Uno de los últimos grandes misterios biológicos: Por qué dormimos?

Por qué dormimos: una hipótesis para un origen último o evolutivo del sueño y otros ritmos fisiológicos

Dr. Andrew S. Freiberg

Aunque el sueño es ubicuo, su propósito evolutivo sigue siendo difícil de alcanzar. Aunque todas las especies de animales, así como muchas plantas, duermen, las teorías sobre su origen son puramente fisiológicas, por ejemplo, para conservar energía, hacer reparaciones o consolidar el aprendizaje. Una razón evolutiva para el sueño respondería a una de las preguntas fundamentales sin respuesta de la biología. Cuando las condiciones ambientales cambian periódicamente (invierno/verano, día/noche), los organismos deben enfrentar de alguna manera el cambio o, de lo contrario, ser menos capaces de competir en cualquiera de los dos nichos. La adaptación estacional incluye la migración de las aves, los cambios en la fisiología de las abejas melíferas y la abscisión invernal en las plantas. La adaptación diurna debe ser más rápida, lo que obliga a cambios en el comportamiento además de la fisiología. Dado que los organismos deben existir en ambos ambientes, la evolución ha creado una forma de forzar un cambio en el comportamiento, creando de hecho organismos "diferentes" (uno despierto, otro dormido) adaptados por separado a dos nichos distintos. Dormimos para permitir evolucionar en dos nichos que compiten entre sí. La fisiología del sueño obliga a un cambio a un estado diferente para el segundo nicho. Las necesidades fisiológicas de sueño son mecanismos que han evolucionado para lograr este objetivo.

Es "uno de los últimos grandes misterios biológicos" [1] que, aunque el sueño es ubicuo y esencial [2], aún no hemos determinado su verdadero propósito evolutivo [3]. A pesar de que todas las especies de animales, así como muchas plantas, se duermen todos los días, falta una respuesta satisfactoria a una de las preguntas fundamentales de la biología 

Sabemos mucho sobre la fisiología del sueño, y cada día se aprende más. Sabemos lo que sucede durante el sueño y lo que sucede cuando nosotros u otros animales nos vemos privados de él [1,4,8,9]. Lo que todavía no sabemos es por qué existe el sueño en primer lugar.

Lo que Allen Rechtschaffen escribió en 1998 sigue siendo cierto [10]:

Se han propuesto varias teorías sobre el sueño y se han medido las fluctuaciones en los patrones biológicos durante el sueño, pero aún no se comprende la función del sueño. Se puede entender que el sueño cumple muchas funciones diferentes, pero la intuición sugiere que hay una función esencial. El descubrimiento de esta función abrirá una puerta importante a la comprensión de los procesos biológicos.

Desde un punto de vista biológico y evolutivo, las teorías del sueño se pueden clasificar en aquellas que consideran causas próximas o últimas [11]. Las causas próximas exploran el sueño como un proceso: la fisiología del sueño y la privación del sueño, que es el foco de casi todas las investigaciones actuales. Se han propuesto causas últimas o evolutivas, categorizadas ampliamente como teorías restaurativas o adaptativas [12].

Las teorías restaurativas o recuperativas plantean la hipótesis de que el sueño cumple una o más de las siguientes funciones: descansar y reparar [13,14]; consolidar lo aprendido mientras estábamos despiertos [7,15,16,17,18]; soñar [19]; para potenciar la respuesta inmunitaria [15,19,20,21]; evitar los graves efectos perjudiciales de la privación [1,4,9,22]; para desintoxicar [23].

De hecho, todo esto ocurre durante el sueño, y se ha descubierto que son funciones importantes, incluso esenciales, del complicado proceso del sueño, es decir, causas próximas. Sin embargo, como causas evolutivas, en su mayor parte estas teorías se han desmoronado bajo el escrutinio [10]. Por ejemplo, el gasto de energía no es significativamente menor durante el sueño, y si el sueño fuera importante para el aprendizaje, ¿por qué está presente en órdenes inferiores de animales, organismos unicelulares e incluso en muchas plantas? De hecho, una crítica general a las teorías restaurativas es que se aplican sólo a un conjunto limitado de tejidos o especies. Los sueños pueden ser una función esencial del sueño en los seres humanos y otros primates o incluso en todos los mamíferos [19], pero extender esa función a las lombrices de tierra y las azucenas es difícil de imaginar.

Los ritmos circadianos son omnipresentes en toda la naturaleza, ya que casi todos los organismos estudiados, incluidas bacterias, algas, hongos, plantas y animales, exhiben ciclos fisiológicos que duran cerca de 24 horas, incluso cuando están desacoplados del ciclo diario de luz / oscuridad [24]. Además, todas las células de todos los organismos estudiados hasta ahora tienen tales ritmos [24]. Sin embargo, cuanto más se sabe sobre estos ritmos a nivel celular y molecular, menos sentido tienen explicaciones como la desintoxicación, la mejora del sistema inmunológico, la consolidación de la memoria y la reparación de tejidos como causas subyacentes de la presencia del sueño.

