Az alvással kapcsolatos kutatások többsége neurológiai oldalról igyekszik megközelíteni a problémát, a csalánozókkal kapcsolatos vizsgálatok azonban azt sugallják, hogy a pihenőállapot kialakulásának anyagcserével kapcsolatos okai lehettek. A hidrák meglehetősen egyszerű állatok, pár centiméter hosszúak, testük egy csőre emlékeztet, amelynek egyik végén egy szájnyílás található, a másikon pedig olyan „lábak”, amelyekkel képesek megkapaszkodni valamiben, egy növényben vagy egy kőben a víz alatt.

A hidráknak nincs agyuk, sőt, idegrendszerük sem, a kutatások mégis azt mutatják, hogy alszanak. Nemrégiben dél-koreai és japán vizsgálatok igazolták, hogy a hidraállatok periodikusan olyan nyugalmi állapotba kerülnek, amely kielégíti az alvás kritériumait. Ez elég meglepő annak fényében, hogy az alváskutatók több mint egy évszázada vizsgálják az alvást, és ennek szükségességét a legutóbbi időkig elsősorban az agyhoz kötötték. Vizsgálták az alvás szerepét az emlékezésben és a tanulásban, azonosították az alváskor és a felkeléskor működésbe lépő agyi áramköröket, és az agy alvás közbeni működési mintázatait, azonosítva az alvás különböző szakaszait.

Az utóbbi évtizedekben azonban az alváskutatásnak egy másik ága is kialakult: a szakértők észrevették, hogy az izmok és más, nem idegi eredetű sejtek is termelhetnek olyan molekulákat, amelyek szabályozzák az alvást. A nyugalmi állapot döntően befolyásolja az anyagcserét, ami megkérdőjelezi a tisztán neurológiai eredetet. És egyre több bizonyíték van arra is, hogy egyszerűbb, aggyal alig vagy egyáltalán nem rendelkező szervezetek is tetemes időt töltenek olyan állapotban, amit a magasabb rendű állatoknál alvásnak neveznénk. Ezt az állapotot olykor a probléma megkerülése végett alvásszerűnek titulálják a kutatók, de ahogy egyre több információ derül ki a részletekről, egyre kevésbé világos, hogy miért van szükség a megkülönböztetésre, ha egyszer az állapot minden alapvető szempontból azonos az alvással.

Úgy tűnik tehát, hogy a legegyszerűbb állatok, köztük az aggyal nem rendelkező hidrák, is alszanak, ami érdekes kérdéseket vet fel azzal kapcsolatban, hogy miért alakult ki az alvás évmilliárdokkal ezelőtt. És persze az is kérdés, hogy változott-e a szerepe időközben, ahogy egyre magasabb rendű fajok alakultak ki.

Mi az alvás?

Az alvás nem azonos a hibernációval, a kómával vagy az öntudatlan állapottal, írta Henri Piéron francia alváskutató 1913-ban. Bár ezek az állapotok első pillantásra hasonlóak lehetnek, hiszen mindegyik mérsékelt mozgással jár együtt, alaposabban vizsgálva jól elkülöníthetők. És talán mind közül az alvás jelenti a legnagyobb rejtélyt, amely miatt napi rendszerességgel inaktívvá válunk hosszú órákra, és ha ezt nem tesszük, zavartak, kimerültek leszünk.

Ez a rejtély hajtotta a szakértőket abban, hogy minél többet megtudjanak arról, mi zajlik az agyban alvás közben. A 20. század közepére az elektroenkefalográf, az EEG vált a vizsgálódás legfőbb eszközévé a területen: elektródák segítségével tanulmányozták az agy elektromos működését alvás és ébrenlét közben, illetve az alvás különböző szakaszaiban, és más nyugalmi állapotokban is. Ezek a kutatások nagyon sok hasznos eredményt hoztak, ugyanakkor nagyon egyoldalúvá tették az alváskutatást.

Irene Tobler, a Zürichi Egyetem alváspszichológusa az elsők között volt, aki felismerte az ebben rejlő veszélyeket, és vizsgálni kezdte, hogyan alszanak (ha alszanak) a gerinctelen állatok. Tobler csótányokat vizsgált, és munkája során az EEG-adatok helyett viselkedési jegyek alapján igyekezett meghatározni az alvás kritériumait. Ezek keretében a következőket állapította meg: az alvó állat nem változtat helyet, nehezebben kelthető fel, mint a pihenő állat, az alvás általában más testhelyzetben zajlik, mint az ébrenlét, és bizonyos esetekben más helyen is történik. Az alvásból felkeltett állat először kicsit zavartan viselkedik, le van lassulva. Végül, mondta Tobler patkányokon végzett kísérletei alapján, az alvás közben megzavart állat később mélyebben és hosszabban alszik, hogy fenntartsa az alvás homeosztázisát.

