睡眠は脳よりも先に進化した。ヒドラがその生きた証拠

ヒドラは単純な生物だ。体長は1.5センチにも満たない管状の体で、片方の端に足、もう片方の端に口がある。足は水中の植物や岩などに張り付き、触手で囲まれた口で通りすがりのミジンコを捕らえる。脳はおろか、神経系もほとんどない。

しかし、新たな研究によると、ヒドラは眠るらしい。韓国と日本の研究チームによる研究では、ヒドラが定期的に睡眠の必須条件を満たす休息状態に入ることが示された。

一見すると、それはあり得ないことのように思えるかもしれません。1世紀以上にわたり、睡眠を研究する研究者たちは、脳における睡眠の目的と構造を探ってきました。睡眠と記憶や学習とのつながりを探求し、私たちを無意識の眠りへと誘い込み、またそこから引き戻す神経回路に番号を付けました。睡眠の様々な段階を経る際に現れる脳波の顕著な変化を記録し、その原因を解明しようと試みてきました。膨大な研究と人々の日々の経験が、人間の睡眠と脳のつながりを証明しています。

しかし、睡眠を脳中心とするこの考え方に反論する意見が浮上した。研究者たちは、筋肉や神経系以外の組織で生成される分子が睡眠を調節できることに気づいた。睡眠は体内の代謝に広く影響を及ぼすため、その影響は神経系だけに限らないことが示唆されている。また、数十年にわたり静かに、しかし着実に蓄積されてきた研究成果は、脳の機能がますます低下している単純な生物が、睡眠によく似た行動にかなりの時間を費やしていることを示すものだ。こうした生物の行動は、時に「睡眠に似た」行動として分類されることもあったが、詳細が明らかになるにつれて、なぜその区別が必要なのかがますます不明確になってきている。

単純な生物、特に脳を持たないヒドラでさえ、眠ることができるようだ。この発見が示唆する興味深い点は、生命の歴史の何十億年も前に埋もれていた睡眠の本来の役割が、人間の標準的な概念とは大きく異なっていた可能性があるということだ。もし睡眠に脳が必要ないのであれば、睡眠は私たちが考えていたよりもはるかに広範な現象なのかもしれない。

睡眠を認識する

フランスの睡眠科学者アンリ・ピエロンは1913年、「睡眠は冬眠、昏睡、酩酊状態、あるいはその他の静止状態とは異なる」と記した。表面上はどれも似たような動きの不在を伴うものの、それぞれに独特の性質があり、日々の意識体験の中断は特に不可解だった。睡眠がないと、頭がぼんやりし、混乱し、明確な思考ができなくなる。睡眠についてより深く知りたい研究者にとって、睡眠が脳にどのような影響を与えるのかを理解することは不可欠だと思われた。

こうして20世紀半ば、睡眠を研究したい人は脳波（EEG）の専門的な読影者になりました。人間、猫、ネズミに電極を装着することで、研究者は被験者が眠っているかどうか、そしてどの睡眠段階にあるかを、ほぼ正確に判断できるようになりました。このアプローチは多くの洞察をもたらしましたが、科学に偏りを残しました。睡眠に関するほぼすべての知見は、電極を装着できる動物から得られたものであり、睡眠の特徴は、電極に関連する脳活動によってますます定義されるようになりました。

1970年代後半、チューリッヒ大学で睡眠生理学者として働いていたイレーネ・トブラーは、このことに苛立ちを覚えました。彼女は昆虫のような無脊椎動物も哺乳類と同じように眠るのだろうかと興味を持ち、ゴキブリの行動を研究し始めたのです。ピエロンらの研究を読んだトブラーは、睡眠は行動学的にも定義できると知っていました。

彼女は脳波を使わずに睡眠を識別するための行動基準を導き出した。眠っている動物は動き回らない。ただ休んでいるだけの動物よりも起こすのが難しい。起きている時とは違う姿勢をとったり、特定の場所を探して眠ったりすることもある。目覚めた後は、のろのろと動き回ることなく、通常の行動に戻る。さらにトブラーは、ラットを使った研究から得た独自の基準も加えた。眠っている動物は、邪魔されると、その後、通常よりも長く、あるいは深く眠るようになる。これは睡眠恒常性と呼ばれる現象である。

トブラーはすぐに、ゴキブリは眠っているか、それによく似た行動をしているかのどちらかだという主張を展開した。高等哺乳類を研究する同僚たちの反応は即座に返ってきた。「そんなことを考えること自体が異端だった」とトブラーは言う。「若い頃は、本当にバカにされた。あまり愉快な経験ではなかった。でも、時間が経てば分かるだろうと思っていた」。彼女はサソリ、キリン、ハムスター、ネコなど、全部で22種の動物を研究した。睡眠は広く行われていることが科学によって最終的に証明されると確信していた彼女は、その後の睡眠研究において、彼女の行動基準が決定的な役割を果たすことになる。

