Informácie

Prečo sa u mnohých zvierat vyvinul proces spánku? Aká je jeho evolučná výhoda?

Prečo sa u mnohých zvierat vyvinul proces spánku? Aká je jeho evolučná výhoda?



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.

Proces spánku sa zdá byť pre organizmus veľmi nevýhodný, pretože je extrémne náchylný na dravosť niekoľko hodín v kuse. Prečo je spánok nevyhnutný u toľkých zvierat? Akú výhodu to dalo jednotlivcom, ktorí sa vyvinuli, aby to mali ako adaptáciu? Kedy a ako sa to pravdepodobne vyskytlo na evolučnej ceste zvierat?


Tento dobrý nevedecký článok obsahuje niektoré z bežných výhod (oddych/regenerácia).

Jeden z výskumných prác, ktoré spomenuli (spojili s tlačovou správou), bol Zachovanie spánku: pohľady z necicavčích modelových systémov John E. Zimmerman, Ph.D.; Trendy Neurosci. júl 2008; 31(7): 371-376. Publikované online 5. júna 2008 doi: 10.1016/j.tins.2008.05.001; NIHMSID: NIHMS230885. Citujem z tlačovej správy:

Pretože čas letargie sa zhoduje s časom v životnom cykle okrúhlych červov, keď nastanú synaptické zmeny v nervovom systéme, navrhujú, aby spánok je stav potrebný pre plasticitu nervového systému. Inými slovami, na to, aby nervový systém rástol a menil sa, musí dôjsť k prestojom aktívneho správania. Ďalší výskumníci z Penn ukázali, že u cicavcov dochádza počas spánku k synaptickým zmenám a že nedostatok spánku vedie k narušeniu týchto synaptických zmien.


Našiel som tento článok od Beningtona a Hellera, ktorý rozširuje už spomínanú teóriu spánku ako mechanizmu na obnovu metabolizmu. Predpokladajú, že spánok je nevyhnutný na doplnenie zásob glykogénu (hlavne v astrocytoch) v mozgu. Tieto zásoby sa bežne používajú na doplnenie glukózy v krvi kvôli vysokým energetickým nárokom mozgu.

Predpokladá sa, že to môže tiež viesť k prejavom ospalosti v dôsledku vyčerpania zásob glykogénu v špecifických malých oblastiach mozgu. Krátke a lokalizované vyčerpanie zásob glykogénu znamená, že bunky pracujú s menšou energiou, než s ktorou musia normálne pracovať. To spôsobuje zvýšenie syntézy adenozínu z rozkladu AMP. Práca tvrdí, že zvýšené hladiny adenozínu sú detekované adenozínovými receptormi, ktoré potom spúšťajú alebo zvyšujú (ako je vidieť na EEG skenoch) pocit potreby spánku:

V spánku NREM (ktorý môže poskytnúť určitú podporu tejto teórii, keďže spánok NREM predstavuje 80 % spánku a je fyziologicky najrôznejší od bdenia), je tento glykogén nahradený najúčinnejšie. Počas spánku NREM sa znižuje uvoľňovanie neurotransmiterov indukujúcich glykogenolýzu, čo umožňuje prevahu glykogénsyntázy a obnovenie hladín glykogénu. Tieto isté neurotransmitery sú však kľúčové pri spracovaní zmyslových stimulov (tonickou depolarizáciou neurónov v senzorickej kôre). Preto bude doplnenie glykogénu vždy spojené s (silne) zníženou reakciou na podnety.

To vedie ku konečnej odpovedi na otázku, prečo má spánok evolučnú výhodu, ktorú budem citovať doslovne, aby som udržal tempo autorov:

Dopĺňanie glykogénu počas bdenia by bolo neprispôsobivé, pretože by narušilo schopnosť organizmu spracovávať zmyslové podnety a reagovať na ne. Spánok sa preto vyvinul ako stav, keď sa zvieratá utiahnu do bezpečného prostredia, správanie je potlačené a zásoby glykogénu sa dopĺňajú.


Z toho, čo som sa naučil, existujú dve teórie na odpoveď na túto otázku:

  1. Obnova - telo si potrebuje oddýchnuť, aby sa obnovil metabolizmus (ak je zviera aktívne 24 hodín denne, 7 dní v týždni, neustále spotrebuje veľa energie a metabolizmu). Ukázalo sa, že myši, ktoré chvíľu nespali, majú oslabený imunitný systém.

  2. Zachovanie – predpokladá sa, že spánok poskytuje výhodu prežitia. Noc je nebezpečná doba, takže spánok akosi „núti“ zviera ležať na pár hodín nízko.


Prečo spánok pretrváva, je pomerne jednoduché, prečo je potrebný, nie je známe.