Kollégáinak egy része totális képtelenségnek tartotta az eredményeket, és nem vették azokat komolyan. A kutató azonban tovább dolgozott, alacsonyabb és magasabb rendű fajokkal egyaránt, skorpiókat, zsiráfokat, hörcsögöket, macskákat és más állatokat tanulmányozva. Meggyőződése volt, hogy az idő őt fogja igazolni, és előbb-utóbb mindenki kénytelen lesz belátni, hogy az alvás sokkal elterjedtebb az állatvilágban, mint ahogy azt kritikusai képzelik.

Tobler viselkedési kritériumai kulcsszerepet kaptak Amita Sehgal, a Pennsylvaniai Orvosi Egyetem kutatója és Paul Shaw, a Washington Egyetem kutatója vizsgálataiban az 1990-es években. Sehgal és Shaw külön kutatócsoportok tagjaiként kezdték vizsgálni az ecetmuslicák nyugalmi állapotait. Az alvás ebben az időszak még elsősorban a pszichológia tárgykörébe tartozott, nem pedig a biológusokéba, akik genetikával és sejtbiológiával foglalkoztak.

Egy közeli terület, a biológiai vagy cirkadián óra kutatása azonban ekkoriban kezdett igazán beindulni, miután világossá vált, hogy vannak olyan gének, amelyek működése 24 órás ciklikusságot mutat. Ez lendületet adott az alváskutatásnak is, hiszen remény nyílt az alvás molekuláris hátterének felderítésére. Amire a legjobb modellszervezetnek a jól ismert genetikájú ecetmuslicák ígérkeztek, amelyekről viszont nem volt világos, hogy egyáltalán alszanak-e, és nem is lehetett EEG-re kötni őket, hogy ez kiderüljön.

Agyatlan álmok

Az ecetmuslicák viselkedésének megfigyelésére ugyanakkor jól bevált módszerek voltak, így a szakértők különösebb akadályok nélkül tudták alkalmazni Tobler viselkedési elveit, és ezekre építve például alvásmegvonással vizsgálni, hogy a rovarok számára valóban szükséges-e az alvás. Sehgal és kollégái 2000 januárjában tették közzé első tanulmányukat, amelyben igazolták, hogy az ecetmuslicák valóban alszanak. Ugyanezen év márciusában egy másik tanulmányban Shaw és csapata is megerősítette az eredményeket.

Az adatok annyira meggyőzőek voltak, hogy immár nem lehetett kétséges, a gerinctelenek is alszanak, és az ecetmuslicák valóban használhatók arra, hogy az ember és más fajok alvásmechanizmusát tanulmányozzák rajtuk. Napjainkban világszerte több mint 50 laborban kutatják az alvást ecetmuslicák segítségével, és az eredmények alapján úgy tűnik, hogy a nyugalmi állapot az állati lét egyik kulcsfontosságú jelensége.

A biológusok pedig nem álltak meg a muslicáknál: amikor kiderült, hogy a rovarok alszanak, vizsgálni kezdték, mi más alhat még az állatvilágban. A következő kutatások pedig egy sor érdekességre derítettek fényt. Kiderült például, hogy a delfinek és a költöző madarak mindig csak agyuk felével pihennek, míg a másik agyfél éber. Az elefántok alig alszanak, míg egyes denevérek szinte az egész napot végigalusszák.

2008-ban David Raizen és kollégái a biológia egy másik kedvelt modellállata, a Caenorhabditis elegans nevű fonálféreg kapcsán is igazolták az alvás létezését. A fonálféreg 959 testi sejtjével és 302 idegsejtjével különösen könnyen vizsgálhatónak bizonyult az alvás szempontjából.

A minimális idegrendszerrel rendelkező állatok alváskutatásának fontos állomása volt, amikor öt évvel ezelőtt  kiderült, a medúzák is alszanak. A Cassiopea medúzák egész életüket fejjel lefelé töltik, fogókarjaikkal az óceán felé nyújtózva, miközben testükkel pulzálva áramoltatják magukon keresztül a tengervizet. Az állatokat Michael Abrams, akkoriban a CalTech (azóta a Berkeley) kutatója vizsgálta, és esetükben az alvás kérdése azért volt különösen érdekes, mert ha a medúzák is alszanak, azt jelentette volna, hogy az alvás több mint egymilliárd éve jelent meg az állatvilágban. Ez esetben pedig csaknem minden ma élő állatban meghatározónak kell lennie, azokban is, amelyeknek egyáltalán nincs agyuk.

A medúzák ugyanis evolúciós szempontból a lehető legtávolabb vannak az emlősöktől. A medúzáknak egyáltalán nincs központi idegrendszerük, de már korábbi a kutatások is azt mutatták, hogy vannak nyugalmi periódusaik. A CalTech kutatói ennek fényében joggal remélték, hogy viselkedési alapon igazolni tudják majd, hogy a medúzák alszanak-e vagy sem.

Tobler kritériumai közül az első párat könnyű volt kipipálni. Bár a medúzák teste éjjel-nappal mozgott, Abrams és társai igazolták, hogy a pulzálás üteme éjszakára jellegzetesen lelassul, és hogy ebből az állapotból csak erőfeszítésekkel aktivizálhatók az állatok. (Némi bizonyíték arra is akadt, hogy a medúzák erre a nyugalmasabb pulzálásra az akvárium bizonyos helyeit preferálják, de ezek az adatok nem voltak annyira meggyőzőek, mint a többi.)

