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Der Ursprung des Schlafs


Gehirn & Geist - epaper ⋅ Ausgabe 10/2021 vom 03.09.2021

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Bildquelle: Gehirn & Geist, Ausgabe 10/2021

TIER OHNE HIRN | Süßwasserpolypen haben nur ein rudimentäres Nervennetz. Trotzdem brauchen sie offenbar alle paar Stunden ein kurzes Nickerchen.

Auf einen Blick: Keine reine Hirnsache

1 Schlafmangel beeinträchtigt die geistige Leistungsfähigkeit. Studien suchen deshalb meist im Gehirn nach Ursachen und Folgen des Zustands.

2 Bei vielen Tieren lassen sich Hirnströme allerdings nicht verlässlich messen – dann muss man an ihrem Verhalten ablesen, ob sie wach sind oder nicht.

3 So fanden sich selbst bei hirnlosen Lebewesen wie Quallen und Polypen Schlafphasen. Das wirft die Frage auf, welchem Zweck die Ruhepausen dienen.

Süßwasserpolypen sind einfache Lebewesen. Weniger als einen halben Zentimeter groß, haben ihre röhrenförmigen Körper einen Fuß an einem Ende und ein Maul am anderen. Der Fuß heftet sich an eine Oberfläche unter Wasser – etwa eine Pflanze oder einen Felsen –, und das mit Tentakeln versehene Maul fängt vorbeischwimmende Wasserflöhe ein. Die Tiere besitzen weder ein Gehirn noch sonst ein nennenswertes Nervensystem. Und doch, so ...

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... belegen neue Forschungsergebnisse, schlafen sie. Studien eines Teams in Südkorea und Japan zeigten, dass Süßwasserpolypen periodisch in einen Ruhezustand fallen, der die wesentlichen Kriterien für Schlaf erfüllt.

Auf den ersten Blick mag das unwahrscheinlich erscheinen. Seit mehr als einem Jahrhundert haben Forscherinnen und Forscher, die sich mit Schlaf beschäftigen, im Gehirn nach dessen Zweck gesucht. Sie haben die Verbindungen des Schlummerzustands zu Gedächtnis und Lernen erforscht. Sie haben die neuronalen Schaltkreise erfasst, die uns in das Land der Träume eintauchen und wieder erwachen lassen. Sie haben die Veränderungen der Gehirnwellen aufgezeichnet, die unseren Weg durch die verschiedenen Schlafstadien markieren, und zu verstehen versucht, was sie verursacht. Zahllose Forschungsergebnisse und die Lebenserfahrung belegen, dass der menschliche Schlaf eng mit dem Gehirn verbunden ist.

Doch kürzlich ist ein Kontrapunkt zu dieser Sichtweise aufgetaucht. Forscher stellten fest, dass von Muskeln und einigen anderen Geweben außerhalb des Nervensystems produzierte Moleküle den Schlaf regulieren können. Die nächtliche Auszeit beeinflusst den Stoffwechsel im ganzen Körper, weshalb ihr Einfluss wohl nicht ausschließlich neurobiologisch ist. Eine Reihe wei ­ terer Arbeiten hat gezeigt, dass manche simplen Organismen viel Zeit mit etwas verbringen, das Schlaf sehr ähnlich sieht. Manchmal steckten Fachleute ihr Verhalten in die Schublade »schlafähnlich«. Aber je mehr Details ans Licht kommen, desto weniger erscheint diese Unterscheidung notwendig.

UNSERE AUTORIN

Veronique Greenwood arbeitet als Wissenschaftsjournalistin in New York.

Vieles deutet nun darauf hin, dass diese Lebewesen – einschließlich der hirnlosen Süßwasserpolypen – durchaus schlafen können. Das bedeutet, dass die ursprüngliche Rolle des Schlafs vermutlich stark von unserer Standarderklärung abweicht. Denn wenn er kein Gehirn erfordert, kann es sich dabei um ein weitaus umfassenderes Phänomen handeln, als wir bisher angenommen haben.

