Một số đề xuất và quan điểm đã cùng nổi lên và tụ họp lại để vẽ nên một bức tranh đầy thuyết phục, giải thích tại sao giấc ngủ lại tiến hóa và tại sao nó lại cần thiết ở thời điểm hiện tại.
Tại sao giấc ngủ lại tiến hóa
- Chắc hẳn sự khác biệt về nhiệt độ và ánh sáng (cung cấp tầm nhìn) đã thúc đẩy sự khác biệt trong hoạt động ngày và đêm từ thời kỳ đầu rất sớm ở động vật. Ngày và đêm càng phân hóa rõ rệt hơn bởi sự hợp nhất “hành vi” của hệ sinh thái (các động vật khác nhau có chu kỳ ngày/đêm khác nhau). Do đó, các chiến lược sinh tồn nhằm tối ưu hóa ngày và đêm đều khác nhau, và động vật sẽ thích nghi để đồng bộ hóa chiến lược sinh tồn của chúng với chu kỳ 24 giờ.
- Ngày càng có nhiều bằng chứng cho rằng các hệ thống thần kinh phức tạp, đặc biệt là não, thực thi và hưởng lợi từ các hoạt động bảo trì nội bộ. Một vài trong số các hoạt động bảo trì này, chẳng hạn như “gia cố mạng synap”, xảy ra ở cấp độ tế bào. Một số khác, chẳng hạn như hợp nhất trí nhớ hoặc chuyển giao bộ nhớ tạm giữa các vùng não, xảy ra ở cấp độ toàn bộ não.
- Hoạt động bảo trì nội bộ của não phá vỡ việc tối ưu hóa phản ứng hành vi. Một con vật không thể cảnh giác hoàn toàn đối với động vật ăn thịt khi não của nó đang thực thi việc dọn rác nội bộ. Ví dụ, hợp nhất bộ nhớ đòi hỏi những thông tin không liên quan đến thời điểm hiện tại phải được di dời xung quanh não một cách chính xác dưới sự quản lý của các quy trình có tổ chức. Trạng thái lảo đảo khi thức dậy chắc chắn không hề tối ưu để chống lại kẻ thù. Vì lý do này, tiến hóa tạo ra áp lực để động vật trì hoãn các hoạt động bảo trì nội bộ khi đang tiến hành các hoạt động ở môi trường bên ngoài (tìm thức ăn, bạn tình, v.v.) để giảm nguy cơ gây hại cho chúng.
- Việc trì hoãn các hoạt động bảo trì này không thể kéo dài mãi được, nó phải xảy ra vào một lúc nào đó. Để tối ưu hóa sự sinh tồn, sinh vật sắp xếp thời gian, tìm thời điểm an toàn nhất cho chúng, bao gồm luôn việc tìm một nơi có sự bảo vệ, và bắt đầu tất cả thực thi các hoạt động bảo trì song song để giải tỏa áp lực khỏi chúng. Điều này dẫn đến sự đồng bộ hóa tạm thời của tất cả các hoạt động bảo trì bị hoãn.
Tóm lại, bốn áp lực môi trường và sinh học này dẫn đến sự phân đôi giữa hành vi tương tác bên ngoài và hoạt động bảo trì nội bộ, thứ được đồng bộ hóa với chu kỳ ngày/đêm trong khung 24 giờ. Chúng cũng khuyến khích tất cả các hoạt động bảo trì nội bộ bị trì hoãn được đồng bộ hóa và thực hiện song song, hay nói cách khác là đi ngủ.
Với các hệ sinh thái ngày và đêm khác nhau, theo lẽ tự nhiên các động vật nào dùng pha này trong chu kỳ 24 giờ cho các hoạt động sinh tồn sẽ sử dụng pha còn lại cho hoạt động ngủ. Động vật “ban ngày” (diurnal) là những chuyên gia trong các hoạt động trong môi trường vào ban ngày, trong khi động vật “về đêm” (nocturnal) (mèo, kanguru, cú) lại chuyên hoạt động về đêm và ngủ vào ban ngày. Tuy nhiên, cũng có những kiểu hình khác, chẳng hạn như động vật “chạng vạng” (crepuscular) chuyên hoạt động ở ranh giới ngày/đêm (bình minh, hoàng hôn).
