from neuroscience to suggest he is right.

Love is hard to define, but neuroscientists agree that there are several overlapping stages.

The first stage is sexual desire: we feel attracted to another person. Touching them releases feel-good chemicals and we experience an intense longing to be with them.

Intense pleasure from the sexual desire stage can lead directly to love

Parts of our limbic system, one of the more ancient bits of the human brain, are active during this stage. This includes the insula, an area known to be involved in intense emotional experiences. The ventral striatum is also in overdrive. It is the hub of the brain's reward system, and when we see an attractive face it lights up: we are rewarded simply by looking at the person we desire.

As desire moves onto the next stage &ndash romantic love &ndash the limbic system again plays a key role. It pumps out the feel-good chemical dopamine and the hormone oxytocin, which binds people together.

This progression implies that intense pleasure from the sexual desire stage can lead directly to love, says Cacioppo. "Love tends to grow out of desire. You cannot passionately love someone you never desire."

At the same time, other more advanced areas of the brain are suppressed. For instance, research has shown that parts of the prefrontal cortex are deactivated. This is an area involved in rational decisions.

Evolution wants two individuals to spend a lot of time together to get a pregnancy going

In this stage, we are literally "crazy in love". People in love do not process the world around them, says Thomas Lewis, a neuroscientist at the University of California, San Francisco in the US. "They're not evaluating the person critically or in a highly cognitive way."

Serotonin, which usually helps us feel calm, is also suppressed. This makes some sense when you consider how obsessed we can become when in love. Serotonin levels are also low in the brains of individuals with psychological disorders like obsessive compulsive disorder.

"What evolution wants from the falling in love state is for the two individuals to spend a lot of time together&hellip in order to get a pregnancy going," says Lewis.

But once the deed is done, couples do not stay bound together in such an intense, obsessive state for long. After several more months, sometimes after an intermediate "honeymoon period", the companionship stage begins.

Now the serotonin and dopamine levels normalise. But there is still a feeling of closeness, helped along by more oxytocin. If you suppress oxytocin in a monogamous species, such as a prairie vole, the animals stop being monogamous.

"The bonds that hold people together are not dopamine-driven or by intense delirious excitement," says Lewis. "There is reward there but it's more sedate."

This brings us back to Sussman's suggestion that romantic love evolved out of mother-child bonding. The bonds of long-term couples are similar to those between mother and child, and rely on similar hormonal processes.

In both animals and humans, research has shown that separation from a "loved one" creates similar feelings of emotional pain. It makes sense that we want to avoid the pain of separation by staying together.

These feelings seem to have deep roots in evolutionary history.

The limbic system plays a key role in all the known stages of love. Many other mammals, and even reptiles, have some form of limbic system. This area of the brain was around long before the first primates.

Animals' brains have been primed for at least some forms of love for hundreds of millions of years

"The oldest parts of the brain are involved in attachment, in pair-bonding, and these areas are activated in many species," says Cacioppo.

In other words, animals' brains have been primed for at least some forms of love for hundreds of millions of years. Along the way, other factors pushed our ancestors to evolve ever bigger brains, allowing romantic love to get its claws into us.

Whether it was infanticide or a mother's attachment to her infant that pushed us to get close, we can be thankful that something did. We owe much of our success as a species to that crazy little thing called love.


สถาบันวิจัยการสร้างสรรค์

National Geographic has a Little Kids First Big Book of&hellip series on different topics. In its Little Kids First Big Book of Animals, pictures show giraffes, camels, bears, and whales. 1 Young readers can see they all look different. Animals that live on land, like bears, have legs. But no one has seen a whale with legs. However, upon closer look, bears and whales do have some of the same traits. They both give birth to live young and nurse their offspring. Some whales also have hair in particular places on their body. These similar traits mean that both bears and whales are mammals. Some land mammals swim in the water a lot. What would happen if one type started to live more in the water than on land? Would its front legs slowly change to flippers like a whale has? Would its back legs gradually disappear? Is it possible that over a long time one kind of land animal could even become a whale?