Zdá sa, že spánok je nevyhnutný v každom organizme s mozgom, teda v čomkoľvek s akoukoľvek koncentráciou neurónov. Vtedy bolo odmietnuté, že organizmy umierajú. Takže všetko, čo sa musí stať, je, že výhody mozgu prevážia náklady na spánok.

Dĺžka potrebného spánku koreluje s veľkosťou mozgu, prinajmenšom REM časť spánku ostatné časti korelujú s rýchlosťou metabolizmu. Teraz to môže byť zdanlivo zmätené vo väčších komplexných mozgoch (najmä vtákov a cicavcov), keď organizmy začnú skladať mozog, aby zvýšili hustotu neurónov bez toho, aby sa zväčšila celková veľkosť. V tomto prípade tieto organizmy zväčšujú „veľkosť“ mozgu bez toho, aby sa mozog zväčšoval, zvyšovaním hustoty. Horšie je, že niektoré organizmy "spia" dlhú dobu, ale len krátka časť tohto času zahŕňa nervovú aktivitu spojenú so spánkom (ako REM), spánok u zložitejších zvierat (tie s veľmi veľkým komplexným mozgom) obsahuje mnoho funkcií.

V organizmoch s malým mozgom a pomalým metabolizmom (aka prvé veci s mozgom) spánok netrvá príliš dlho, takže náklady sú minimálne, prínosy mozgu (a teda učenia) môžu byť vysoké. Neskôr, keď sa mozgy zväčšia, náklady sa zvýšia, ale aj prínos, ak by bolo možné zachovať mozog bez potreby spánku, mal by byť vybraný v tejto fáze. Takže s najväčšou pravdepodobnosťou je potreba spánku niečím zásadným pre fungovanie neurónov a nemožno ju zmeniť bez vážneho narušenia ich funkcie. Nie je nezvyčajné, že sa nepriaznivé veci evolučne zablokujú týmto spôsobom, náklady na ich zmenu (v tomto prípade strata mozgových funkcií) sú oveľa vyššie ako náklady na spánok, takže selekcia ich drží okolo.

Teraz zložitosť spánku dáva zmysel, ak už máte toto požadované obdobie prestojov, z evolučného hľadiska dáva zmysel venovať sa čomukoľvek inému, čo by bolo najlepšie urobiť počas uvedeného času. Je lepšie použiť spúšťače a čas na existujúce prestojové aktivity pre všetky ostatné, ktoré sa pridajú, potom budú mať prestoje ešte viac. Takže teraz máme množstvo mätúcich faktorov, ktoré zahmlievajú štúdie a sťažujú určenie, ktoré časti sú nevyhnutné.

Nevieme, prečo je spánok potrebný, existuje veľa nápadov, ale nie veľa dôkazov. Vzhľadom na zložitosť spánku to nie je prekvapujúce, ale nie je ľahké zistiť, ktoré funkcie sú základné. V súčasnosti sa prikláňa k tomu, že je potrebné odstraňovať metabolity, ktoré narúšajú nervové funkcie, zdá sa, že tento proces je pre mozog veľmi rušivý, ak je mozog v bdelom stave, a to do tej miery, že jednoduché vypnutie mozgovej aktivity (najmä pohybu) je oveľa bezpečnejšie. pre organizmus. Ale ako pri všetkých výskumoch, toto je veľmi predbežné a spánok nie je dobre pochopený, takže prijatie je a malo by byť veľmi predbežné.


Koevolúcia

V biológii, koevolúcia nastáva, keď dva alebo viac druhov recipročne ovplyvňujú evolúciu toho druhého prostredníctvom procesu prirodzeného výberu. Termín sa niekedy používa pre dva znaky toho istého druhu, ktoré sa navzájom ovplyvňujú pri evolúcii, ako aj koevolúcii génovej kultúry.

Charles Darwin spomenul evolučné interakcie medzi kvitnúcimi rastlinami a hmyzom v O pôvode druhov (1859). Hoci nepoužil slovo koevolúcia, naznačil, ako by sa rastliny a hmyz mohli vyvíjať prostredníctvom recipročných evolučných zmien. Prírodovedci na konci 19. storočia študovali ďalšie príklady toho, ako by interakcie medzi druhmi mohli viesť k recipročnej evolučnej zmene. Začiatkom štyridsiatych rokov minulého storočia vyvinuli patológovia rastlín šľachtiteľské programy, ktoré boli príkladmi koevolúcie vyvolanej človekom. Vývoj nových odrôd plodín, ktoré boli odolné voči niektorým chorobám, uprednostňoval rýchlu evolúciu v populáciách patogénov, aby sa prekonala táto obrana rastlín. To si zase vyžiadalo vývoj ešte nových odolných odrôd plodín, čo vedie k neustálemu cyklu vzájomného vývoja plodín a chorôb, ktorý pokračuje dodnes.