Intuitivamente, un organismo que pudiera permanecer despierto durante 24 horas sobreviviría mejor, con la capacidad de ser productivo las <> horas del día, compitiendo por recursos preciosos. Un animal dormido no participa en actividades productivas y es vulnerable a la depredación. Las teorías adaptativas afirman que el sueño es una forma de mantenernos alejados de condiciones peligrosas como los depredadores. Creo que las teorías adaptativas pueden ser parcialmente correctas, pero no van lo suficientemente lejos. Descubrir la verdadera función evolutiva del sueño, es decir, la razón por la que el sueño se suma a la aptitud de un organismo, explicaría por qué dormimos.

Propongo una explicación sutil pero profunda a la pregunta de por qué dormimos nosotros y todas las especies animales de la tierra. Esta teoría de ninguna manera invalida o reemplaza ninguna de las explicaciones actuales de las funciones y propósitos del sueño, las causas próximas. Más bien, relega estas funciones a tácticas fisiológicas que sirven a una estrategia evolutiva más amplia: el verdadero propósito final del sueño.

Desde un punto de vista evolutivo, toda estructura y función (es decir, fisiología) existe porque confiere alguna ventaja de supervivencia. Dado que la fisiología incluye el comportamiento, el sueño debe conferir una ventaja evolutiva como comportamiento. La pregunta central sobre el sueño es, por lo tanto: ¿qué ventaja evolutiva podría proporcionar el sueño?

Todos los organismos ocupan un nicho, y cuanto mejor se adapten a ese nicho, más "apto" y más probable será que ese organismo se reproduzca, transmitiendo las características que se ajustan a ese nicho en particular. Si bien podemos pensar de manera simplista que cada organismo ocupa un solo nicho, siendo realistas, casi todos ocupan al menos dos. El día y la noche son nichos diferentes y distintos, creando un tira y afloja evolutivo que haría imposible un "ajuste" perfecto. Desde el punto de vista evolutivo, verse obligado a evolucionar en dos nichos separados al mismo tiempo obliga a un organismo a desarrollar estructuras y funciones que no encajan plenamente en ninguno de ellos.

Nosotros y casi todas las demás especies de la tierra debemos navegar por un entorno de aproximadamente mitad de luz y mitad de oscuridad. Dado que otros organismos cambian en respuesta a ese ciclo, también existen diferentes entornos biológicos entre la noche y el día, lo que refuerza aún más las diferencias entre los dos nichos.

La fisiología de cada organismo está impulsada por la presión evolutiva de su entorno. Millones de años antes de que existieran animales, plantas o incluso ADN en la Tierra, había dos nichos: el día y la noche. En el instante en que comenzó la vida, estos dos entornos tan diferentes la estaban esperando, en casi todos los lugares de la Tierra. Los primeros años de vida y toda la vida posterior se vieron obligados a enfrentarse al dilema de cómo adaptarse a estos dos nichos que se alternaban rápidamente. Estar despierto día y noche obliga a un organismo a adaptarse tanto a la luz como a la oscuridad, así como a los diferentes organismos que pueblan cada uno, y hacerlo comprometería su capacidad para desempeñarse bien en cualquiera de ellos. Dado que el horario día/noche ha existido desde antes de que hubiera vida en la Tierra, estaría arraigado en todos los organismos, excepto en los más secuestrados. El ciclo diario es tan constante y a una frecuencia tan alta, repitiéndose todos los días, que es imposible mantenerse al día (es decir, circunnavegar la tierra todos los días), por lo que la única alternativa es cambiar la fisiología para que coincida. Por lo tanto, el problema día/noche creó una presión de selección poderosa, omnipresente e ineludible. Por lo tanto, la adaptación a estos dos nichos debe estar en lo más profundo de nuestro ADN, ya que, de hecho, encontramos un reloj circadiano funcionando en todas las células de todos los organismos.

La evolución ideó rápidamente una forma para que los organismos, en particular los animales, cambiaran de fisiología cada día: se van a dormir. Es como si la evolución dijera: "Escoge uno, ya sea de día o de noche, y optimiza tu estructura, función y comportamiento para ese entorno, luego aléjate del que no elegiste, para evitar intentar optimizar ambos".

Pensado de esta manera, el sueño no solo está controlado por los ritmos circadianos, sino que actúa como un poderoso guardián de los mismos.

