如果将人比作电池供电的机器，那么清醒时的学习、思考和锻炼行为以及平静安宁的睡眠分别对应着放电和充电的过程。类似于在手机上看视频和玩游戏，它耗电更快。有些活动还会加快人体的“放电”过程，使人更需要休息。

例如，当您生病时，您的免疫系统需要与某些病毒、细菌或癌细胞进行激烈的战斗；或者你的大脑需要整天忙于考试和工作；或者你出去一整天......这些时候，你往往睡得更久，睡得更深。

机器没电时，不能继续工作；当身体排出体外，你也会觉得是时候休息了。与机器不同，人体更为复杂。虽然玩完《鸡血》可以继续熬夜，但这都是有代价的。当你不愿意按时回到床上时，你的身体就会正式进入深度“磨损”状态。

熬夜的每个人都可能经历过这种“磨损”的代价：身心疲惫，甚至某些部位隐隐作痛，痛觉减退，注意力不集中……很多研究都有证实我们的大脑首当其冲受到睡眠剥夺的影响。它将无法形成新的记忆和自我清洁，导致有毒物质在大脑中积累并引发炎症，从而进一步导致记忆力减退和脑细胞损伤。

此外，睡眠不足还会影响我们的生物钟，增加心血管系统的负担，并开始在肠道内堆积有害物质，从而引起炎症。这些影响正在增加过早死亡和缩短寿命的风险。在一些极端情况下，睡眠不足会直接导致死亡。看到这里，你是不是有一个疑问：为什么人需要这么长的睡眠时间（成年人每天至少要睡7个小时）？或者从根本上说，人为什么需要睡眠？

需要睡眠的动物

近年来，科学家们发现了一个现象：不仅是人类，所有被研究过并且有神经系统需要睡眠的动物，范围从线虫、昆虫到包括人类在内的各种哺乳动物。但各种动物所需的睡眠时间差别很大——大象每天只睡2个小时，而夜猴（通常在夜间活动）则需要长达17个小时。除了睡眠时间长短，各种动物的睡眠方式也不同.有些动物可以睁着眼睛睡觉。例如，鸟类和海豚进化出一种让两个大脑交替休息的方式，让它们在睡觉时可以移动。不幸的是，人们无法做到这一点。

如果这些有神经系统的动物都需要睡眠，我们可以推测，神经系统的一些变化可能会导致动物需要睡眠。近日，以色列两所大学的科学家找到了答案，并将他们的研究成果发表在《分子细胞》上。这一发现可能揭示了生物体需要睡眠以修复神经活动的一个常见原因。脱氧核糖核酸。

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相比安静的状态，在日常活动中，或者面对需要更多脑力的学习和记忆任务，或者在紧急情况下，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，细胞不可能在长长的DNA链上一一找到需要表达的基因。更有效的方法是直接打断DNA双链，让大量基因先被表达，在断裂位点做。做好标记，稍后修复。除了神经元，人体其他细胞中的DNA也会因各种情况而受损，需要修复。

DNA双链断裂虽然是神经活动中一个关键且正常的过程，但如果不及时修复，将会带来严重的后果。这种类型的损伤也称为 DNA 双链断裂，它是最具细胞毒性的 DNA 损伤类型，通常发生在癌症、神经变性和衰老过程中。然而，DNA双链断裂的修复过程非常复杂，需要激活多个信号通路，募集多种酶和蛋白质复合物，耗时较长。

白天，身体活动增加，DNA损伤也会累积。避免这些损坏造成的伤害的唯一方法是修复它们。然而，细胞白天没有时间，更多的资源需要花在其他生命活动上。最后，维修工作被推迟到晚上。研究人员发现，为了让细胞按时修复，随着神经元DNA损伤的积累，睡眠压力（也称为稳态睡眠驱动）会逐渐增加，迫使人们进入睡眠状态。在睡眠期间，这个压力水平会逐渐下降并回到低谷，让我们在醒来时感到全身。宽松而充满活力。

斑马鱼也要睡觉

睡眠压力的来源有很多。如上所述，当免疫系统、神经元、体细胞工作一段时间后，人体内的有毒代谢产物和神经系统损伤会增加，导致睡眠压力增加。在这项新研究中，科学家们研究了斑马鱼的睡眠活动，并证实斑马鱼清醒时DNA双链断裂的数量逐渐增加。