Ein ganz besonderer Zustand

Normaler Schlaf ist nicht dasselbe wie Winterschlaf, Koma, Rausch oder irgendein anderer Ruhezustand, schrieb der französische Schlafforscher Henri Piéron bereits 1913. Obwohl es sich bei all diesen Umständen um eine oberflächlich gesehen ähnliche Bewegungslosigkeit handele, habe jeder davon seine eigenen Qualitäten. Die tägliche Unterbrechung in unserem bewussten Erleben fand Piéron besonders faszinierend. Ohne sie war man benebelt, verwirrt, unfähig zu klaren Gedanken. Um mehr über den Schlaf zu erfahren, schien es deshalb unerlässlich, zu verstehen, was dabei im Gehirn passiert.

Und so begann man Mitte des 20. Jahrhunderts mit Hilfe der Elektroenzephalografie (EEG) den Schlaf genauer zu studieren. Das Anbringen von Elektroden an Menschen, Katzen oder Ratten ermöglichte es, mit scheinbarer Präzision zu sagen, ob ein Testsubjekt schlief und in welchem Schlafstadium es sich befand. Dieser Ansatz führte zu vielen Erkenntnissen, hinterließ aber eine Verzerrung in der Disziplin: Fast alles, was wir über den Zustand lernten, stammte von Experimenten mit Tieren, die mit Elektroden ausgestattet werden konnten. Merkmale des Schlafs wurden zunehmend über die mit ihm verbundene Gehirnaktivität beschrieben.

Das frustrierte die Schlafphysiologin Irene Tobler, die in den späten 1970er Jahren an der Universität Zürich forschte. Sie arbeitete mit Kakerlaken und war neugierig, ob wirbellose Tiere wie Insekten genauso schlafen wie Säugetiere. Aus den Abhandlungen von Piéron und anderen lernte sie, dass der Zustand auch am Verhalten festgemacht werden kann.

Sie definierte deshalb eine Reihe von Kriterien, um Schlaf ohne EEG-Messung zu erfassen. Darunter: Ein schlafendes Tier bewegt sich nicht. Es ist schwieriger zu aktivieren als eines, das einfach nur ruht. Es kann eine andere Haltung einnehmen als im wachen Zustand, oder es kann einen bestimmten Ruheort aufsuchen. Einmal geweckt, verhält es sich normal und nicht träge. Tobler fügte noch ein von ihr selbst an Ratten beobachtetes Merkmal hinzu: Ein Tier, das beim Schlafen gestört wurde, schläft später länger oder tiefer als sonst – ein Phänomen, das man Schlafhomöostase nennt.

Schlummernde Schaben

Anhand der Kriterien kam Tobler bald zu dem Schluss, dass Kakerlaken entweder schliefen oder zumindest etwas sehr Ähnliches taten. Die Reaktion ihrer Kolleginnen und Kollegen, von denen die meisten Säugetiere höherer Ordnung studierten, folgte schnell. »Es wurde als Ketzerei gewertet, dies überhaupt in Betracht zu ziehen«, sagte Tobler. »In meinen ersten Jahren haben sie sich alle über mich lustig gemacht. Aber ich hatte irgendwie das Gefühl, dass die Zeit es schon zeigen würde.« Sie untersuchte Skorpione, Giraffen, Hamster, Katzen – insgesamt 22 Arten. Sie war überzeugt, dass Schlaf weit verbreitet war und dass sich die von ihr definierten Verhaltensmerkmale in späteren Studien als entscheidend erweisen würden.

Toblers Kriterien beschäftigten Amita Sehgal von der University of Pennsylvania sowie Paul Shaw (mittlerweile an der Washington University in St. Louis) und ihre Teams in den späten 1990er Jahren. In zwei unabhängigen Arbeitsgruppen hatten sie begonnen, die Ruhephase von Taufliegen genauer zu untersuchen. Schlaf war damals noch weitgehend die Domäne von Psychologen, sagt Sehgal, und nicht von jenen, die im Bereich der Genetik oder Zellbiologie forschten.

