DNA斷裂是一個正常的生理過程，但它也極具危害。如今，科學(xué)家終于找到了人類避免這種危害的方法——你我都熟悉的睡眠。也就是說，如果不好好睡覺，你也許就是在變相自殺。

　　如果將人比作一臺依靠電池運(yùn)行的機(jī)器，清醒時的學(xué)習(xí)、思考和運(yùn)動等行為和安穩(wěn)、平靜的睡眠則分別對應(yīng)著放電和充電的過程。類似于在手機(jī)上看視頻、玩游戲會更快消耗電量，一些活動也會加速人體的“放電”過程，讓人更需要休息。

　　比如當(dāng)你生病時，你的免疫系統(tǒng)需要與一些病毒、細(xì)菌或癌細(xì)胞激烈作戰(zhàn)；或者你為了考試和工作，腦袋需要不停歇地運(yùn)轉(zhuǎn)一整天；又或者是你外出活動了一整天……這些時候，你睡覺的時間往往會更長，睡眠也會更深。

　　當(dāng)機(jī)器沒有電時，它就不能繼續(xù)工作；當(dāng)身體放完“電”時，你也會感覺到該休息了。與機(jī)器不同的是，人體更復(fù)雜。雖然你可以在打“雞血”后繼續(xù)熬夜、連軸運(yùn)轉(zhuǎn)，但這一切都是有代價的。當(dāng)你不愿意按時回到床上時，你的身體就正式進(jìn)入深度“磨損”狀態(tài)了。

　　每個熬過夜的人可能都切身體會過這種“磨損”的代價：身心俱疲，甚至某些部位隱隱作痛，對疼痛的感知力降低，注意力無法集中……很多研究已經(jīng)證實(shí)，在睡眠不足時，我們的大腦首當(dāng)其沖，它會無法形成新記憶和自我清潔，導(dǎo)致有毒物質(zhì)在大腦中富集并引發(fā)炎癥，進(jìn)一步導(dǎo)致記憶減弱、腦細(xì)胞受損。

　　此外，缺覺還會影響我們的生物鐘、加重心血管系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，腸道中也會開始堆積有害物質(zhì)，從而引起炎癥。這些效應(yīng)都在增加人類過早死亡和壽命縮短的風(fēng)險(xiǎn)。在一些極端情況下，缺少睡眠還會直接導(dǎo)致死亡?？吹竭@里，你是否有個疑問：人為什么需要那么長的睡眠時間（成年人一天應(yīng)當(dāng)睡至少7個小時）？或者從根本上說，人究竟為什么需要睡眠？

　　Part.1

　　需要睡眠的動物

　　近年來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象：不只是人，所有被研究過的、有神經(jīng)系統(tǒng)的動物都需要睡覺，小到線蟲、昆蟲，大到包括人在內(nèi)的各種哺乳動物。但各種動物需要的睡眠時間差異很大——大象每天只要睡2個小時，夜猴（night monkey，通常在夜間活動）卻需要多達(dá)17個小時。除了睡眠時長不同，各種動物的睡覺方式也不同。一些動物睜著眼也可以睡覺，例如鳥類和海豚演化出了兩個半腦交替休息的方式，可以邊睡覺邊活動?？上У氖牵藳]法做到這些。

　　如果這些有神經(jīng)系統(tǒng)的動物都需要睡覺，我們可以推測，也許是神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)生的某些改變，促使動物需要睡眠。近期，以色列兩所大學(xué)的科學(xué)家找到了答案，并將研究成果發(fā)表在《分子細(xì)胞》（Molecular Cell）上，這一發(fā)現(xiàn)或許揭示了生物需要睡眠的一個普遍原因——為了修復(fù)神經(jīng)活動時裂開的DNA。

　　相比于安靜的狀態(tài)，在日常的活動中，或者在面對更需要腦力的學(xué)習(xí)、記憶任務(wù)或者突發(fā)情況時，大腦中的神經(jīng)元需要更快地表達(dá)某些基因。為了適應(yīng)各種變化，細(xì)胞不可能在冗長的DNA鏈上逐個找到需要表達(dá)的基因，更高效的辦法是DNA雙鏈直接斷開，讓大量要用到的基因先表達(dá)，并在斷裂位點(diǎn)做好標(biāo)記，過后再進(jìn)行修復(fù)。除了神經(jīng)元以外，人體其他細(xì)胞中的DNA也會由于各種情況出現(xiàn)損傷，也需要進(jìn)行修復(fù)。