Ciertamente, existimos, por supuesto, tanto en los nichos diurnos como en los nocturnos, pero nosotros y casi todas las demás especies animales hemos desarrollado en consecuencia una forma de cambiar nuestra fisiología y comportamiento lo suficiente como para convertirnos, no literalmente, sino en cierto sentido, en dos organismos distintos, uno adaptado a cada nicho, en lugar de una sola fisiología adaptada a ambos. y, por lo tanto, mal adaptado a cualquiera de los dos. El organismo "dormido" no vive su propia vida, sino que existe con el fin de entregar a la hora de la vigilia el organismo compartido en la mejor forma posible para el viaje de la vigilia de buscar comida, cazar o trabajar.

La teoría adaptativa afirma que los animales duermen para evitar el peligro [12,25]. Por ejemplo, los animales que están activos durante el día son vulnerables a los depredadores por la noche y, por lo tanto, duermen para evitar ser cazados y comidos. Esta teoría explica por qué un animal de este tipo necesitaría esconderse durante la noche, pero no por qué duerme, aunque tiene sentido que un animal quiera conservar energía mientras se esconde y no busca comida activamente. La teoría adaptativa va en parte hacia la verdad, pero en lugar de simplemente esconderse del peligro y conservar la energía mientras lo hace, la necesidad fisiológica de dormir no solo oculta a estos animales del peligro durante la noche, sino que asegura que permanecerán ocultos en escalas de tiempo evolutivas.

El sueño es importante y no podemos vivir sin él, en la superficie debido a la necesidad de reparar o reponer nuestros cuerpos. Y lo que es más importante, en el fondo, la necesidad de reparar o reponer es un truco que nuestro ADN nos juega para evitar que estemos despiertos por la noche. Debido a que necesitamos dormir todos los días, nunca tenemos la oportunidad de adaptarnos a la oscuridad, lo que comprometería nuestra capacidad de sobrevivir durante el día. En la teoría adaptativa, nos escondemos del peligro de la oscuridad; En esta nueva teoría nos escondemos del peligro de adaptarnos a la oscuridad.

Por supuesto, no existe una división absoluta entre especies diurnas y nocturnas. Entre especies, la cantidad y el momento de los patrones de sueño varían mucho [20]. Si bien algunos animales son claramente uno u otro, hay algunos que están activos por períodos cortos tanto de día como de noche, o activos en el crepúsculo, y otros para los cuales algunos miembros son diurnos y otros nocturnos, y en algunos casos incluso un solo individuo puede cambiar de uno a otro según las condiciones ambientales [26]. Al igual que otros rasgos, el sueño puede modificarse experimentalmente [27,28,29]. Sin embargo, la necesidad fundamental de dormir en sí misma no es negociable desde un punto de vista evolutivo. Todos estos organismos, incluso aquellos que están intermitentemente activos día y noche, todavía tienen relojes circadianos en funcionamiento y todos ellos aún requieren sueño [2]. La variedad de patrones de sueño ilustra que, cualquiera que sea la causa última del sueño, no requiere un solo período prolongado de descanso, como en los humanos, y obviamente no depende de ninguna arquitectura de sueño en particular. Incluso los animales que se encuentran en un nicho que permite la actividad diurna y nocturna no han renunciado a la necesidad de dormir, lo que demuestra lo fundamental que es. La necesidad de dormir está en el ADN de todos los organismos, pero no gobierna cómo se satisface esa necesidad; Esa fisiología evoluciona con cada especie, ya que el medio ambiente todavía tiene mucho que decir. Todos los animales, por ejemplo, necesitan conservar la capacidad de excitación durante el sueño, pero en diferentes cantidades y de diferentes maneras dependiendo de sus circunstancias. El sueño unihemisférico es otro ejemplo de cómo el sueño se ha adaptado a necesidades específicas [19,30,31,32]. La evolución ha permitido una variedad de formas de pasar el día y la noche, dentro de las cuales persiste la necesidad última de dormir, pero no tiene control directo sobre ellas.

El aprendizaje es un proceso esencial de la especie humana, y el sueño es esencial para la consolidación de los recuerdos. Sin embargo, no es el sueño, sino más bien la arquitectura del sueño la que ha coevolucionado con el aprendizaje y otros procesos de recuperación hasta su estado actual, para optimizar estos procesos para cada especie.

Una ventaja que tiene esta teoría sobre otras es que se puede aplicar ampliamente a todas las especies, desde los organismos unicelulares hasta el Homo sapiens.

Esta teoría puede extenderse a otros ritmos biológicos: hay, por supuesto, dos ejemplos de cambios periódicos y predecibles en el medio ambiente, el diurno y el estacional. Marcus Hall introduce el término "cronofilia" para explicar cómo la vida se ha adaptado a los cambios ambientales periódicos que ocurren en la Tierra debido a su rotación e inclinación axial [33]. Si bien su artículo se ocupa principalmente de la actividad humana, casi toda la vida en la Tierra está sujeta a las mismas restricciones temporales.