これらの基準は、1990年代後半、ペンシルベニア大学医学部のアミタ・セーガル、ポール・ショー（現在はセントルイスのワシントン大学医学部に所属）とその同僚たちの頭の中にあった。彼らは、ショウジョウバエの静止状態を詳しく調べ始めた2つの独立したグループに属していた。セーガルによると、睡眠は依然として遺伝学や細胞生物学を研究する科学者ではなく、主に心理学者の領域だったという。メカニズムに関して言えば、分子生物学者の視点から見ると、「睡眠の分野は眠っていた」と彼女は述べた。

しかし、体内時計を制御する遺伝子の発見を受けて、隣接する概日時計生物学の分野は爆発的な発展を遂げていました。睡眠の背後にある分子メカニズムが解明されれば、つまりショウジョウバエのようなよく理解されたモデル生物を用いて研究できれば、睡眠科学にも革命を起こす可能性があったのです。トブラーゴキブリやサソリのように、ハエは脳波計に簡単に接続することはできません。しかし、ハエを細かく観察し、睡眠不足に対する反応を記録することは可能です。

ますます脳が衰える

2000年1月、シーガルとその同僚はハエが眠っていると主張する論文を発表しました。同年3月、ショーとその同僚は、この主張を裏付ける並行研究を発表しました。当時、無脊椎動物に真の睡眠が存在すること、そしてハエを用いて人間の睡眠を研究することが有益であるという事実を、この分野では依然として認めるのが難しかったとショーは言います。しかし、ハエはその価値を証明しました。現在、50以上の研究室がハエを用いて睡眠を研究し、睡眠には動物界全体に存在する一連の中核的特徴があることを示唆する知見を生み出しています。生物学者たちはハエの研究に留まりませんでした。「ハエが眠ることを示したことで、あらゆる生物が眠っていると言えるようになったのです」とショーは言います。

研究者が他の生物種で研究した睡眠は、必ずしも標準的な人間の睡眠とは似ても似つかないものだった。イルカや渡り鳥は、起きているように見えても脳の半分を眠らせることができることを研究者たちは発見した。ゾウはほぼ1時間起きているのに対し、ヒメヒナコウモリはほぼ1時間眠っている。

2008年には、デイビッド・ライゼンと彼の同僚たちが、生物学研究室でモデル生物として広く用いられている線虫、カエノラブディティス・エレガンス（Caenorhabditis elegans ）の睡眠を報告しました。カエノラブディティス・エレガンスは体細胞がわずか959個（生殖腺を除く）で、ニューロンは302個しかなく、そのほとんどは頭部の複数のクラスターに集まっています。他の多くの生物とは異なり、カエノラブディティス・エレガンスは生涯を通じて毎日の一部を睡眠に費やしているわけではありません。その代わりに、成長期に短時間睡眠をとります。また、成虫になってもストレスを受けた後に睡眠をとります。

神経系が最小限の生物が睡眠をとるという証拠は、約5年前のクラゲの研究で新たな高みに達したように思われる。体長約10センチのカシオペアクラゲは、ほとんどの時間を逆さまの状態で過ごし、触手を海面に向けて伸ばし、脈打って体内に海水を押し出している。現在カリフォルニア大学バークレー校の研究員であるマイケル・エイブラムスとカリフォルニア工科大学の他の大学院生2人がカシオペアが眠るかどうかを尋ねたとき、彼らは、トブラーがゴキブリを研究していたときにたどった調査の流れを続けており、より単純な生物にも睡眠が存在するかどうかを調べていた。クラゲが眠るなら、睡眠は10億年以上前に進化した可能性があり、脳を持たない動物界のほとんどすべての生物の基本的な機能である可能性があることを示唆している。

なぜなら、クラゲは動物の中で進化の過程で哺乳類から最も遠い存在だからです。生命の樹におけるクラゲの隣人には、海中の岩に付着して一生を過ごす海綿動物や、科学者が海水水槽の壁で初めて発見した小さな細胞塊である板状動物がいます。睡眠が観察される他の生物とは異なり、カシオペアは脳も中枢神経系も持ちません。しかし、カシオペアは動くことができ、休息時間も持ちます。カリフォルニア工科大学の学生たちは、行動睡眠の基準をカシオペアにも適用できるはずだと推論しました。

最初のいくつかの項目は比較的簡単にチェックできました。クラゲは昼夜を問わず脈動していましたが、エイブラムスと共同研究者たちは、夜間には脈動の速度が特徴的に遅くなり、少し努力すればこの状態から覚醒させることができることを示しました。（また、クラゲが静かな時間帯に水槽内のプラットフォーム上で特定の姿勢を好むという兆候もありましたが、エイブラムスはその証拠はまだ逸話的なものだと考えています。）クラゲに睡眠恒常性があるかどうかをテストするのははるかに困難で、クラゲを苦しめることなく優しく邪魔する方法を見つける必要がありました。最終的に、エイブラムスと共同研究者たちは、プラットフォームをクラゲの足元から落とすという方法に落ち着きました。そうすると、カシオペアは沈み、再び浮上し、昼間の速度で脈動するようになりました。