A medúzák alvási homeosztázisának ellenőrzése ugyanakkor jóval keményebb diónak bizonyult. Ehhez először ki kellett kísérletezni egy módszert, amellyel a medúzák felkelthetők anélkül, hogy túl komoly pánikba esnének. Erre végül az bizonyult a legjobb megoldásnak, hogy leejtették a felületet, amelyen az állatok megpihentek. Amikor az alátámasztás eltűnt alóluk, a medúzák lesüllyedtek a fenék irányába, majd mire visszaemelkedtek, már a nappali frekvencián pulzáltak.

Ez pedig végképp meggyőzte a kutatókat arról, hogy a medúzák alszanak. Abrams és társai 2017-re végeztek a viselkedési vizsgálatokkal, és ezt követően a medúzák alvás közbeni génkifejeződését és idegi működéseit kezdték tanulmányozni.

Hidraálmok

A hidrák alvásának igazolása legalább olyan fontos mérföldkő az alváskutatásban, mint a medúzáké volt, hiszen a hidrák teste még egyszerűbb, mint a medúzáké. A vizsgálatokat végző japán és dél-koreai kutatók azonban ennek ellenére sikerrel demonstrálták, hogy a hidrák a nap egy részét nyugalmi állapotban töltik, ebből egy fényimpulzussal felkelthetők, és ha nem hagyják őket pihenni, másnap hosszabban inaktívak.

A hidrák alvásának ugyanakkor megvannak a maga furcsaságai. A dopamin nevű hormon például a legtöbb állatban álmatlanságot okoz, de a hidrák elalszanak tőle.

Genomikai szinten ugyanakkor a hidrák alvása nem kifejezetten tér el a többi állat alvásától. Alvásmegvonás esetén hasonlóan változik meg esetükben is a génaktivitás, mint más fajoknál, és az alvás szabályozásában is sok az átfedés a gének között. Ez pedig azt sugallja, mondja Ito Tajcsi, a kutatás vezetője, hogy a hidrák és a medúzák elődei már azelőtt is rendelkeztek az alvás szabályozásának kulcsfontosságú genetikai komponenseivel, hogy fejlődésük különvált volna a többi állatfajétól. Aztán amikor utóbbiak egy részében elkezdett kialakulni a központi idegrendszer, az alvás új funkciókat kaphatott.

Ennek fényében persze nagy kérdés, hogy miért volt szükség alvásra az agy kialakulása előtt. Raizen szerint a nyugalmi periódusnak elsősorban metabolikus funkciója lehetett, vagyis a passzívabb állapot lehetőséget teremtett arra, hogy bizonyos biokémiai reakciók végbemenjenek, amelyekre az ébrenlét alatt nem volt elég idő. Ilyenkor ezek több energiát is kaphattak, mint az éberség óráiban. A C. elegans például a jelek szerint alvás közben növekszik, és alvás alatt regenerálódik sérülés esetén. Az alvásmegvonásos hidrákban pedig a sejtosztódás, amely egyébként állandóan zajlik, szünetel. Hasonló változásokat az alvásmegvonásos patkányokban és ecetmuslicákban is megfigyeltek, vagyis az energiaellátás alvás közbeni átrendeződés a mai napig központi szerepet játszhat az alvás szükségességében a magasabb rendű fajoknál is.

Az eredmények kapcsán az is felmerül, hogyan nézhetett ki az első alvó állat. Erről pontos információnk talán sosem lesz, hiszen a faj vélhetően több mint egymilliárd éve kihalt, és nem rendelkezett szilárd vázzal. Ha azonban a hidrák és az emberek közös elődjeként képzeljük el, valószínűleg voltak idegsejtjei és valamiféle izomszerű sejtjei is, amelyek lehetővé tették a  mozgást.

Az alvás ezekben a korai állatokban segíthette az idegi működéseket, de ugyanúgy előnyt jelenthetett más testi működéseknél is, például a sejtszintű anyagcserénél vagy az emésztésnél, mondja Abrams:

Raizen és kollégái egy másik kulcskérdést is feltettek 2019-es tanulmányukban. Ha az alváshoz a neuronok szükségesek, mennyi az a minimális idegsejtszám, amely feltétlenül kell ahhoz, hogy egy élőlény aludni tudjon? És lehetséges, hogy másfajta sejtek is képesek vezérelni az alvást, például a májsejtek vagy az izomsejtek, ahogy azt egyes kutatások sugallják? Ha pedig az utóbbi igaz, akkor lehet idegsejtek nélkül is aludni?

Ezzel kapcsolatban egyelőre csak tervezik a vizsgálatokat. A korongállatkák és a szivacsok a legegyszerűbb állatok közé tartoznak, helyváltoztatni korlátozottan képesek ugyan, de nincsenek idegsejtjeik, sem izomsejtjeik. „Gyakran felteszem magamnak a kérdést: vajon a szivacsok is alszanak?” – mondja Abrams. „Idővel talán ezt is vizsgálni tudjuk majd.”