水母和海葵為什么要睡覺？不止恢復體力那么簡單 |海潮天下·前沿

本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

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睡眠是每個人生活中的必需品，它不僅能幫助我們恢復體力，還在神經系統和細胞健康方面扮演著至關重要的角色。那么，睡眠，究竟是如何演化出來的？它為什么會成為幾乎所有動物，尤其是擁有神經系統的動物，如水母、海葵等，必不可少的行為？

這個問題關乎人類健康，也長期困擾著生物學家們。最近，一項最新的研究對這一問題進行了深入探討，揭示了睡眠如何幫助這些看似簡單的水生動物修復DNA損傷，甚至可能在睡眠演化的早期起到關鍵作用。

仙后水母的睡眠——白天活躍，夜晚修復

在自然界中，仙后水母（Cassiopea andromeda）是一種非常特殊的生物。它生活在淺水區域，通常與光合作用的單細胞藻類共生，白天它們活躍，利用陽光獲得能量；而到了夜晚，它們的活動則明顯減少，進入休息狀態。這種水母的睡眠狀態，一直是科學家們研究的對象。

▲上圖：仙后水母。攝影師：Raimond Spekking（CC BY-SA 4.0）

科學家們用紅外攝像頭，仔細監測仙后水母的行為，發現它們在夜間的活動頻率明顯低于白天。具體來說，仙后水母的“脈動”頻率——即水母傘蓋的擴張和收縮頻率——在白天為36.4次/分鐘，而在夜間為31.9次/分鐘，顯示出典型的晝夜節律。

為了更準確地界定睡眠，研究人員給水母施加光刺激，來測試其反應能力。結果他們發現，當水母的脈動頻率低于每分鐘37次，且維持超過三分鐘時，它們對刺激的反應顯著減慢，這標志著它們已進入了睡眠狀態。

在實驗室條件下，仙后水母的睡眠模式表現為晚上睡眠時間較長（約63.7%），而白天的睡眠時間則較短（45.3%）。更為有趣的是，研究還發現，仙后水母不僅僅在夜間休息，它們在中午時分也會進行短暫的小睡，這一點與人類的午休類似。通過這種規律性的睡眠，水母能夠更好地恢復體力，并修復白天積累的細胞損傷，尤其是DNA損傷。

星狀海葵的睡眠，在黃昏時

在這個研究中，另一種研究對象是星狀海葵（Nematostella vectensis）。

它們的生活方式跟仙后水母有很大的不同。星狀海葵主要在黃昏和夜晚活動，因此，它們被認為是“黃昏型”動物。在仔細觀察了海葵的行為后，研究人員發現它們的睡眠模式也存在晝夜節律，并且受到生物鐘和體內穩態的雙重調控。

星狀海葵，也翻譯為小星海葵，是一種屬于刺胞動物門的模式生物，廣泛應用于進化發育生物學和基因組學研究。它呈半透明的蠕蟲狀，擁有中心口部及周圍的一圈觸手，常棲息于沿海鹽沼的泥沙中。由于其基因組序列與人類等脊椎動物具有顯著的保守性，科學家常用它來探究生命演化早期關于神經系統發育、組織再生以及睡眠修復DNA損傷等基礎生物學機制。上圖來自史密森尼環境研究中心（CC BY-SA 2.0）

在這項研究中，研究人員使用紅外攝像頭監測了18只星狀海葵的行為，并對其活動進行量化。他們發現，海葵在黃昏（ZT6-ZT18）時段活動最為頻繁，而在黎明（ZT18-ZT6）時段則活動減少，進入了休息狀態。

為了進一步確認星狀海葵的睡眠狀態，研究人員給它們施加了不同強度的光刺激，并觀察它們的反應時間。結果顯示，經過8分鐘的安靜期后，海葵的反應速度明顯變慢，這表明它們處于一種睡眠狀態。