　　雖然DNA雙鏈斷裂是神經(jīng)活動中一個關(guān)鍵且正常的過程，但如果不及時修復(fù)，這會帶來很嚴(yán)重的后果。這種損傷也稱為DNA雙鏈斷裂，是最具有細(xì)胞毒性的一種DNA損傷，通常發(fā)生在癌癥、神經(jīng)退化和衰老等過程中。不過，DNA雙鏈斷裂的修復(fù)過程十分復(fù)雜，需要激活多條信號通路、募集多種酶和蛋白復(fù)合體，因而需要較長的時間。

　　在白天，機(jī)體的活動增加，DNA的損傷也會累積，避免這些損傷的危害的唯一辦法就是修復(fù)它們。但細(xì)胞在白天是沒有時間的，需要將更多的資源用在其他生命活動上，最后修復(fù)工作就拖到了晚上。研究人員發(fā)現(xiàn)，為了能讓細(xì)胞按時進(jìn)行修復(fù)，隨著神經(jīng)元DNA損傷累積，睡眠壓力（也稱為恒定睡眠驅(qū)力，homeostatic sleep drive）會逐漸增加，強(qiáng)迫人去睡覺。在睡眠中，這種壓力水平會逐漸下降、回到一個低谷，讓我們醒來時感覺全身放松，充滿活力。

　　Part.2

　　斑馬魚也要睡覺

　　睡眠壓力的來源有很多。如上文所述，當(dāng)免疫系統(tǒng)、神經(jīng)元和體細(xì)胞工作一段時間后，人體內(nèi)有毒的代謝物和神經(jīng)系統(tǒng)損傷都會增加，導(dǎo)致睡眠壓力增加。在新的研究中，科學(xué)家研究了斑馬魚的睡眠活動，證實(shí)了斑馬魚在清醒時，DNA雙鏈斷裂數(shù)量會逐漸增加。

　　他們發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過一天的活動后，斑馬魚單個神經(jīng)元中DNA雙鏈斷裂位點(diǎn)的數(shù)量會翻倍。隨后，他們給斑馬魚喂食了一種神經(jīng)驚厥劑——戊四唑（可以導(dǎo)致神經(jīng)元異常興奮）。僅3個小時之后，斑馬魚DNA的斷裂位點(diǎn)數(shù)量就增加到了活動一天后的水平——也就是說，神經(jīng)元越容易興奮，就越容易感覺到累。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)與剛睡醒時（ZT4）相比，斑馬魚活動一天后（ZT14）的γH2AX位點(diǎn)數(shù)明顯增多，也就是說DNA雙鏈斷裂數(shù)量增多。圖片來自原論文。

　　正常情況下，在休息10小時后，斷裂位點(diǎn)數(shù)才會降到較低的水平。暴露在戊四唑中后，這些斑馬魚需要的睡眠時間會增加。除了清醒時間更長和神經(jīng)活動更興奮外，當(dāng)斑馬魚暴露在紫外線（可以損傷DNA）下時，它們也會需要更多的睡眠。

　　相比之下，如果只休息2個小時或者4個小時，斑馬魚DNA上的斷裂位點(diǎn)數(shù)只會略微降低。在這種睡眠被剝奪的情況下，不僅DNA的損傷會增加，DNA損傷也會無法修復(fù)，也就是說DNA結(jié)構(gòu)的潰敗會越來越嚴(yán)重。

　　Part.3

　　在沉睡中修復(fù)

　　生物想要繼續(xù)生存下去，DNA的修復(fù)過程是必不可少的。但面對千瘡百孔的DNA，修復(fù)過程從哪里開始呢？這時，DNA在斷裂位點(diǎn)留下的標(biāo)記就發(fā)揮了作用。在染色體中，DNA雙鏈纏繞在組蛋白上，在每一次雙鏈斷裂時，一種組蛋白——H2AFX——都會被磷酸化，變成γH2AX。通過觀察γH2AX，科學(xué)家就能知道斑馬魚DNA的斷裂情況，也可以依此來判斷修復(fù)情況。

