Schlaf schützt Nervenzellen vor DNA-Schäden bei Quallen und Seeanemonen

Schlaf könnte ursprünglich schlicht ein Wartungsfenster für das Nervensystem gewesen sein. Eine neue Studie legt nahe, dass selbst einige der frühesten Tiere mit Nervenzellen Schlaf nutzen, um DNA-Schäden und zellulären Stress zu verringern.

Diese Schutzfunktion scheint derart grundlegend zu sein, dass sie komplexe Gehirne um Hunderte Millionen Jahre überdauert.

Die Forschungsarbeit wurde von den Laboren von Professor Lior Appelbaum und Professor Oren Levy an der Bar-Ilan-Universität geleitet.

Anhand von Quallen und Seeanemonen argumentiert das Team, dass eine zentrale Aufgabe des Schlafs sehr alt ist: Nervenzellen Zeit zur Reparatur zu geben.

Warum Schlaf das Risiko wert ist

Sobald Nervensysteme im Tierreich auftreten, findet sich Schlaf nahezu überall. Das ist seit jeher bemerkenswert, denn Schlaf wirkt riskant.

Während ein Tier schläft, nimmt es seine Umgebung weniger stark wahr. Dadurch kann es leichter zur Beute werden. Zudem unterbricht Schlaf Vorgänge, die für das Überleben wichtig sind, etwa Nahrungsaufnahme und Fortpflanzung.

Warum hat die Evolution den Schlaf also bewahrt? Die Studie liefert überzeugende Hinweise darauf, dass Schlaf nicht bloss nützlich ist. Er erfüllt eine Schutzfunktion, die sich kaum ersetzen lässt.

Die Annahme lautet, dass Nervenzellen während des Wachzustands Schäden ansammeln und Schlaf einen zusammenhängenden Zeitraum bietet, um diese Schäden zu reduzieren. Trifft das zu, könnten die „Kosten“ des Schlafs durch die Folgen aufgewogen werden, die entstehen, wenn Nervenzellen keine Zeit für Wartung erhalten.

Alte Tiere mit vertrauten Schlafmustern

Das Team untersuchte zwei ursprüngliche Tierlinien, die nahe an den frühen Wurzeln der Evolution des Nervensystems stehen.

Bei der ersten handelte es sich um eine tagaktive, symbiotische Qualle. Sie schläft nachts und hält zudem rund um die Tagesmitte ein kurzes Nickerchen. Die zweite Art war eine dämmerungsaktive, nicht symbiotische Seeanemone. Sie schläft meist von der Morgendämmerung bis in die erste Tageshälfte.

Mithilfe von Infrarot-Videoaufzeichnungen und Verhaltensanalysen bestimmten und maßen die Forschenden die Schlafmuster beider Tiere.

Trotz ihrer sehr unterschiedlichen Lebensweisen fanden sie etwas überraschend Vertrautes: Beide Arten schlafen ungefähr acht Stunden täglich, ähnlich der typischen Schlafdauer von Menschen.

Die Zeitpunkte ihres Schlafs unterscheiden sich zwar. Die Gesamtstruktur wirkt jedoch weiterhin wie ein regelmäßiger Rhythmus und nicht wie zufällige Ruhephasen.

DNA-Schäden nehmen zu und ab

Die zentrale Erkenntnis betrifft die Vorgänge in Nervenzellen während des Schlaf-Wach-Zyklus.

In früheren Arbeiten zeigte das Appelbaum-Labor an Zebrafischen, dass Nervenzellen im Wachzustand DNA-Schäden ansammeln und Schlaf für die Erholung erforderlich ist.

DNA-Schäden können zahlreiche Ursachen haben, darunter neuronale Aktivität, oxidativer Stress, Stoffwechsel und Strahlung.

Solche Schäden können jede Zelle beeinträchtigen, doch Nervenzellen stehen vor einem besonderen Problem. Sie sind erregbar, dauerhaft aktiv und teilen sich im Allgemeinen nicht. Anders als manche Gewebe können sie sich daher nicht einfach durch die Bildung neuer Zellen „zurücksetzen“.

In der Studie zeigte sich das bereits bei Zebrafischen beobachtete Muster erneut, nun aber bei weitaus älteren Tierlinien. Sowohl bei Quallen als auch bei Seeanemonen nahmen die DNA-Schäden in Nervenzellen während der Wachphase zu und gingen im Schlaf zurück.