The Evolutionary Origin of Whales

Some evolutionists used to imagine that whales could evolve from an animal like a bear. Charles Darwin considered how black bears can swim for a long time. Once he wrote about such bears

&hellipswimming for hours with widely open mouth, thus catching, like a whale, insects in the water. Even in so extreme a case as this, if the supply of insects were constant, and if better adapted competitors did not already exist in the country, I can see no difficulty in a race of bears being rendered, by natural selection, more and more aquatic in their structure and habits, with larger and larger mouths, till a creature was produced as monstrous as a whale. 2

This scenario flows from a very fertile imagination. But, as documented in an earlier article, imaginary extrapolation is a key element of evolutionary theory. 3

Darwin&rsquos thought about a bear-like animal evolving into whales is now seen more as an illustration than a reality. For many years, evolutionists held that whales evolved from an extinct carnivorous mammal group called mesonychids. Their interpretation of fossils supported their conclusion. Ernst Mayr said in 2001, &ldquoA beautiful series of intermediate stages also exists between the mesonychid ungulates and their descendants, the whales.&rdquo 4

But now most evolutionists reject the mesonychids as ancestors for whales. Instead, important new fossils discovered in Pakistan are interpreted as filling that role. DNA sequences have also been compared between whales and living animals that have features similar to those of the new fossils. Evolutionists now have &ldquoa firm understanding&rdquo that whales evolved from an animal more related to giraffes and camels. 5 Unfortunately, &ldquosubstantial discrepancies remain&rdquo between interpretations of fossil data and results from DNA studies, according to Johns Hopkins University professor Kenneth Rose. 6 Rose and others explain that similarities between whales and mesonychids happened independently in both groups due to &ldquoconvergent evolution.&rdquo Convergence is not an observation flowing from objectively discernable causes. It is actually a declaration based on mental pictures of diverse organisms evolving similar traits as they are shaped over time by similar environmental pressures&mdashwhich themselves are not real, quantifiable pressures but exist only as figures of speech.

There are still substantial discrepancies between DNA and fossil evidence for whale evolution. But evolutionists remain convinced &ldquothe transition from a primitively quadrupedal terrestrial ancestor to a convergently &lsquofish-like&rsquo modern mammal species&rdquo actually happened in a process that &ldquoinvolved changes in numerous character systems.&rdquo Definitely not understating the point, they add that &ldquoalmost all anatomical systems of living cetaceans are highly modified for an aquatic lifestyle, with dramatic changes seen in&helliplimbs.&rdquo 7

Whale Hip Bones as Evidence for Whale Evolution

Speaking of limbs, evolutionists believe they see greatly reduced pelvis or hip bones in some whales. They teach this observation as hard evidence for whale evolution. Just like the human appendix, 8 these &ldquohip&rdquo bones are interpreted as a vestigial structure. Jerry Coyne from the University of Chicago sums up the evolutionary position nicely:

Whales are treasure troves of vestigial organs. Many living species have a vestigial pelvis and leg bones, testifying&hellipto their descent from four-legged ancestors. If you look at a complete whale skeleton in a museum, you&rsquoll often see the tiny hindlimb and pelvic bones hanging from the rest of the skeleton, suspended by wires. That&rsquos because in living whales they&rsquore not connected to the rest of the bones, but are simply imbedded in tissue. They once were part of the skeleton, but became disconnected and tiny when they were no longer needed. 9

For decades, evolutionists did not search for any other uses for these bones. ทำไม? Because a vestigial pelvis was what they expected to find.

Declarations About Whale Hip Bones Were Wrong

Fortunately, two researchers were not fully content with the customary explanation. In light of their research, the standard evolutionary story about whale hip bones, as relayed by Coyne, appears to be another major evolutionary blunder.

Matthew Dean of the University of Southern California and Jim Dines of the Natural History Museum of Los Angeles County examined &ldquohip&rdquo bones in whale and dolphin skeletons. Their painstaking research of more than 10,000 unsorted bones turned &ldquoa long-accepted evolutionary assumption on its head.&rdquo According to the report, &ldquocommon wisdom has long held that those bones are simply vestigial, slowly withering away like tailbones on humans.&rdquo But their results &ldquo[fly] directly in the face of that assumption, finding that not only do those pelvic bones serve a purpose&mdashbut their size and possibly shape are influenced by the forces of sexual selection.&rdquo 10 This new analysis of whale hips was published in the scientific journal วิวัฒนาการ. 11