Koevolúcia ako hlavná téma pre štúdium v ​​prírode sa rýchlo rozšírila po polovici 60. rokov, keď Daniel H. Janzen ukázal koevolúciu medzi akáciami a mravcami (pozri nižšie) a Paul R. Ehrlich a Peter H. Raven navrhli, ako môže koevolúcia medzi rastlinami a motýľmi prebiehať prispeli k diverzifikácii druhov v oboch skupinách. Teoretické základy koevolúcie sú teraz dobre rozvinuté (napríklad geografická mozaiková teória koevolúcie) a demonštrujú, že koevolúcia môže hrať dôležitú úlohu pri riadení hlavných evolučných prechodov, ako je vývoj sexuálnej reprodukcie alebo posuny v ploidii. [2] [3] Nedávno sa tiež preukázalo, že koevolúcia môže ovplyvniť štruktúru a funkciu ekologických spoločenstiev, evolúciu skupín mutualistov, ako sú rastliny a ich opeľovače, a dynamiku infekčných chorôb. [2] [4]

Každá strana v koevolučnom vzťahu vyvíja na druhú stranu selektívny tlak, čím si navzájom ovplyvňuje evolúciu. Koevolúcia zahŕňa mnoho foriem vzájomnosti, vzťahov medzi hostiteľom a parazitom a predátorom a korisťou, ako aj konkurenciu v rámci alebo medzi druhmi. V mnohých prípadoch selektívne tlaky vedú k evolučným pretekom v zbrojení medzi príslušnými druhmi. Párovo alebo špecifická koevolúcia, medzi presne dvoma druhmi, nie je jedinou možnosťou v viacdruhová koevolúcia, ktorý sa niekedy nazýva cechu alebo difúzna koevolúciau niekoľkých až mnohých druhov sa môže vyvinúť znak alebo skupina znakov v reciprocite so súborom znakov iného druhu, ako sa to stalo medzi kvitnúcimi rastlinami a opeľujúcim hmyzom, ako sú včely, muchy a chrobáky. Existuje súbor špecifických hypotéz o mechanizmoch, ktorými sa skupiny druhov navzájom vyvíjajú. [5]

Koevolúcia je primárne biologický koncept, ale výskumníci ho analogicky aplikovali na oblasti, ako je počítačová veda, sociológia a astronómia.


Obsah

Spánok sa môže riadiť fyziologickou alebo behaviorálnou definíciou. Vo fyziologickom zmysle je spánok stav charakterizovaný reverzibilným bezvedomím, špeciálnymi vzormi mozgových vĺn, sporadickým pohybom očí, stratou svalového tonusu (možno s niektorými výnimkami, pozri nižšie, pokiaľ ide o spánok vtákov a vodných cicavcov) a kompenzačným zvýšením po deprivácii. stavu, tento posledný známy ako spánková homeostáza (tj čím dlhšie trvá bdelý stav, tým väčšia je intenzita a trvanie spánkového stavu). [1] V behaviorálnom zmysle je spánok charakterizovaný minimálnym pohybom, nereagovaním na vonkajšie podnety (t. j. zvýšeným zmyslovým prahom), zaujatím typického držania tela a obsadením chráneného miesta, čo všetko sa zvyčajne opakuje na na 24-hodinovom základe. [2] Fyziologická definícia sa dobre vzťahuje na vtáky a cicavce, ale u iných zvierat (ktorých mozog nie je taký zložitý) sa častejšie používa behaviorálna definícia. U veľmi jednoduchých zvierat sú behaviorálne definície spánku jediné možné, a dokonca ani potom behaviorálny repertoár zvieraťa nemusí byť dostatočne rozsiahly, aby umožnil rozlíšenie medzi spánkom a bdelosťou. [3] Spánok je rýchlo reverzibilný, na rozdiel od hibernácie alebo kómy a po spánkovej deprivácii nasleduje dlhší alebo hlbší odrazový spánok.

Ak by spánok nebol nevyhnutný, dalo by sa očakávať, že nájdete:

  • Živočíšne druhy, ktoré vôbec nespia
  • Zvieratá, ktoré nepotrebujú regeneračný spánok po tom, čo zostanú hore dlhšie ako zvyčajne
  • Zvieratá, ktoré netrpia žiadnymi vážnymi následkami v dôsledku nedostatku spánku

Okrem niekoľkých základných zvierat, ktoré nemajú mozog alebo ho majú veľmi jednoduchý, sa dodnes nenašli žiadne zvieratá, ktoré by spĺňali ktorékoľvek z týchto kritérií. [4] Zatiaľ čo niektoré druhy žralokov, ako napríklad veľké biele a kladivohlavé, musia zostať neustále v pohybe, aby preniesli okysličenú vodu cez žiabre, je možné, že stále spia jednu mozgovú hemisféru naraz, ako to robia morské cicavce. Zostáva však definitívne ukázať, či je nejaká ryba schopná unihemisférického spánku. [ potrebná citácia ]