　　他們進(jìn)一步探究了DNA修復(fù)過程的細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)在夜晚，當(dāng)斑馬魚睡覺時，參與DNA雙鏈斷裂修復(fù)的兩種蛋白（Rad52和Ku80）才會明顯增加，開始緊鑼密鼓地修復(fù)DNA。除此之外，為了更好地修復(fù)DNA，染色體的活動也會增加。如果染色體活動被抑制，DNA損傷得不到及時修復(fù)，斑馬魚的睡眠時間就會延長，而且整個睡眠周期都會發(fā)生改變。

　　清醒和睡眠的循環(huán)：白天神經(jīng)元的DNA損傷增加，留下標(biāo)記，導(dǎo)致睡眠壓力增加。晚上，染色體活動增加，Parp蛋白募集修復(fù)蛋白，促進(jìn)DNA修復(fù)。圖片來源：原論文

　　這些生理過程都與一種DNA損傷檢測因子——PARP-1——有關(guān)，這個分子在多種生物體內(nèi)高度保守。它是DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的維護(hù)者，能促進(jìn)受損的DNA單鏈或雙鏈的修復(fù)，保障細(xì)胞的生存。根據(jù)研究人員的觀察，在白天，表達(dá)該分子的parp1基因會大量轉(zhuǎn)錄，增加睡眠壓力。由PARP-1控制的信號通路會在白天不停地給大腦發(fā)信息，提醒它休息。到晚上，你開始休息后，parp1轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA會大量表達(dá)PARP-1，這些分子會通過募集修復(fù)蛋白的方式，促進(jìn)DNA修復(fù)。當(dāng)抑制parp1表達(dá)時，生物需要的休息時間會更少，但與此同時，DNA修復(fù)過程和染色體活動都會減少。

　　Part.4

　　更多清醒時間的代價

　　咖啡因?yàn)槭裁茨茏屛覀兏忧逍?？根?jù)一項(xiàng)發(fā)表于1990年的研究，咖啡因能在抑制DNA修復(fù)的同時，增強(qiáng)神經(jīng)活動——也就是說，我們更有精力了，但后期或許需要更多的睡眠來補(bǔ)償。

　　研究人員表示，實(shí)驗(yàn)中用到的幼年斑馬魚的神經(jīng)系統(tǒng)雖然很簡單，但和更高等的脊椎動物（包括哺乳動物）的神經(jīng)系統(tǒng)存在一定的相似性，能用于解釋動物需要睡眠的普遍原因。除此之外，PARP-1還能影響人的生物鐘，在長期記憶的形成中也具有關(guān)鍵作用。而在睡覺時，染色體的活動不僅能促進(jìn)DNA的修復(fù)，也和神經(jīng)元的可塑性、記憶的形成密切相關(guān)。也就是說，睡得好能幫助我們記住新學(xué)的東西，身體也更健康。

　　可以說，我們每一次思考、行動和激動等，可能都在讓我們的DNA冒險(xiǎn)，讓自己面臨衰老和疾病的威脅。但隨之而來的一場安逸、平靜的睡眠，能讓裂開的DNA重新拼接，將我們拯救回來。這些過程周而復(fù)始，而我們只感覺到自己在慢慢長大、變老。

　　如果你已經(jīng)學(xué)廢了，那今天就好好睡一下吧。

　　參考鏈接：

　　[1]https：//www.cdc.gov/niosh/work-hour-training-for-nurses/longhours/mod2/11.html

　　[2]https：//en.wikipedia.org/wiki/H2AFX

　　[3]https：//www.nature.com/articles/nrc2523

　　[4]https：//www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmolb.2020.00024/full

　　[5]https：//journals.biologists.com/jeb/article/221/11/jeb159533/34132/The-origins-and-evolution-of-sleep

　　[6]https：//www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822（16）31013-2？_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0960982216310132%3Fshowall%3Dtrue

　　[7]https：//www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1097276521009333？via%3Dihub

　　來源：環(huán)球科學(xué)

　　封面圖來源：Pixabay