En los climas templados y en muchos climas tropicales hay profundas diferencias entre las condiciones de verano e invierno, principalmente caliente/frío y húmedo/seco, y pocos organismos pueden adaptarse bien a ambas. Desencadenados por los cambios en la luz, la temperatura y la humedad, los animales y las plantas, mediante procesos bioquímicos bien entendidos, cambian su biología para sobrevivir en los dos climas [34,35,36]. Los árboles de hoja caduca pierden sus hojas y entran en modo de hibernación para sobrevivir al invierno, mientras que los árboles de hoja perenne cambian la química de sus fluidos internos para evitar la congelación [37]. Muchos animales pasan por cambios similares, como hibernar o cambiar de color para mezclarse con diferentes entornos. Estos ejemplos ilustran que cuando un organismo se enfrenta a cambios ambientales periódicos y predecibles, para sobrevivir en ambos entornos, debe cambiar periódicamente 1) su biología; o 2) su entorno; o 3) ambas.

Las aves, los mamíferos y los insectos migratorios cambian efectivamente su entorno estacionalmente. ¿Por qué algunas aves vuelan hacia el sur durante el invierno? No simplemente para mantenerse caliente. Vuelan hacia el sur para evitar la adaptación genética al invierno, lo que comprometería su fisiología y estado físico en el verano. Del mismo modo, algunos animales hibernan no solo para evitar el frío invierno, sino para evitar adaptarse a él. Las abejas obreras en invierno viven meses en lugar de semanas para evitar tener que criar crías durante el frío invierno [35].

¿Por qué algunos árboles pierden sus hojas en el otoño? Los mecanismos y las ventajas evolutivas de este proceso, conocido como abscisión, son bien conocidos [38,39]. Sin embargo, mi hipótesis es que las razones evolutivas detrás de la abscisión van más allá de un simple análisis de "costo-beneficio". Las hojas no son útiles en la oscuridad y el frío del invierno; Muchas plantas los pierden para evitar la creación de una hoja "para todas las estaciones", lo que sería una mala idea arbórea. Se necesita mucha energía y material para hacer una hoja; Los árboles no renunciarían a ellos sin una muy buena razón. Los árboles de hoja perenne, por supuesto, no se desprenden, sino que cambian fundamentalmente la fisiología de sus acículas en el invierno [37].

Los seres humanos de hoy tienen la tecnología para controlar su entorno en gran medida. Si así lo eligiéramos, podríamos vivir en un mundo de luz constante u oscuridad constante. La razón por la que no lo hacemos es porque dormimos mejor en la oscuridad, el nicho de la noche. Este comportamiento nos mantiene sincronizados con la luz solar. Nuestros relojes circadianos, por el proceso de arrastre, se reajustan constantemente a los cambios que ocurren con las estaciones, nuestros horarios o con el horario de verano. Cuando viajamos a través de zonas horarias, nuestros relojes circadianos se desincronizan significativamente, pero aún así logramos usar los zeitgebers locales para reiniciarnos de modo que mantengamos nuestra fisiología de la luz diurna y la fisiología nocturna en sintonía con el horario local de día / noche.

Las teorías adaptativas del sueño nunca se han afianzado realmente, mientras que la investigación sobre las teorías fisiológicas recuperativas se ha disparado, posiblemente debido al hecho de que las teorías recuperativas son mucho más comprobables que las adaptativas. Esta nueva teoría puede abrir una ventana para la experimentación. Aunque difícil, mi teoría es comprobable, tanto por métodos experimentales como de investigación.

Si hubiéramos evolucionado en un planeta sin ciclos de día y noche, ¿seguiríamos durmiendo? Desafortunadamente, estamos muy lejos de poder realizar ese experimento ahora, si es que alguna vez lo hacemos. Para la variación estacional se ha hecho el experimento: ¿Los organismos que viven en climas constantes necesitan cambiar de fisiología dos veces al año? Por supuesto que no, ¿por qué tendrían que hacerlo?

El resultado final y la respuesta a la pregunta: "¿Por qué dormimos?"

El sueño es una táctica que la evolución utiliza para servir a una estrategia mayor: dormimos para permitir la adaptación a dos nichos que compiten entre sí. La necesidad de dormir nos obliga a cambiar nuestra fisiología a un estado diferente para el segundo nicho. Todas las demás respuestas (por qué NECESITAMOS dormir) no son más que mecanismos para lograr este objetivo

Traduccion de : Por qué dormimos: una hipótesis para un origen último o evolutivo del sueño y otros ritmos fisiológicos - PMC (nih.gov)