Zdá sa, že spánok ako fenomén má veľmi staré evolučné korene. Jednobunkové organizmy nemusia nevyhnutne „spať“, hoci mnohé z nich majú výrazné cirkadiánne rytmy. Medúza Cassiopea patrí medzi najprimitívnejšie organizmy, u ktorých boli pozorované stavy podobné spánku. [6] Pozorovanie stavov spánku u medúzy poskytuje dôkaz, že stavy spánku nevyžadujú, aby zviera malo mozog alebo centrálny nervový systém. [7] Háďatka C. elegans je ďalší primitívny organizmus, ktorý zrejme vyžaduje spánok. Tu, a letargia fáza sa vyskytuje v krátkych obdobiach pred každým moultom, čo môže naznačovať, že spánok je primitívne spojený s vývojovými procesmi. Raizen a kol.'Výsledky [8] ďalej naznačujú, že spánok je nevyhnutný pre zmeny v nervovom systéme.

Elektrofyziologické štúdium spánku u malých bezstavovcov je komplikované. Hmyz prechádza cirkadiánnymi rytmami aktivity a pasivity, ale zdá sa, že niektorí nemajú potrebu homeostatického spánku. Zdá sa, že hmyz nevykazuje REM spánok. Zdá sa však, že ovocné mušky spia a systematické narúšanie tohto stavu vedie ku kognitívnym poruchám. [9] Existuje niekoľko metód merania kognitívnych funkcií u ovocných mušiek. Bežnou metódou je nechať muchy vybrať si, či chcú letieť cez tunel, ktorý vedie k zdroju svetla, alebo cez tmavý tunel. Normálne muchy priťahuje svetlo. Ale ak je cukor umiestnený na konci tmavého tunela a niečo, čo muchy nemajú radi, je umiestnené na konci svetelného tunela, muchy sa nakoniec naučia lietať smerom k tme a nie k svetlu. Muchy zbavené spánku vyžadujú dlhší čas, aby sa to naučili a tiež rýchlejšie zabudli. Ak je článkonožec experimentálne udržiavaný v bdelom stave dlhšie, ako je zvyknutý, predĺži sa jeho nadchádzajúca doba odpočinku. U švábov je obdobie odpočinku charakterizované sklopením tykadiel a zníženou citlivosťou na vonkajšie podnety. [10] Spánok bol opísaný aj u rakov, ktoré sa vyznačujú pasivitou a zvýšenými prahovými hodnotami pre zmyslové podnety, ako aj zmenami v obrazci EEG, ktoré sa výrazne líšia od vzorcov nájdených u rakov, keď sú bdelé. [11] U včiel sa ukázalo, že spánok využívajú na ukladanie dlhodobých spomienok. [12]

Spánok rýb je predmetom súčasného vedeckého výskumu. [13] [14] Ryby zvyčajne vykazujú obdobia nečinnosti, ale nevykazujú žiadne významné reakcie na zbavenie sa tohto stavu. Niektoré druhy, ktoré vždy žijú v húfoch alebo neustále plávajú (napríklad kvôli potrebe vetrania žiabrov), sú podozrivé, že nikdy nespia. [15] Pochybnosti sú aj o určitých slepých druhoch, ktoré žijú v jaskyniach. [16] Zdá sa však, že iné ryby spia. Napríklad zebrička, [17] tilapia, [18] lieň, [19] vranka hnedá, [20] a žralok nafúknutý [21] sa v noci (alebo cez deň v prípade žraloka nafúknutého) stávajú nehybnými a nereagujú. prasa a vráskavca modrohlavého možno dokonca zdvihnúť rukou až na hladinu bez toho, aby vyvolali odozvu. [22] Pozorovacia štúdia z roku 1961 na približne 200 druhoch v európskych verejných akváriách zaznamenala mnoho prípadov zjavného spánku. [23] Na druhej strane, spánkový režim sa ľahko naruší a môže dokonca zmiznúť počas obdobia migrácie, trenia a rodičovskej starostlivosti. [24]

Cicavce, vtáky a plazy sa vyvinuli z amniotických predkov, prvých stavovcov so životným cyklom nezávislým od vody. Skutočnosť, že vtáky a cicavce sú jediné známe zvieratá, ktoré vykazujú REM a NREM spánok, naznačuje spoločnú črtu pred divergenciou. [25] Nedávne dôkazy o spánku podobnom REM u rýb však naznačujú, že k tejto divergencii mohlo dôjsť oveľa skôr, ako sa pôvodne predpokladalo. [26] Až do tohto bodu boli plazy považované za najlogickejšiu skupinu na skúmanie pôvodu spánku. Denná aktivita u plazov sa strieda medzi vyhrievaním sa a krátkymi záchvatmi aktívneho správania, ktoré má významné neurologické a fyziologické podobnosti so stavmi spánku u cicavcov. Predpokladá sa, že REM spánok sa vyvinul z krátkych záchvatov motorickej aktivity u plazov, zatiaľ čo spánok s pomalými vlnami (SWS) sa vyvinul z ich vyhrievacieho stavu, ktorý vykazuje podobné vzory EEG s pomalými vlnami. [27]