他们发现，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增加了一倍。随后，他们给斑马鱼喂了一种神经惊厥药-戊四唑（它会引起异常的神经元兴奋）。仅仅 3 小时后，斑马鱼 DNA 中的断裂位点数量就增加到了一天活动后的水平——也就是说，神经元越兴奋，就越容易感到疲倦。




研究人员发现，斑马鱼活动一天后（ZT14）的γH2AX位点数量与刚醒时（ZT4）相比显着增加，这意味着DNA双链断裂的数量增加。图片来自原论文。

正常情况下，休息10小时后骨折部位会减少。接触戊四唑后，这些斑马鱼需要更多的睡眠时间。除了醒得更久、对神经活动更兴奋之外，斑马鱼在暴露于紫外线（会损坏 DNA）时还需要更多的睡眠。

相比之下，如果只休息 2 或 4 小时，斑马鱼 DNA 中的断裂位点数量只会略有减少。在这种睡眠剥夺下，不仅DNA损伤会增加，而且DNA损伤也将无法修复，这意味着DNA结构的破坏会越来越严重。

睡眠修复

为了让生物能够生存，DNA 修复过程是必不可少的。但面对千疮百孔的DNA，修复过程从何开始？这时候，DNA在断裂位点留下的印记就开始发挥作用了。在染色体中，双链 DNA 缠绕在组蛋白上。随着每条双链断裂，组蛋白 H2AFX 被磷酸化并变成 γH2AX。通过观察γH2AX，科学家可以了解斑马鱼DNA的断裂情况，也可以据此判断修复状态。

他们进入在探索了DNA修复过程的细节之后，我发现晚上，当斑马鱼睡觉时，参与修复DNA双链断裂的两种蛋白质（Rad52和Ku80）会显着增加，开始如火如荼地修复DNA .此外，为了更好地修复DNA，染色体的活性也会增加。如果染色体活性受到抑制，DNA损伤不能及时修复，斑马鱼的睡眠时间就会延长，整个睡眠周期就会发生变化。


清醒和睡眠的循环：白天对神经元的DNA损伤增加，留下痕迹，导致睡眠压力增加。到了晚上，染色体活性增加，Parp蛋白招募修复蛋白来促进DNA修复。图片来源：原论文

这些生理过程都与DNA损伤检测因子-PARP-1有关，该因子在许多生物体中高度保守。它是DNA结构稳定性的维持者，能促进受损DNA单链或双链的修复，保证细胞的存活。据研究人员观察，白天，表达这种分子的parp1基因会大量转录，增加睡眠压力。白天，由PARP-1控制的信号通路会不断地向大脑发送信息，提醒它休息。晚上开始休息后，parp1转录产生的mRNA会大量表达PARP-1。这些分子将通过招募修复蛋白来促进 DNA 修复。当parp1的表达被抑制时，生物体需要的休息时间会减少，但同时DNA修复过程和染色体活性也会降低。

更多清醒时间的代价

咖啡是因为什么让我们更清醒？根据 1990 年发表的一项研究，咖啡因可以在抑制 DNA 修复的同时增加神经活动——也就是说，我们有更多的能量，但我们可能需要更多的睡眠来弥补。

研究人员表示，虽然实验中使用的幼年斑马鱼的神经系统非常简单，但它与高等脊椎动物（包括哺乳动物）的神经系统相似，可以用来解释动物需要睡眠的常见原因。此外，PARP-1还可以影响人体生物钟，对长期记忆的形成也起着关键作用。睡觉时，染色体的活动不仅可以促进DNA的修复也与神经元的可塑性和记忆的形成密切相关。换句话说，睡得好可以帮助我们记住所学的知识，让我们的身体更健康。

可以说，我们每一次思考、行动和兴奋，都可能冒着DNA的风险，让自己暴露在衰老和疾病的威胁之下。但随之而来的安宁和平静的睡眠可以重新拼接分裂的 DNA 并拯救我们。这些过程不断重复，但我们只觉得自己在慢慢长大，慢慢变老。