Ein Feld der Biologie, das sich mit zirkadianen Uhren befasst, explodierte zu der Zeit geradezu. Sein Höhenflug begann mit der Entdeckung von Genen, die die 24-Stunden-Uhr des Körpers regulieren. Das eröffnete die Möglichkeit, die molekularen Mechanismen aufzuspüren, die dem Schlaf zu Grunde liegen. Mit einem gut verstandenen Modellorganismus wie der Taufliege ließen sich diese dann eingehend studieren. Manche witterten das Potenzial für eine Revolution in der Schlafforschung. Fliegen konnten jedoch wie Toblers Kakerlaken und Skorpione nicht einfach an ein EEG-Gerät angeschlossen werden. Es war aber möglich, sie genau zu überwachen und ihre Reaktionen auf Schlafentzug zu dokumentieren.

Im Januar 2000 veröffentlichten Sehgal und ihr Team ihre Beobachtungen zum Schlaf bei Taufliegen. Im folgenden März publizierte Shaws Gruppe eine Arbeit, die ihre Erkenntnisse untermauerte. Die Forschungsgemeinschaft erkannte nur zögerlich an, dass echter Schlaf in wirbellosen Tieren existierte und dass sich der Zustand in künftigen Studien als Modell vom mensch lichen Schlummer eignen könnte, sagt Shaw. Mit der Zeit bewiesen die Fliegen ihren Nutzen. Heute verwenden mehr als 50 Labore die Tiere, um Schlaf zu untersuchen. Bisherige Erkenntnisse deuten darauf hin, dass er eine Reihe von Kernmerkmalen aufweist, die im gesamten Tierreich vorhanden sind. Die Forschung hörte jedoch nicht bei Taufliegen auf. »Nachdem wir gezeigt hatten, dass Fliegen schlafen«, sagte Shaw, »eröffnete das die Möglichkeit, dass das vielleicht auch auf viele andere Organismen zutrifft.«

Der Schlaf, den Fachleute bisher bei Tieren dokumentierten, ähnelt nicht immer dem unseren. Delfine und Zugvögel können zum Beispiel mit einer Gehirnhälfte schlummern und wirken dabei wach. Elefanten brauchen nur kurze Nickerchen, während Mausohrfledermäuse die meiste Zeit schlafend verbringen.

Im Jahr 2008 berichtete ein Team um David Raizen von einem Schlafzustand bei Caenorhabditis elegans. Den winzigen Fadenwurm nutzen Biologielabors häufig als Modellorganismus. Er hat nur 959 Körperzellen, davon 302 Neuronen, die meist in Clustern im Kopf konzentriert sind. Im Gegensatz zu vielen anderen Lebewesen schläft C. elegans nicht einen Teil jedes Tags, son­ dern nur kurze Abschnitte während seiner Entwicklung und, sobald er ausgewachsen ist, um sich von Stressperioden zu erholen.

Die Erforschung von Schlaf bei Lebewesen mit minimalem Nervensystem schien vor etwa fünf Jahren mit Studien an Mangrovenquallen einen neuen Höhepunkt erreicht zu haben. Die knapp vier Zentimeter großen Nesseltiere verbringen die meiste Zeit kopfüber. Ihre Tentakel strecken sie in Richtung Meeresoberfläche. Die Tiere pulsieren, um Meerwasser durch ihren Körper zu drücken. Mit zwei weiteren Studenten am California Institute of Technology untersuchte Michael Abrams, jetzt an der University of California in Berkeley, ob Mangrovenquallen schliefen. Dies würde darauf hindeuten, dass sich Schlaf bereits vor mehr als einer Milliarde Jahre entwickelt hatte. Der Zustand könnte demnach sogar eine grundlegende Funktion fast aller Organismen im Tierreich sein, von denen viele kein Gehirn haben.