Tại sao hoạt động ngủ lại cần thiết ở thời điểm hiện tại
Giả sử chúng ta đã hình thành nên một chu kỳ ngủ đều đặn trong một khung thời gian nhất định, câu hỏi đặt ra là: Những sự kiện quan trọng nào diễn ra khi đang ngủ?
Dường như không có duy nhất một hoạt động nào của giấc ngủ có thể đứng ra làm đại diện cho giấc ngủ. Bởi vì sự phân chia ngủ/thức trong chu kỳ hoạt động 24 giờ đã xuất hiện ở động vật trong một thời gian dài – tất cả các động vật biết đến đều có chu kỳ ngủ nghỉ – chu kỳ ngủ chính vì thế cũng đã có hàng trăm triệu năm để đạt được nhiều mục đích khác nhau.
Ở cấp độ tế bào, đó là loại bỏ các gốc tự do độc hại và củng cố hoặc, như đã được đề xuất, xây dựng lại các mô.
Ở cấp độ não, một số mục đích của giấc ngủ cũng đã được xác định hoặc đề xuất, bao gồm:
- Phục hồi tế bào thần kinh sinh hóa.
- Tinh chỉnh sức bền trong kết nối của các synap trong mạng lưới thần kinh trong não để tạo điều kiện học tập dễ dàng hơn vào ngày hôm sau. Điều này có thể bao gồm hoạt động tua lại (tăng trưởng synap).
- Hợp nhất (sắp xếp và tái cấu trúc lại) bộ nhớ.
- Chuyển giao bộ nhớ từ vùng não ghi nhớ nhanh chuyên biệt (hồi hải mã) sang vùng có dung lượng cao hơn, nhận thức mạnh mẽ hơn (vỏ não).
“Ở cấp độ hành vi toàn cục của động vật, các chức năng giấc ngủ dường như rõ ràng hơn: năng lượng được tiết kiệm, hiệu suất được phục hồi và tác động (ở người) trở nên tích cực hơn. Những phát hiện như vậy đã dẫn đến sự thừa nhận phổ quát rằng giấc ngủ giúp phục hồi chức năng não.”
Ngủ như một hiện tượng đa dạng và phi tập trung
Một loạt các kiểu hình giấc ngủ khác nhau có thể được tìm thấy qua các loài động vật. Một số động vật (côn trùng, cá) rơi vào trạng thái ngưng hoạt động chứ không hoàn toàn đi vào “giấc ngủ”. Ở động vật biển có vú (cá voi và cá heo), một nửa não bộ lần lượt đi vào giấc ngủ trong 1-2 giờ theo một lịch trình bất thường trong suốt cả ngày và đêm. Gấu, dơi và một số loài gặm nhấm ngủ đông, có chu kỳ ngưng hoạt động đi vào giấc ngủ kéo dài hàng tuần hoặc hàng tháng trong mùa đông.
Krueger et al (2008) đã xem xét các chức năng và cơ chế của giấc ngủ trong não và cho rằng giấc ngủ không phải là một quá trình tập trung hóa của não, như chúng ta hay nghĩ, mà thay vào đó là một quá trình nội tại phi tập trung của mô thần kinh. Họ đề xuất rằng mô thần kinh bắt đầu khởi phát giấc ngủ theo kiểu phi tập trung lan truyền cho đến khi nó chiếm toàn bộ não, kiểu kiểu giống như một phong trào quần chúng xã hội. Áp lực tiến hóa để phân chia hoạt động thành ra từng cụm riêng biệt ngày/đêm cũng được mang ra thảo luận.
Biểu đồ bên dưới [comment] cho thấy sự tiến hóa của giấc ngủ liên quan đến môi trường, sự trao đổi chất và sự phát triển của các hệ thống thần kinh phức tạp. “Chu kỳ R-A” = Chu kỳ Hoạt động-Nghỉ ngơi (Rest-Activity). Giấc ngủ xuất hiện ở hai khung cuối cùng.
