你的DNA时刻都在断裂，只有睡够了才能修复它
图片来源：Pixabay
如果你还记得我们此前介绍过“学习会导致大脑DNA裂开”（点击阅读），那么恭喜你等到了它的续集。DNA断裂是一个正常的生理过程，但它也极具危害。如今，科学家终于找到了人类避免这种危害的方法——你我都熟悉的睡眠。也就是说，如果不好好睡觉，你也许就是在变相自杀。
如果将人比作一台依靠电池运行的机器，清醒时的学习、思考和运动等行为和安稳、平静的睡眠则分别对应着放电和充电的过程。类似于在手机上看视频、玩游戏会更快消耗电量，一些活动也会加速人体的“放电”过程，让人更需要休息。
比如当你生病时，你的免疫系统需要与一些病毒、细菌或癌细胞激烈作战；或者你为了考试和工作，脑袋需要不停歇地运转一整天；又或者是你外出活动了一整天……这些时候，你睡觉的时间往往会更长，睡眠也会更深。
当机器没有电时，它就不能继续工作；当身体放完“电”时，你也会感觉到该休息了。与机器不同的是，人体更复杂。虽然你可以在打“鸡血”后继续熬夜、连轴运转，但这一切都是有代价的。当你不愿意按时回到床上时，你的身体就正式进入深度“磨损”状态了。
图片来源：Pixabay
每个熬过夜的人可能都切身体会过这种“磨损”的代价：身心俱疲，甚至某些部位隐隐作痛，对疼痛的感知力降低，注意力无法集中……很多研究已经证实，在睡眠不足时，我们的大脑首当其冲，它会无法形成新记忆和自我清洁，导致有毒物质在大脑中富集并引发炎症，进一步导致记忆减弱、脑细胞受损。
此外，缺觉还会影响我们的生物钟、加重心血管系统的负担，肠道中也会开始堆积有害物质，从而引起炎症。这些效应都在增加人类过早死亡和寿命缩短的风险。在一些极端情况下，缺少睡眠还会直接导致死亡。看到这里，你是否有个疑问：人为什么需要那么长的睡眠时间（成年人一天应当睡至少7个小时）？或者从根本上说，人究竟为什么需要睡眠？
需要睡眠的动物
近年来，科学家发现了一个现象：不只是人，所有被研究过的、有神经系统的动物都需要睡觉，小到线虫、昆虫，大到包括人在内的各种哺乳动物。但各种动物需要的睡眠时间差异很大——大象每天只要睡2个小时，夜猴（night monkey，通常在夜间活动）却需要多达17个小时。除了睡眠时长不同，各种动物的睡觉方式也不同。一些动物睁着眼也可以睡觉，例如鸟类和海豚演化出了两个半脑交替休息的方式，可以边睡觉边活动。可惜的是，人没法做到这些。
如果这些有神经系统的动物都需要睡觉，我们可以推测，也许是神经系统中发生的某些改变，促使动物需要睡眠。近期，以色列两所大学的科学家找到了答案，并将研究成果发表在《分子细胞》（Molecular Cell）上，这一发现或许揭示了生物需要睡眠的一个普遍原因——为了修复神经活动时裂开的DNA。
图片来源：Pixabay
相比于安静的状态，在日常的活动中，或者在面对更需要脑力的学习、记忆任务或者突发情况时，大脑中的神经元需要更快地表达某些基因。为了适应各种变化，细胞不可能在冗长的DNA链上逐个找到需要表达的基因，更高效的办法是DNA双链直接断开，让大量要用到的基因先表达，并在断裂位点做好标记，过后再进行修复。除了神经元以外，人体其他细胞中的DNA也会由于各种情况出现损伤，也需要进行修复。
虽然DNA双链断裂是神经活动中一个关键且正常的过程，但如果不及时修复，这会带来很严重的后果。这种损伤也称为DNA双链断裂，是最具有细胞毒性的一种DNA损伤，通常发生在癌症、神经退化和衰老等过程中。不过，DNA双链断裂的修复过程十分复杂，需要激活多条信号通路、募集多种酶和蛋白复合体，因而需要较长的时间。
在白天，机体的活动增加，DNA的损伤也会累积，避免这些损伤的危害的唯一办法就是修复它们。但细胞在白天是没有时间的，需要将更多的资源用在其他生命活动上，最后修复工作就拖到了晚上。研究人员发现，为了能让细胞按时进行修复，随着神经元DNA损伤累积，睡眠压力（也称为恒定睡眠驱力，homeostatic sleep drive）会逐渐增加，强迫人去睡觉。在睡眠中，这种压力水平会逐渐下降、回到一个低谷，让我们醒来时感觉全身放松，充满活力。
斑马鱼也要睡觉
睡眠压力的来源有很多。如上文所述，当免疫系统、神经元和体细胞工作一段时间后，人体内有毒的代谢物和神经系统损伤都会增加，导致睡眠压力增加。在新的研究中，科学家研究了斑马鱼的睡眠活动，证实了斑马鱼在清醒时，DNA双链断裂数量会逐渐增加。
他们发现，在经过一天的活动后，斑马鱼单个神经元中DNA双链断裂位点的数量会翻倍。随后，他们给斑马鱼喂食了一种神经惊厥剂——戊四唑（可以导致神经元异常兴奋）。仅3个小时之后，斑马鱼DNA的断裂位点数量就增加到了活动一天后的水平——也就是说，神经元越容易兴奋，就越容易感觉到累。