Auch Quallen brauchen Pausen

Das liegt daran, dass Quallen unter den Tieren evolutionär so weit von den Säugern entfernt sind, wie man es nur sein kann. Ihre Nachbarn im Stammbaum des Lebens sind die Schwämme, die ihr Dasein an Felsen im Meer verbringen, sowie die Plattentiere – winzige Zellhaufen, die zuerst an den Wänden von Meerwasseraquarien entdeckt wurden. Im Gegensatz zu anderen Tie ­ ren, die beim Schlafen beobachtet wurden, haben Mangrovenquallen kein Gehirn. Sie besitzen nicht einmal ein zentrales Nervensystem. Sie können sich jedoch bewegen und haben Ruhephasen. Die Caltech-Studenten folgerten deshalb, dass es möglich sein sollte, die verhaltensbasierten Kriterien für Schlaf auf sie anzuwenden.

Die ersten Punkte waren relativ einfach zu überprüfen. Obwohl die Quallen ständig pulsierten, zeigte das Forschertrio, dass sich die Pulsrate nachts auf charakteristische Weise verlangsamte. Mit einiger Mühe konnten die Tiere aus diesem Zustand geweckt werden. Viel schwieriger zu testen war, ob die Quallen auch eine Schlafhomöostase hatten. Zuerst mussten die Studenten Wege finden, sie sanft zu stören, ohne sie zu beunruhigen. Am Ende fiel die Wahl darauf, die Plattform unter ihnen fallen zu lassen; wenn das geschah, sanken die Tiere ab und stiegen mit ihrer Tagesrate pulsierend wieder auf.

Danach zeigten sich tatsächlich die erwarteten Anzeichen: Je mehr man die Quallen störte, desto weniger bewegten sie sich am nächsten Tag. »Wir waren skeptisch, bis wir die homöostatische Regulierung sahen«, sagte Abrams, der weiter an den Tieren forscht.

Aktuelle Daten zum Schlaf bei Süßwasserpolypen offenbaren neue Extreme. Körper und Nervensystem dieser Tiere sind noch einfacher gebaut als die von Mangrovenquallen. Doch zeigte ein Forschungsteam der Universität Kyushu in Japan und des Ulsan National Institute of Science and Technology in Südkorea: Sobald der Polyp in einen Ruhezustand eintrat, konnte er durch einen Lichtimpuls geweckt werden. Nach wiederholtem Entzug rastete er länger.

Die Ruhephase weist gewisse Besonderheiten auf. Der Neurotransmitter Dopamin, der Tiere normalerweise aufputscht, macht Süßwasserpolypen träge. Zudem scheinen sie nicht in einem 24-Stunden-Zyklus zu schlafen, sondern in einem Vier-Stunden-Rhythmus. Etwas an der Lebensweise der Organismen könnte dies vorteilhaft gemacht haben, spekuliert die Schlafforscherin Tobler.

In den DNA-Abschnitten, deren Aktivität sich durch Schlafentzug verändert hatte, fanden die Wissenschaftler ein paar bekannte Sequenzen. »Zumindest einige Gene, die auch in anderen Tieren vorkommen, sind an der Schlafregulation von Hydra beteiligt«, berichtet Taichi Itoh, Leiter der Studie an der Universität Kyushu. Das deutet auf einen gemeinsamen evolutionären Ursprung von Schlaf bei Nesseltieren und Säugern hin. Als Tiere im Lauf der Jahrmillionen allmählich zentralisierte Nervensysteme entwickelten, könnte der Zustand bei ihnen neue Funktionen übernommen haben.