Dines and Dean are evolutionists. They still believe that whales evolved from a four-legged land mammal. Thus, they believe that they really are studying vestigial hip bones. But, as reported, &ldquo&lsquoeveryone&rsquos always assumed that if you gave whales and dolphins a few more million years of evolution, the pelvic bones would disappear. But it appears that&rsquos not the case,&rsquo said Matthew Dean.&rdquo 10

These bones serve an important purpose. In fact, &ldquothe muscles that control a cetacean&rsquos penis&mdashwhich has a high degree of mobility&mdashattach directly to its pelvic bones. As such, it made sense to Dean and Dines that the pelvic bones could affect the level of control over the penis that an individual cetacean has, perhaps offering an evolutionary advantage.&rdquo 10

Dean and Dines are not likely to say that their research highlighted another evolutionary blunder over beliefs about vestigial organs. But Dean did admit that &ldquoour research really changes the way we think about the evolution of whale pelvic bones in particular, but more generally about structures we call &lsquovestigial.&rsquo As a parallel, we are now learning that our appendix is actually quite important in several immune processes, not a functionally useless structure.&rdquo 10

Salvaging the Darwinian Whale Hip Story

Scientists may struggle to admit a blunder. They seem prone to try to save it. These &ldquohip&rdquo bones are not attached to the backbone of living whales, dolphins, or any of the fossils. Claims beyond the realm of human detection are mystical. The assertion that these bones are hip bones or a pelvis is a mystical claim. Thus, Coyne&rsquos defense that whale &ldquohip&rdquo bones are truly vestigial remnants invokes mysticism.

Salvage efforts may force even more mystical appeals. Coyne acknowledges that whales use the bones during reproduction. But as to the conclusion that the bones are not vestigial, he adds, &ldquoThis argument is wrong: no evolutionist denies that the remnants of ancestral traits can retain some functionality or be co-opted for other uses.&rdquo 12 For evolutionists, reproductive functions are simply &ldquoco-opted&rdquo from a locomotive function. Co-option is not an observation, it is a declaration. When does a researcher observe co-option happening? If one takes a moment to think about it, what part on a human doesn&rsquot have more than one function? Co-option is summoned to fit ill-fitting findings into evolutionary theory.

Evolutionists also try to work some fossil evidence into their land mammal-to-water mammal evolutionary scenario. Included are fossils discovered in Southwest Asia of four-legged creatures with a true pelvis. They have essentially no resemblance to whales. However, the evolutionary community embraced research that asserted they were a primitive type of whale. Whales and dolphins are categorized as cetaceans. These fossil creatures were given names like Ambulocetus และ Pakicetus, which place them in the same category. But how does one know that these are truly fossils of the evolutionary ancestor of whales? Obtaining convincing proof of that is difficult. Changing the definition of what constitutes a whale is easier.

An article titled &ldquoWhat Is a Whale?&rdquo in ศาสตร์ dealt with the issue of deciding whether Ambulocetus was in the whale&rsquos lineage. It reasonably noted, &ldquoAnother problem arises considering that discoveries of ostensible whales occur fairly regularly&hellipwith new combinations of characters making it difficult to decide whether they are whales following a strictly character-based definition.&rdquo In other words, shouldn&rsquot a creature have most of the distinctive characteristics of whales in order to be called a whale? The problem facing evolutionists was how to include Ambulocetus into the whale category in spite of its clear lack of whale-like features. Thus, they determined that &ldquoa more reasonable solution is to use a phylogenetic definition [for whales], that is, one based on common ancestry.&hellipAmbulocetus is a whale by virtue of its inclusion in that lineage.&rdquo 13

But the point of the research was to see if Ambulocetus was enough like whales to rationally be included in whales&rsquo lineage. Changing to a new &ldquophylogenetic&rdquo definition is shrewd. It enables evolutionists to simply declare Ambulocetus to be a whale by virtue of their prior declaration that it is an ancestor to whales.