Plazy majú pokojné obdobia podobné spánku cicavcov a pokles elektrickej aktivity v mozgu bol zaznamenaný, keď zvieratá spali. Vzor EEG v spánku plazov sa však líši od toho, čo je vidieť u cicavcov a iných zvierat. [3] U plazov sa doba spánku po deprivácii spánku predlžuje a na prebudenie zvierat, keď im chýba spánok, sú potrebné silnejšie stimuly v porovnaní s tým, keď spali normálne. To naznačuje, že spánok, ktorý nasleduje po deprivácii, je kompenzačne hlbší. [28]

V roku 2016 štúdia [29] uviedla existenciu štádií spánku podobných REM a NREM u austrálskeho draka. Pogona vitticeps. Obojživelníky majú obdobia nečinnosti, ale v tomto stave vykazujú vysokú bdelosť (vnímavosť na potenciálne ohrozujúce podnety).

Medzi spánkom vtákov a spánkom cicavcov existujú značné podobnosti, [30] čo je jedným z dôvodov myšlienky, že spánok u vyšších živočíchov s jeho rozdelením na REM a NREM spánok sa vyvinul spolu s teplokrvnosťou. [31] Vtáky kompenzujú stratu spánku podobným spôsobom ako cicavce hlbším alebo intenzívnejším spánkom s pomalými vlnami (SWS). [32]

Vtáky majú spánok REM aj NREM a EEG obrazce oboch majú podobnosť s obrazmi cicavcov. Rôzne vtáky spia rôzne množstvá, ale asociácie pozorované u cicavcov medzi spánkom a premennými, ako je telesná hmotnosť, mozgová hmota, relatívna mozgová hmota, bazálny metabolizmus a iné faktory (pozri nižšie), sa u vtákov nenachádzajú. Jediným jasným vysvetľujúcim faktorom pre rozdiely v množstve spánku pre vtáky rôznych druhov je, že vtáky, ktoré spia v prostrediach, kde sú vystavené predátorom, majú menej hlboký spánok ako vtáky spiace vo viac chránených prostrediach. [33]

Vtáky nemusia nevyhnutne vykazovať spánkový dlh, ale zvláštnosť, ktorú majú vtáky spoločné s vodnými cicavcami a možno aj s určitými druhmi jašteríc (názory na tento posledný bod sa líšia [ potrebné objasnenie ]), je schopnosť unihemisférického spánku. To je schopnosť spať s jednou mozgovou hemisférou súčasne, zatiaľ čo druhá hemisféra je bdelá (unihemisférický spánok s pomalými vlnami). [34] Keď spí len jedna hemisféra, zatvorí sa iba kontralaterálne oko, to znamená, že keď spí pravá hemisféra, zatvorí sa ľavé oko a naopak. [35] Rozloženie spánku medzi dvoma hemisférami a množstvo unihemisférického spánku sú určené jednak tým, ktorá časť mozgu bola najaktívnejšia počas predchádzajúceho obdobia bdenia [36] — táto časť bude spať najhlbšie — a to určuje aj riziko útokov predátorov. Kačice v blízkosti obvodu kŕdľa sú pravdepodobne tie, ktoré ako prvé zaznamenajú útoky predátorov. Tieto kačice majú výrazne viac unihemisférického spánku ako tie, ktoré spia uprostred kŕdľa, a reagujú na hrozivé podnety videné otvoreným okom. [37]

Názory na spánok sťahovavých vtákov sa čiastočne líšia. [ potrebná citácia ] Kontroverzia je hlavne o tom, či môžu počas letu spať alebo nie. [ potrebná citácia ] Teoreticky by určité typy spánku mohli byť možné počas lietania, ale technické ťažkosti vylučujú zaznamenávanie mozgovej aktivity u vtákov počas letu.