その後、恒常性維持の明らかな兆候が現れました。クラゲを刺激すればするほど、翌日の動きが鈍くなったのです。「恒常性維持の仕組みを実際に見るまでは、確信が持てませんでした」とエイブラムス氏は言います。研究チームの研究結果は2017年に発表され、エイブラムス氏はそれ以来、クラゲの遺伝学と神経科学の研究を続けています。

文脈の中で眠る

ヒドラの睡眠に関する新たな発見は、睡眠に関する発見を新たな極限へと押し上げる。ヒドラの体と神経系はカシオペアよりもさらに原始的である。しかし、日本の九州大学と韓国の蔚山科学技術院の研究者らが実証したように、ヒドラは休息状態に入ると光パルスで覚醒し、繰り返し睡眠を奪われた後も睡眠時間が長くなるなど、様々な発見があった。

ヒドラの睡眠には特異な点がある。通常、動物の睡眠時間を短縮させるドーパミンが、ヒドラを動かなくさせたのだ。ヒドラは24時間周期で眠るのではなく、4時間ごとに一定時間眠っているようだ。トブラー氏は、ヒドラの生態に何らかの要因があり、こうした特性がヒドラにとって有利に働いたのではないかと示唆している。

しかし、こうした違いがあるにもかかわらず、ヒドラの睡眠はゲノムレベルでは他の動物の睡眠と重なり合っている可能性がある。研究者らがヒドラで睡眠不足によって変化する遺伝子活動を調べたところ、いくつかの馴染みのある遺伝子を見つけた。「他の動物でも保存されている遺伝子の少なくともいくつかは、ヒドラの睡眠調節に関係している」と、九州大学の助教で新研究のリーダーである伊藤太一氏はQuantaへのメールで述べている。この発見は、ヒドラやクラゲを含む刺胞動物門の動物が、他の動物群の祖先から分岐する前から、睡眠調節の遺伝的要素をいくつか持っていたことを示唆している。これらの動物が徐々に中枢神経系を進化させるにつれて、睡眠はそれらを維持するための新しい機能を獲得したのかもしれない。

では、脳がない場合、睡眠は何をするのでしょうか？ライゼン氏は、少なくとも一部の動物では、睡眠は主に代謝機能を持ち、起きている時間には起こらない特定の生化学反応を可能にするのではないかと考えています。覚醒や運動に使われるはずのエネルギーを、動物が起きている間にはコストがかかりすぎる他のプロセスに転用しているのかもしれません。例えば、線虫C.エレガンスは睡眠を利用して体の成長を促し、組織の修復を支えているようです。睡眠不足のヒドラでは、日常生活の一部である細胞分裂が一時停止します。同様の現象は、睡眠不足のラットやショウジョウバエの脳でも観察されています。エネルギーの流れを管理することが、睡眠の中心的な役割なのかもしれません。

非常に単純な睡眠生物に関する研究は、まさに最初に眠った生物について疑問を投げかけています。この最初の睡眠生物は、それが何であれ、おそらく10億年以上前に姿を消したと考えられます。もしそれがヒドラと人類の共通祖先であったとすれば、ニューロンや筋肉のようなもので動きを可能にしていた可能性が高いでしょう。そして、その動きの欠如こそが、ヒドラの睡眠の特徴であり、特別な欲求を満たしていたのです。

「もしその動物が眠っていたとしたら、それはどのような状況であっても、睡眠はそれ自身のためのものだった」とエイブラムス氏は述べた。睡眠は最初の睡眠者の原始的な神経系を維持するのに役立ったかもしれないが、代謝や消化を促進するためだった可能性も同様に考えられる。「人間には脳が存在する以前から、腸があったのです」と彼は言った。

さらに深い疑問が投げかけられている。2019年の意見論文で、ライゼン氏と共著者らはこう問いかけた。「睡眠はニューロンで起こるとしたら、睡眠できるニューロンの最小数はどれくらいなのか？肝臓や筋肉細胞に関する研究が示唆するように、睡眠の必要性は他の種類の細胞によって駆動される可能性はあるのだろうか？」

「もし本当に限界に挑戦したいのであれば、神経細胞を全く持たない動物は眠るのでしょうか？」と雷禅は尋ねた。

実際、その行動がいつか答えを解き明かすかもしれない生物がいくつかあります。動物界で最も単純な生物の一つと見られる微小な多細胞生物、平板動物は、動き回り、周囲の環境に反応します。ニューロンも筋肉もありません。海綿動物も同様で、海綿動物は固定されていますが、それでも周囲の環境に反応します。

「『スポンジは眠るのか？』とよく聞かれます」とエイブラムス氏は言う。「それは全く新しい世界です。それを検証する方法があるかもしれません。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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