不僅如此，研究人員還發現，星狀海葵的睡眠與仙后水母相似，睡眠時也能有效減輕DNA損傷。無論是暴露于自然環境中的光線變化，還是人為的光暗轉換，都會影響星狀海葵的睡眠，進而幫助它們修復DNA損傷。進一步的實驗表明，睡眠喪失會導致海葵的DNA損傷增加，而恢復睡眠后，DNA損傷得以修復。

▲上圖：睡眠減少刺胞動物神經元的DNA損傷。實驗記錄了兩類物種在光暗周期下的睡眠模式（圖a-d），并利用免疫熒光技術觀察其神經元核內代表DNA損傷的γH2AX焦點（圖e-h）。結果顯示，在正常睡眠期間，神經元中的DNA損傷水平顯著下降；而一旦進行睡眠剝奪（SD），這些生物神經元內的DNA損傷則會大幅累積（圖i-l）。這一發現表明，即便是在進化地位較低的刺胞動物中，睡眠對維持神經系統基因組的完整性也發揮著不可或缺的作用。論文出處：Aguillon, R., Harduf, A., Sagi, D. et al.

DNA損傷與睡眠，是相互影響的

無論是仙后水母還是星狀海葵，科學家們都觀察到，睡眠不僅能恢復體力，還能修復細胞，尤其是神經元中的DNA損傷。

DNA損傷通常是在動物清醒狀態下積累的，原因包括紫外線輻射、活性氧（ROS）分子以及神經元活動中的代謝產物。由于神經元是無法分裂的細胞，因此它們尤其容易受到這種損傷的影響。而在睡眠狀態下，細胞活動減少，為DNA的修復提供了時間窗口。

科學家們通過檢測這些動物體內的DNA損傷標志物——γH2AX，發現水母和海葵在清醒期時，DNA損傷標記物的數量顯著增加，而在睡眠期時，這些損傷得到了有效的修復。此外，研究還發現，睡眠剝奪會導致DNA損傷的積累，而一旦恢復睡眠，DNA損傷的水平則會降低，表明睡眠對DNA修復至關重要。

這一發現非常重要，它表明睡眠不僅是為了恢復體力，還起到了保護基因組的作用，確保細胞功能的正常運作。特別是對于一些基礎的神經網絡結構，如水母和海葵的神經系統，睡眠可能是保護這些神經元免受外部壓力、延長其存活和功能的關鍵機制。

在研究中，科學家們還考察了紫外線（UV）對睡眠的影響。

紫外線輻射是一種強烈的DNA損傷源，而水母和海葵生活在海洋環境中，經常暴露在紫外線下。因此，研究人員在實驗中暴露了水母和海葵于UVB輻射，并觀察它們的DNA損傷水平及睡眠模式。

結果顯示，紫外線照射后，DNA損傷標志物的數量迅速增加，緊接著，水母和海葵都表現出了更強的睡眠需求，進入了更長時間的休息期。這表明，紫外線輻射通過加劇DNA損傷，可能促進了它們的睡眠需求。

原來，睡“美容”覺，真不是吹？~

對仙后水母和星狀海葵的研究，讓科學家們得出了一個令人震驚的結論：睡眠可能是為了修復DNA損傷、維持基因穩定而在動物進化過程中逐漸形成的一個關鍵機制。它不光是動物們簡單的休息、體力恢復過程；它可能是早期動物在面對外界環境壓力時，為了保護自身基因、修復DNA損傷而進化出來的。

與此同時，該研究還發現，睡眠并不依賴復雜的神經系統進行調控。即便是那些神經網絡相對簡單的生物體，它們也能夠通過睡眠修復受損的DNA，以此幫助動物在充滿挑戰的環境中生存下來，保障細胞和基因組的穩定。

感興趣的“海潮天下”（Marine Biodiversity）讀者可以參看全文：

Aguillon, R., Harduf, A., Sagi, D. et al. DNA damage modulates sleep drive in basal cnidarians with divergent chronotypes. Nat Commun 17, 3 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-025-67400-5