Abdominal Bones Well-Designed for a Key Function

ICR&rsquos Brian Thomas provided an excellent synopsis on the whale bone research. 14 He described the problems with seeing these bones as evolutionary adaptations. He offered a better explanation of bones designed for a specific purpose. The bones in the lower abdomen in some whales do not connect to other bones but are embedded in several muscles. Bone provides a firm anchor for other structures that are manipulated by these muscles. It seems that these bones may be vital for extraordinarily large bodies to mate in a fluid environment. Similarly, many animals and also humans have a bone called the hyoid in their neck region. It also is affixed only by muscles above and below it. The hyoid provides a firm anchor for these muscles to help manipulate the tongue, larynx, and pharynx. Both the hyoid and whale abdominal bones are a good design solution for the movement of accessory structures.

In light of recent research, why shouldn&rsquot these bones be renamed in the scientific literature? Could simply using the given names &ldquowhale hip bones&rdquo or &ldquowhale pelvis&rdquo mislead people? Evolutionary literature makes subtle changes to the normal usage of words like whale, gene, selection, and evolution. Readers should be alert for this ploy. In this case, changing the definition of a whale allowed fossils with a true pelvis to fit into evolutionists&rsquo story of whale evolution. There are other consequences. National Geographic may need to change animal names in their Little Kids First Big Book of Animals. With continual word manipulation by evolutionists, little kids themselves may soon struggle to do something they normally excel at&mdashidentifying giraffes, camels, bears, and whales.


Unique Characteristics

The most striking feature of this "living fossil" is its paired lobe fins that extend away from its body like legs and move in an alternating pattern, like a trotting horse. Other unique characteristics include a hinged joint in the skull which allows the fish to widen its mouth for large prey an oil-filled tube, called a notochord, which serves as a backbone thick scales common only to extinct fish and an electrosensory rostral organ in its snout likely used to detect prey.


Evolution of the Dog

Recent molecular evidence shows that dogs are descended from the gray wolf, domesticated about 130,000 years ago. But if they all share a common ancestor, why do toy poodles and Great Danes seem to have little in common? Years of selective breeding by humans has resulted in the artificial "evolution" of dogs into many different types.

Credits: Dog illustrations by Chet Jezierski, American Kennel Club (www.akc.org)

Topics Covered:
Adaptation and Natural Selection

From Pekingese to St. Bernard and greyhound, dogs come in such startling variety it's easy to forget they belong to the same species. The profusion of breeds today -- at least 150 -- reflects intense, purposeful interbreeding of dogs in the past 150 years.

One consequence of interbreeding to create purebreds with sharply individual traits is that many disease-causing genes have become concentrated in these breeds. Because of the growing concern about health problems and the availability of powerful methods to hunt genes, scientists are hard at work on the "dog genome project." As with the Human Genome Project, the goal is to locate and map canine genes, particularly those that play a role in disease. Genes that influence behavior are also of great interest.

At the same time, the entire history of dogs and their relationship with humans has undergone some rethinking recently, thanks in large part to high-tech molecular dating methods that can determine evolutionary relationships and chronologies.

The dog, Canis familiaris, is a direct descendent of the gray wolf, Canis lupus: In other words, dogs as we know them are domesticated wolves. Not only their behavior changed domestic dogs are different in form from wolves, mainly smaller and with shorter muzzles and smaller teeth.

Darwin was wrong about dogs. He thought their remarkable diversity must reflect interbreeding with several types of wild dogs. But the DNA findings say differently. All modern dogs are descendants of wolves, though this domestication may have happened twice, producing groups of dogs descended from two unique common ancestors.

How and when this domestication happened has been a matter of speculation. It was thought until very recently that dogs were wild until about 12,000 years ago. But DNA analysis published in 1997 suggests a date of about 130,000 years ago for the transformation of wolves to dogs. This means that wolves began to adapt to human society long before humans settled down and began practicing agriculture.

This earlier timing casts doubt on the long-held myth that humans domesticated dogs to serve as guards or companions to assist them. ในทางกลับกัน ผู้เชี่ยวชาญบางคนกล่าวว่า สุนัขอาจใช้ประโยชน์จากช่องที่พวกเขาค้นพบในสังคมมนุษย์ยุคแรกๆ และให้มนุษย์พาพวกเขาออกจากความหนาวเย็น


ดูวิดีโอ: DNA-molekylens struktur och funktion gammal (สิงหาคม 2022).