Cicavce majú širokú škálu fenoménov spánku. Vo všeobecnosti prechádzajú obdobiami striedania non-REM a REM spánku, ktoré sa však prejavujú odlišne. Kone a iné bylinožravé kopytníky môžu spať v stoji, ale na krátky čas si musia nevyhnutne ľahnúť na REM spánok (ktorý spôsobuje svalovú atóniu). Napríklad žirafám stačí ľahnúť si na REM spánok na niekoľko minút. Netopiere spia, keď visia hore nohami. Samce pásavcov dosahujú erekcie počas non-REM spánku a opak je pravdou u potkanov. [38] Skoré cicavce sa zaoberali polyfázickým spánkom, ktorý rozdeľoval spánok do viacerých záchvatov za deň. Vyššie denné kvóty spánku a kratšie spánkové cykly u polyfázických druhov v porovnaní s monofázickými druhmi naznačujú, že polyfázický spánok môže byť menej účinným prostriedkom na dosiahnutie výhod spánku. Malé druhy s vyššou bazálnou metabolickou rýchlosťou (BMR) môžu mať preto menej efektívny spánok. Z toho vyplýva, že vývoj monofázového spánku môže byť doteraz neznámou výhodou vývoja väčších veľkostí tela cicavcov, a teda nižšej BMR. [39]

Niekedy sa predpokladá, že spánok pomáha šetriť energiu, hoci táto teória nie je úplne dostatočná, pretože znižuje metabolizmus len o 5–10 %. [40] [41] Okrem toho sa zistilo, že cicavce vyžadujú spánok dokonca aj počas hypometabolického stavu hibernácie, pričom za týchto okolností ide v skutočnosti o čistú stratu energie, keď sa zviera vracia z hypotermie do eutermie, aby zaspalo. [42]

Nočné zvieratá majú počas noci vyššiu telesnú teplotu, väčšiu aktivitu, stúpajúci serotonín a klesajúci kortizol – opak denných zvierat. Nočné a denné zvieratá oboje majú zvýšenú elektrickú aktivitu v suprachiazmatickom jadre a zodpovedajúcu sekréciu melatonínu z epifýzy v noci. [43] Nočné cicavce, ktoré majú tendenciu bdieť v noci, majú v noci vyšší melatonín rovnako ako denné cicavce. [44] A hoci odstránenie epifýzy u mnohých zvierat ruší rytmy melatonínu, cirkadiánne rytmy to úplne nezastaví – hoci ich to môže zmeniť a oslabiť ich schopnosť reagovať na svetelné signály. [45] Hladiny kortizolu u denných zvierat zvyčajne stúpajú počas noci, vrcholia v čase prebudenia a počas dňa klesajú. [46] [47] U denných zvierat sa ospalosť zvyšuje počas noci.

Úprava trvania

Rôzne cicavce spia rôzne dlho. Niektoré, ako napríklad netopiere, spia 18–20 hodín denne, zatiaľ čo iné, vrátane žiráf, spia len 3–4 hodiny denne. Aj medzi blízko príbuznými druhmi môžu byť veľké rozdiely. Môžu existovať aj rozdiely medzi laboratórnymi a terénnymi štúdiami: napríklad výskumníci v roku 1983 uviedli, že leňochy v zajatí spali takmer 16 hodín denne, ale v roku 2008, keď boli vyvinuté miniatúrne neurofyziologické záznamníky, ktoré by sa dali pripevniť na voľne žijúce zvieratá, boli leňochy v prírode zistilo sa, že spí len 9,6 hodiny denne. [48]

Rovnako ako u vtákov, hlavným pravidlom pre cicavce (až na určité výnimky, pozri nižšie) je, že majú dve v podstate odlišné štádiá spánku: REM a NREM spánok (pozri vyššie). Stravovacie návyky cicavcov súvisia s dĺžkou spánku. Denná potreba spánku je najvyššia u mäsožravcov, nižšia u všežravcov a najnižšia u bylinožravcov. Ľudia spia menej ako mnoho iných všežravcov, ale inak nie nezvyčajne veľa alebo nezvyčajne málo v porovnaní s inými cicavcami. [49]

Mnoho bylinožravcov, ako napríklad Ruminantia (napríklad hovädzí dobytok), trávi väčšinu času bdenia v stave ospalosti, [ potrebné ďalšie vysvetlenie ], čo by mohlo čiastočne vysvetliť ich relatívne nízku potrebu spánku. U bylinožravcov je zrejmá inverzná korelácia medzi telesnou hmotnosťou a dĺžkou spánku veľké cicavce spia menej ako menšie. Predpokladá sa, že táto korelácia vysvetľuje asi 25 % rozdielu v množstve spánku medzi rôznymi cicavcami. [49] Dĺžka konkrétneho spánkového cyklu je tiež spojená s priemernou veľkosťou zvieraťa, väčšie zvieratá budú mať spánkové cykly dlhšie ako menšie zvieratá. Množstvo spánku je tiež spojené s faktormi, ako je bazálny metabolizmus, mozgová hmota a relatívna mozgová hmota. [ potrebná citácia ] Trvanie spánku medzi druhmi tiež priamo súvisí s BMR. Potkany, ktoré majú vysoké BMR, spia až 14 hodín denne, zatiaľ čo slony a žirafy, ktoré majú nižšie BMR, spia len 2–4 hodiny denne. [50]