Nachholschlaf und weniger Schäden

Die Forschenden setzten das System außerdem unter Druck, um zu prüfen, ob Schlaf auf Schäden reagiert. Wurden die Tiere wach gehalten, stiegen die DNA-Schäden an. Anschließend schliefen die Tiere länger als gewöhnlich.

Dieses „Nachholverhalten“ wird als Schlaf-Rebound bezeichnet und fiel in der Studie mit Erholung sowie niedrigeren DNA-Schadenwerten zusammen.

Danach ging das Team noch direkter vor. Es erhöhte die DNA-Schäden mittels UV-Strahlung und setzte die Tiere außerdem einer Chemikalie aus, die DNA schädigt.

Beide Auslöser führten bei beiden Arten zu Erholungsschlaf. Und als die Forschenden den Schlaf mit Melatonin förderten, nahmen die DNA-Schäden ab.

Insgesamt ergibt sich eine wechselseitige Beziehung. Schäden scheinen den Schlafbedarf zu erhöhen, während Schlaf offenbar dabei hilft, Schäden zu verringern.

Unterschiedliche Uhren, dieselbe Reparaturaufgabe

Ein weiterer interessanter Aspekt der Studie ist, dass diese Tiere ihren Schlaf nicht auf dieselbe Weise regulieren.

Beide Arten weisen einen homöostatischen Schlafdruck auf. Das bedeutet: Je länger ein Tier wach bleibt, desto stärker wird der innere Antrieb zu schlafen. Der wichtigste „Taktgeber“, der den Schlafrhythmus festlegt, unterscheidet sich jedoch zwischen ihnen.

Bei Quallen wird der Schlaf vor allem durch den Hell-Dunkel-Zyklus gesteuert. Bei der Seeanemone hängt er stärker von einer inneren zirkadianen Uhr ab.

Das eine Tier wird also unmittelbarer durch Sonnenlicht beeinflusst, während das andere stärker auf innere Zeitgebung angewiesen ist. Dennoch nutzen beide Schlaf für dieselbe grundlegende Aufgabe: DNA-Schäden und zellulären Stress in Nervenzellen zu senken.

Das ist für die weitreichende evolutionäre Aussage bedeutsam. Wenn sehr unterschiedliche Systeme der Schlafsteuerung bei derselben Wartungsfunktion zusammenlaufen, könnte genau diese Funktion das sein, was die Evolution die ganze Zeit bewahrt hat.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Fähigkeit des Schlafs, neuronale DNA-Schäden zu verringern, ein ursprüngliches Merkmal ist, das bereits bei einem der einfachsten Tiere mit Nervensystemen vorhanden war“, sagte Appelbaum.

„Schlaf könnte sich ursprünglich entwickelt haben, um einen zusammenhängenden Zeitraum für die neuronale Wartung bereitzustellen – eine so grundlegende Funktion, dass sie möglicherweise im gesamten Tierreich erhalten geblieben ist.“

Bedeutung für das menschliche Gehirn

Die Studie verweist auch auf einen Zusammenhang mit der menschlichen Gesundheit. Beim Menschen werden Schlafstörungen mit kognitivem Abbau und einem höheren Risiko für neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson in Verbindung gebracht.

Bei diesen Erkrankungen könnten sich Stress und Schäden in Nervenzellen langfristig ansammeln. Das evolutionäre Argument stärkt die Annahme, dass Schlafqualität über die Zeit mit der Widerstandsfähigkeit des Gehirns verbunden ist.

Die Studie behauptet nicht, dass Quallen Alzheimer „erklären“. Sie weist jedoch auf eine tief verankerte biologische Logik hin: Wenn Schlaf Nervenzellen seit den frühesten Nervensystemen schützt, könnte chronisch gestörter Schlaf Nervenzellen im Laufe eines Lebens plausibel anfälliger machen.

„Schlaf ist nicht nur für Lernen und Gedächtnis wichtig, sondern auch dafür, unsere Nervenzellen gesund zu halten“, sagte Appelbaum.

„Der evolutionäre Antrieb zur Erhaltung von Nervenzellen, den wir bei Quallen und Seeanemonen sehen, ist möglicherweise einer der Gründe, warum Schlaf für Menschen heute unverzichtbar ist.“