Reparatur im Schlaf

Wozu aber schlafen, wenn kein Gehirn vorhanden ist? Raizen vermutet, dass der Ruhemodus bei einigen Tieren vor allem einen metabolischen Zweck hat. Er erlaubt womöglich bestimmte biochemische Reaktionen, für die im Wachzustand nicht ausreichend Energie zur Verfügung steht. Reduziert der Organismus seinen Energiebedarf zeitweise, indem er Aufmerksamkeit und Bewegung minimiert, könnten die frei gewordenen Ressourcen in diese Prozesse fließen. C. elegans scheint zum Beispiel Schlaf zu nutzen, um zu wachsen und Körpergewebe zu reparieren. Nach einem Schlafentzug teilen sich die Zellen von Süßwasserpolypen weniger häufig, als wenn die Tiere ausreichend geruht haben. Etwas Ähnliches wurde in den Gehirnen von Ratten und in Fruchtfliegen beobachtet. Energiemanagement könnte also eine zentrale Funktion von Schlaf sein.

MEHR WISSEN AUF »SPEKTRUM.DE«

Wozu Menschen Schlaf brauchen und was passiert, wenn wir zu wenig davon bekommen, lesen Sie in unserem Gehirn&Geist-Kompakt »Schlafen & Träumen«:

www.spektrum.de/shop

Die Erkenntnisse befeuern zudem Spekulationen über den allerersten Organismus, der schlief. Wie auch immer er aussah, er hatte sich womöglich vor mehr als einer Milliarde Jahren aus frühen Mehrzellern entwickelt. Wenn er ein gemeinsamer Vorfahre von Süßwasserpolypen und Menschen war, hatte er vermutlich bereits Neurone und so etwas wie Muskeln, die es ihm erlaubten, sich fortzubewegen. Sein Schlaf könnte dazu beigetragen haben, sein rudimentäres Nervensystem aufrechtzuerhalten. Er könnte aber genauso gut zu Gunsten seines Stoffwechsels oder seiner Verdauung geschlafen haben. »Noch bevor Tiere ein Gehirn hatten, hatten sie einen Darm«, betont Raizen.

Weitere Fragen ergeben sich aus den Studien. Raizen und seine Koautoren schrieben etwa in einem 2019 erschienenen Kommentar: Wenn Schlaf in Neuronen stattfindet, was ist dann die minimale Anzahl von Nervenzellen, um den Zustand auszulösen? Kann das Bedürfnis nach Schlaf auch von anderen Zellarten angetrieben werden, wie Arbeiten mit Leber- und Muskelzellen nahelegen? »Wenn Sie wirklich zum Extrem gehen wollen: Können Tiere, die überhaupt keine Neurone haben, schlafen?«, fragt Raizen.

Tatsächlich gibt es Organismen, deren Verhalten eines Tages die Antwort geben könnte. Mikroskopisch kleine, vielzellige Lebewesen namens Placozoa gehören zu den einfachsten überhaupt im Tierreich. Sie bewegen sich und reagieren auf ihre Umgebung, haben jedoch weder Neurone noch Muskeln. Genauso wenig wie Schwämme, die zwar an Ort und Stelle verankert sind, aber dennoch Umweltreize wahrnehmen und ihr Verhalten entsprechend anpassen. »Oft werde ich gefragt: ›Schlafen Schwämme?‹«, sagt Abrams. »Vielleicht gibt es Möglichkeiten, das zu testen.«★

Von »Gehirn&Geist« übersetzte und bearbeitete Fassung des Artikels »Sleep Evolved Before Brains. Hydras Are Living Proof« aus »Quanta Magazine«, einem inhaltlich unabhängigen Ma - gazin der Simons Foundation, die sich die Verbreitung von Forschungsergebnissen aus Mathematik und den Naturwissenschaften zum Ziel gesetzt hat.

QUELLEN

Kanaya, H. J. et al.: A sleep-like state in Hydra unravels conserved sleep mechanisms during the evolutionary development of the central nervous system. Science Advances 6, 2020

Nath, R. D. et al.: The jellyfish Cassiopea exhibits a sleep-like state. Current Biology 27, 2017

Tobler, I.: Effect of forced locomotion on the rest-activity cycle of the cockroach. Behavioural Brain Research 8, 1983

Dieser Artikel im Internet: www.spektrum.de/artikel/1910143