01

DNA損傷（DNA Damage）

DNA損傷是指DNA分子結構的改變、或破壞，通常由外界環境因素如紫外線、化學物質、輻射、氧化應激等引起。DNA損傷可能表現為單鏈斷裂、雙鏈斷裂、堿基損傷或堿基錯配等。這種損傷如果不及時修復，會影響基因的正常功能，導致細胞異常分裂、突變，甚至誘發癌癥等疾病。細胞有一系列的DNA修復機制來檢測、并修復這些損傷，以維持基因組的穩定性和細胞的正常功能。

02

自我修復（Autorepair）

自我修復（Autorepair）指的是生物體或細胞在受到損傷、或遭遇不利環境因素時，能夠自動啟動一系列內在機制，修復自身的損傷，恢復到正常狀態的過程。這種修復過程通常是借助細胞內的各種酶和蛋白質來完成的，能夠識別并修復細胞內的損傷，包括DNA損傷、蛋白質折疊錯誤、細胞膜破損等。自我修復是生物體維持生命活動和長期穩定的關鍵機制之一。

比如植物在受到機械損傷（如修剪、風吹、動物啃食）后，能夠啟動一系列自我修復機制（封鎖與覆蓋）。樹木在被砍伐或刮傷時，會生成樹皮、來封閉傷口，避免水分流失和病菌入侵。比如說，橡樹在樹皮受到損傷時，會通過不斷增加樹皮層，快速封閉傷口并啟動免疫反應，防止木材腐爛。在一些植物中，如番茄，受傷部位會激活茉莉酸等信號分子，增強局部的免疫反應。

在脊椎動物中，人類肝臟的再生能力堪稱生物學上的奇跡。肝臟作為人體內最強大的代謝器官，具備顯著的補償性增生能力。即使肝臟組織因病變、或手術被部分切除，剩余的健康肝細胞也會在24~48小時內迅速響應，進入高頻的細胞周期。雖然臨床上細胞分裂的峰值有其生理限度，但其增殖效率足以讓肝臟在術后數周內恢復到原始體積的80%以上。通常情況下，經過數月的形態優化和功能重建，肝臟就能完全恢復其復雜的生理功能。

03

脈動行為（Pulsation Behavior）

脈動行為（Pulsation Behavior）是指一些水生動物，如水母和海葵，周期性收縮和舒張體內的肌肉或觸手，產生有節律的動作。這種行為主要用于推動動物在水中運動，也可能與呼吸、食物捕捉及其他生理功能密切相關。水母借助傘狀體的收縮和放松排水推動自己前進，而海葵則通過觸手的收縮來維持位置或捕捉獵物。這個研究中，研究人員分析脈動行為，目的是精確地評估這些動物在休息或活動狀態下的行為差異、并理解它們的生理和神經調控機制。

Q1、該研究探討了睡眠在水母和海葵等簡單神經網絡動物中的作用，而這些動物的神經系統相對還是比較原始的。那么，這些沒有高度復雜大腦的動物，是如何調節睡眠與覺醒的？它們的睡眠機制與哺乳動物（如我們人類）有何異同呢？這種對比，能否為理解更高等動物睡眠的基礎機制提供新的視角？

Q2、這個研究揭示了在諸如水母、海葵等簡單生物中，睡眠與DNA修復之間的緊密聯系。基于這些發現，是否可以提出一種新的睡眠調節理論，探索如何通過調整睡眠時長、深度或周期性等參數，來在更復雜的生物體（如人類）中優化細胞修復和延緩衰老過程？特別是在抗衰老醫學領域，是否能夠借助這一原理，開發出通過調節睡眠來增強基因穩定性、或是減少衰老標志物的干預策略呢？

Q3、睡眠是否真的是物種間的普適機制，抑或只是特定物種在特定生態環境下的適應性進化產物？

本文參考資料

https://doi.org/10.1038/s41467-025-67400-5

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資訊源 | Aguillon, R., Harduf, A., Sagi, D. et al.

文 | 王海詩

排版 | 盧曉雨

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