Predpokladá sa, že druhy cicavcov, ktoré investujú do dlhšieho času spánku, investujú do imunitného systému, pretože druhy s dlhším časom spánku majú vyšší počet bielych krviniek. [51] Cicavce narodené s dobre vyvinutými regulačnými systémami, ako sú kôň a žirafa, majú tendenciu mať menej REM spánku ako druhy, ktoré sú pri narodení menej vyvinuté, ako sú mačky a potkany. [52] Zdá sa, že to odráža väčšiu potrebu REM spánku u novorodencov ako u dospelých u väčšiny druhov cicavcov. Mnoho cicavcov spí veľkú časť každých 24 hodín, keď sú veľmi mladé. [53] Žirafa spí len 2 hodiny denne počas asi 5-15 minútových sedení. Koaly sú najdlhšie spiace cicavce, približne 20-22 hodín denne. Kosatky a niektoré ďalšie delfíny však počas prvého mesiaca života nespia. [54] Namiesto toho mladé delfíny a veľryby často odpočívajú tak, že svoje telo pritláčajú k telu svojej matky, keď pláva. Keď matka pláva, drží svoje potomstvo nad vodou, aby sa zabránilo utopeniu. To umožňuje mladým delfínom a veľrybám odpočívať, čo pomôže udržať ich imunitný systém zdravý a ochráni ich pred chorobami. [55] V tomto období matky často obetujú spánok na ochranu svojich mláďat pred predátormi. Na rozdiel od iných cicavcov sú však dospelé delfíny a veľryby schopné vydržať mesiac bez spánku. [55] [56]

Porovnávacie priemerné doby spánku pre rôzne cicavce (v zajatí) počas 24 hodín [ potrebná citácia ]

    – 2 hodiny [57] – 3+ hodiny [50] – 4,0 hodiny – 4,5 hodiny – 8,0 hodiny – 8,4 hodiny – 9,7 hodiny – 9,8 hodiny – 10,1 hodiny – 15,8 hodiny – 12,5 hodiny – 12,5 hodiny – 13,5 hodiny – 14 hodín – 15 hodín – 18,1 hodín – 18 hodín denne – 19,9 hodín

Medzi dôvody, ktoré sa uvádzajú pre veľké variácie, patrí skutočnosť, že cicavce, „ktoré si zdriemnu v úkryte, ako sú netopiere alebo hlodavce, majú tendenciu dlhšie a hlbšie driemať ako tie, ktoré sú neustále v pohotovosti“. Levy, ktoré sa predátorov veľmi neboja, majú tiež relatívne dlhé obdobia spánku, zatiaľ čo slony musia väčšinu času jesť, aby podporili svoje obrovské telá. Malé hnedé netopiere si šetria energiu okrem niekoľkých hodín každú noc, keď je ich hmyzia korisť k dispozícii, a ptakopysky jedia vysokoenergetickú potravu kôrovcov, a preto pravdepodobne nepotrebujú tráviť toľko času bdelým ako mnohé iné cicavce. [58]

Hlodavce Edit

Štúdia vykonaná Dattom nepriamo podporuje myšlienku, že pamäť prospieva spánku. [59] Bol skonštruovaný box, v ktorom sa jeden potkan mohol voľne pohybovať z jedného konca na druhý. Dno boxu bolo vyrobené z oceľového roštu. V krabici by svietilo svetlo sprevádzané zvukom. Po päťsekundovom oneskorení by došlo k zásahu elektrickým prúdom. Akonáhle šok začal, potkan sa mohol presunúť na druhý koniec boxu, čím sa šok okamžite skončil. Potkan mohol tiež využiť päťsekundové oneskorenie na presun na druhý koniec boxu a úplne sa vyhnúť šoku. Dĺžka šoku nikdy nepresiahla päť sekúnd. Toto sa opakovalo 30-krát pre polovicu potkanov. Druhá polovica, kontrolná skupina, bola zaradená do rovnakého pokusu, ale potkany boli šokované bez ohľadu na ich reakciu. Po každom tréningu sa potkan umiestnil do záznamovej klietky na šesť hodín polygrafických záznamov. Tento proces sa opakoval tri po sebe nasledujúce dni. Počas sedenia zaznamenávania spánku po skúške strávili potkany o 25,47 % viac času v REM spánku po skúškach učenia ako po kontrolných skúškach. [59]

Pozorovaním štúdie Datta je, že učiaca sa skupina strávila o 180 % viac času v SWS ako kontrolná skupina počas relácie zaznamenávania spánku po skončení skúšky. [60] Táto štúdia ukazuje, že po aktivite priestorového prieskumu sa vzory buniek hippocampu reaktivujú počas SWS po experimente. Potkany boli vedené cez lineárnu dráhu s použitím odmien na oboch koncoch. Potkany sa potom umiestnili na dráhu na 30 minút, aby sa mohli prispôsobiť (PRE), potom bežali dráhu s tréningom založeným na odmene po dobu 30 minút (RUN) a potom sa nechali 30 minút odpočívať.