正常情况下，在休息10小时后，断裂位点数才会降到较低的水平。暴露在戊四唑中后，这些斑马鱼需要的睡眠时间会增加。除了清醒时间更长和神经活动更兴奋外，当斑马鱼暴露在紫外线（可以损伤DNA）下时，它们也会需要更多的睡眠。
相比之下，如果只休息2个小时或者4个小时，斑马鱼DNA上的断裂位点数只会略微降低。在这种睡眠被剥夺的情况下，不仅DNA的损伤会增加，DNA损伤也会无法修复，也就是说DNA结构的溃败会越来越严重。
在沉睡中修复
生物想要继续生存下去，DNA的修复过程是必不可少的。但面对千疮百孔的DNA，修复过程从哪里开始呢？这时，DNA在断裂位点留下的标记就发挥了作用。在染色体中，DNA双链缠绕在组蛋白上，在每一次双链断裂时，一种组蛋白——H2AFX——都会被磷酸化，变成γH2AX。通过观察γH2AX，科学家就能知道斑马鱼DNA的断裂情况，也可以依此来判断修复情况。
他们进一步探究了DNA修复过程的细节，发现在夜晚，当斑马鱼睡觉时，参与DNA双链断裂修复的两种蛋白（Rad52和Ku80）才会明显增加，开始紧锣密鼓地修复DNA。除此之外，为了更好地修复DNA，染色体的活动也会增加。如果染色体活动被抑制，DNA损伤得不到及时修复，斑马鱼的睡眠时间就会延长，而且整个睡眠周期都会发生改变。
清醒和睡眠的循环：白天神经元的DNA损伤增加，留下标记，导致睡眠压力增加。晚上，染色体活动增加，Parp蛋白募集修复蛋白，促进DNA修复。图片来源：原论文
这些生理过程都与一种DNA损伤检测因子——PARP-1——有关，这个分子在多种生物体内高度保守。它是DNA结构稳定的维护者，能促进受损的DNA单链或双链的修复，保障细胞的生存。根据研究人员的观察，在白天，表达该分子的parp1基因会大量转录，增加睡眠压力。由PARP-1控制的信号通路会在白天不停地给大脑发信息，提醒它休息。到晚上，你开始休息后，parp1转录产生的mRNA会大量表达PARP-1，这些分子会通过募集修复蛋白的方式，促进DNA修复。当抑制parp1表达时，生物需要的休息时间会更少，但与此同时，DNA修复过程和染色体活动都会减少。
更多清醒时间的代价
咖啡因为什么能让我们更加清醒？根据一项发表于1990年的研究，咖啡因能在抑制DNA修复的同时，增强神经活动——也就是说，我们更有精力了，但后期或许需要更多的睡眠来补偿。
研究人员表示，实验中用到的幼年斑马鱼的神经系统虽然很简单，但和更高等的脊椎动物（包括哺乳动物）的神经系统存在一定的相似性，能用于解释动物需要睡眠的普遍原因。除此之外，PARP-1还能影响人的生物钟，在长期记忆的形成中也具有关键作用。而在睡觉时，染色体的活动不仅能促进DNA的修复，也和神经元的可塑性、记忆的形成密切相关。也就是说，睡得好能帮助我们记住新学的东西，身体也更健康。
可以说，我们每一次思考、行动和激动等，可能都在让我们的DNA冒险，让自己面临衰老和疾病的威胁。但随之而来的一场安逸、平静的睡眠，能让裂开的DNA重新拼接，将我们拯救回来。这些过程周而复始，而我们只感觉到自己在慢慢长大、变老。
如果你已经学废了，那就好好睡一下吧。
封面图来源：Pixabay
参考链接：
https://www.cdc.gov/niosh/work-hour-training-for-nurses/longhours/mod2/11.html
https://en.wikipedia.org/wiki/H2AFX
https://www.nature.com/articles/nrc2523
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmolb.2020.00024/full
https://journals.biologists.com/jeb/article/221/11/jeb159533/34132/The-origins-and-evolution-of-sleep
https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(16)31013-2?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0960982216310132%3Fshowall%3Dtrue
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1097276521009333?via%3Dihub
《环球科学》11月新刊预售中
戳图片或阅读原文
立即购买