Počas každého z týchto troch období sa zbierali údaje EEG pre informácie o štádiách spánku potkanov. Priemerné rýchlosti spustenia buniek hippocampu počas SWS pred správaním (PRE) a troch desaťminútových intervalov pri SWS po správaní (POST) sa vypočítali spriemerovaním z 22 relácií behania na dráhe od siedmich potkanov. Výsledky ukázali, že desať minút po skúšobnej relácii RUN došlo k 12 % zvýšeniu priemernej rýchlosti vystreľovania buniek hipokampu oproti úrovni PRE. Po 20 minútach sa stredná rýchlosť streľby rýchlo vrátila k úrovni PRE. Zvýšené spaľovanie buniek hipokampu počas SWS po priestorovom prieskume by mohlo vysvetliť, prečo v štúdii Datta boli zvýšené hladiny spánku s pomalými vlnami, pretože sa zaoberala aj formou priestorového prieskumu.

U potkanov spôsobuje nedostatok spánku stratu hmotnosti a zníženie telesnej teploty. U potkanov, ktorí sú bdelí na dobu neurčitú, sa vyvinú kožné lézie, hyperfágia, strata telesnej hmoty, hypotermia a nakoniec smrteľná sepsa. [61] Nedostatok spánku tiež bráni hojeniu popálenín u potkanov. [62] V porovnaní s kontrolnou skupinou krvné testy potkanov s nedostatkom spánku ukázali 20% zníženie počtu bielych krviniek, čo je významná zmena v imunitnom systéme. [63]

Štúdia z roku 2014 zistila, že nedostatok spánku myší zvýšil rast rakoviny a utlmil schopnosť imunitného systému kontrolovať rakovinu. Výskumníci našli vyššie hladiny makrofágov spojených s nádorom M2 a molekúl TLR4 u myší bez spánku a navrhli to ako mechanizmus zvýšenej náchylnosti myší na rast rakoviny. M2 bunky potláčajú imunitný systém a podporujú rast nádorov. Molekuly TRL4 sú signálne molekuly pri aktivácii imunitného systému. [64]

Monotremes Edit

Keďže monotrémy (cicavce znášajúce vajíčka) sa považujú za jednu z evolučne najstarších skupín cicavcov, sú predmetom osobitného záujmu o štúdium spánku cicavcov. Keďže skoré štúdie na týchto zvieratách nedokázali nájsť jasné dôkazy o REM spánku, pôvodne sa predpokladalo, že takýto spánok neexistuje v monotrémach, ale vyvinul sa potom, čo sa monotrémy oddelili od zvyšku evolučnej línie cicavcov a stali sa samostatným, odlišným skupina. EEG záznamy mozgového kmeňa u monotrémov však ukazujú vzor streľby, ktorý je celkom podobný vzorom pozorovaným v REM spánku u vyšších cicavcov. [65] [66] V skutočnosti najväčšie množstvo REM spánku známeho u akéhokoľvek zvieraťa sa nachádza v platypus. [67] REM elektrická aktivácia sa u platypodov vôbec netýka predného mozgu, čo naznačuje, že nesnívajú. Priemerný čas spánku ptakopyska v 24-hodinovom období je údajne až 14 hodín, hoci to môže byť spôsobené ich vysokokalorickou stravou kôrovcov. [58]

Vodné cicavce Edit

Dôsledky upadnutia do hlbokého spánku pre druhy morských cicavcov môžu byť udusenie a utopenie, prípadne sa môžu stať ľahkou korisťou predátorov. Delfíny, veľryby a plutvonožce (tulene) sa teda pri plávaní zapájajú do jednohemisférického spánku, čo umožňuje, aby jedna mozgová hemisféra zostala plne funkčná, zatiaľ čo druhá uspávala. Strieda sa hemisféra, ktorá spí, takže obe hemisféry môžu byť plne oddýchnuté. [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 f(s) = max ss, is a decreasing function of s. This way, if an organism is sleeping (low s) 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 f(s) = 1 − cos ρ. We continue to assume that birth rates are unaffected by sleep. In this instance, we denote the associated fitness by r2v 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 f(s) = s. 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 s(ρ) = 1 − cos ρ. We let the fitness under these conditions be given by r2s, which is found to be (21) Clearly, for almost all t 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 Homo erectus, 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.


Inštitút pre výskum stvorenia

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. prečo? 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 Evolúcia. 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 a 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 Veda 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. Niektorí odborníci skôr tvrdia, že psy možno využili medzeru, ktorú objavili v ranej ľudskej spoločnosti, a prinútili ľudí, aby ich vzali z chladu.


Pozri si video: 15 Trucuri De SUPRAVIETUIRE Care De Fapt Te Pot UCIDE (August 2022).