全世界科学家想破脑袋也想不明白的科学谜题

我们为什么要睡觉？ 作为一名普通人，我们每天花费在睡眠上的时间大概有7～8 个小时，这差不多是一天的三分之一。换算一下，这差不多意味着，我们的一生中有 25 年的时间是躺在床上度过的！然而，有件事情说出来你可能难以置信：我们确实不知道自己为什么要睡觉。 当然了，我们睡觉是因为我们“觉得困了”，可是，“困了”只是我们的身体向我们传达的一个信号，意味着身体有这个需求。比如，同理，我们吃东西是因为我们“觉得饿了”，可是这种感觉是具有生理性功能的：营养物质是让我们的身体得以运作的必要条件。 就睡眠而言，我们并没有一个明确的答案：我们需要睡眠的生物学原因究竟是什么。虽然有几种可信的假说可以解释睡眠的作用，但它们都还没有得到明确的证实。 睡眠剥夺！ 要想了解睡眠对人的根本作用，有一个简单的方法：不睡觉，然后看看会发生什么！但是，要在人身上进行能够得到良好控制的实验显然存在种种问题。你或许听说过一些案例，当事人宣称自己超过 10 天没有睡觉，比如美国的兰迪·加德纳曾在 1964 年尝试 11 天不睡觉；1998 年，澳大利亚的索菲·贝克特据称坚持了 19 天没睡觉。但是，从科学研究的角度来看，此类“案例”通常记录不够完善。 为了解决这个问题，1983 年，阿伦·雷克查芬（Allan Rechtschaffen）和他的同事们展开了一项著名的睡眠剥夺实验：他们用大鼠做实验，并且通过一种被称为“水上圆盘”的“阴险”装置来防止大鼠们睡觉。在这一实验中，大鼠们被放到一个笼子里，笼子底部装满了水，大鼠们待在圆盘之上，这个圆盘一半在笼子里，一半在笼子外（见图2.1）。 笼子里的大鼠们吃得好喝得好，只是圆盘会时不时开始旋转，从而迫使它们不得不移动，否则它们将会被丢进水里。每次当大鼠们快要睡着的时候，圆盘就会开始旋转，它们不得不保持清醒……这样的情况大概每天要发生 100 次。 睡眠剥夺的影响是显而易见的：实验中的所有大鼠都在两周之内死亡，比被剥夺食物的大鼠的死亡还要快得多。在实验过程中，这些大鼠都出现了皮肤上的病变，并且体重减轻了很多，虽然它们吃得不比正常情况下少，甚至有时比正常大鼠吃得更多……它们的免疫系统被彻底搅乱了。然而，当研究人员对它们进行尸检的时候，并不能确定它们确切的死亡原因。 尽管这个实验的过程令人印象深刻，但似乎有必要对其结论进行一些调整。一方面，实验人员后来又用小鼠和鸽子做了同样的实验，但是并没有动物死亡。另一方面，即使是用大鼠来做实验，如果我们用不那么激烈的“唤醒方法”来剥夺它们的睡眠，它们似乎也不会死亡。所以有一些研究人员认为，在雷克查芬的实验中，大鼠的死亡应该主要是由“水上圆盘”引起的高度精神压力而导致的。 当然，我们还没有在人类群体中重复过此类实验，但迄今为止，还没有因为“缺乏睡眠”而致死的案例（不过，为了得到确凿无疑的结论，我们还得查阅一下出于军事目的的睡眠剥夺实验和此类酷刑所产生的机密数据……）。请注意，如果你正想尝试进行睡眠剥夺实验，很遗憾地告诉你，出于安全考虑，《吉尼斯世界纪录大全》将拒绝收录这些纪录。 长途飞行，从不休息 除了这些奇怪的“实验”得出的结论参差不齐之外，我们还不得不提到，动物界有很多物种有时会主动剥夺自己的睡眠，一些迁徙的鸟类就是这种情况，比如高山雨燕（图 2.2）。根据一项研究报告，它们可以连续飞行 200 天以上而不需要着陆休息！ 在哺乳动物群体中，如果用游戏让海豚保持兴奋状态，那么它们有可能会连续好几天不睡觉。更神奇的是，在海豚宝宝出生后，海豚妈妈和宝宝会有 6 个星期的时间几乎从不睡觉！出乎意料的是，这些自发性的睡眠剥夺和我们熬了一整夜之后需要“补觉”的情况不同，这些动物似乎并不会产生什么特别的后果。需要指出的是，人们发现，在某些情况下，鲸类或鸟类似乎能够让它们大脑两个半球中的一个进入睡眠状态，而这可以让它们既保持肌肉的活跃状态，同时又能进行某种特殊形式的睡眠。 节约能量 **种假说：我们睡觉仅仅是为了“节约能量”。从表面上看，我们在睡眠中所消耗的能量确实较少，但这种解释并不完全令人满意。如果仅仅是为了节约能量，那么平静的清醒状态同样可以起到这种作用，同时还能让我们对潜在的危险保持警觉。 为了更好地理解我们为什么总是忍不住要去“会周公”，有一个重要的线索：不同的物种所需要的睡眠时间是不同的。确实，大象每天只需要小睡 2 ～ 3 个小时，而有些蝙蝠每天要花 20 个小时来睡觉！这种巨大的差异似乎与动物在生物进化树上的位置无关，而与动物的体重（此处指身体质量）和饮食有关。图 2.3 显示了不同的食草动物的体重和睡眠时间之间的相关性：显然，体重越大的动物，睡眠时间要比体重较小的动物少得多！ 除了体重之外，饮食也很重要：在大小相似的同类动物中，食肉动物需要的睡眠比食草动物需要的睡眠多得多：比如，猫头鹰每天要睡 14 个小时，而灰雁则只需要睡 6 个小时。 这些观察结果表明，睡眠的作用并不是为了“节约能量”，而是与新陈代谢的效率有着一定的关系。 睡眠：比抗氧化食物更管用 *受欢迎的解释之一，是睡眠能够保护大脑免受所谓的“氧化应激”。当我们的身体通过消耗营养物质而产生能量时，某些化学反应会产生自由基。这些自由基是含有氧原子的分子，它们很容易与周围的环境发生化学反应。我们知道，这些自由基会对我们的细胞和 DNA 造成损害，这正是导致我们衰老的主要原因（见第 13 章）。 幸运的是，我们的身体知道如何通过利用特定的酶和通过从饮食中获取某些抗氧化分子来对抗“氧化应激”，这就是著名的“抗氧化剂”。在这场“战斗”中，睡眠和由医生主导的“人工昏迷”的效果是一样的，都是为了给患者的身体提供喘息的机会，以从创伤中恢复过来。通过减少大脑的活动，睡眠可以减少自由基对大脑的攻击，从而让大脑实现自我修复。 为了支持这一假说，*近有研究表明，在大鼠实验中，睡眠剥夺正是通过“氧化应激”机制导致了脑细胞损伤的增加。 那为什么会做梦呢？ 到目前为止，我们已经笼统地谈论了睡眠，但并没有详细讨论“睡眠”这件事所对应的若干种状态。我们知道，就人类的情况而言，一次夜间的睡眠可以被分解为一系列各持续约 1.5 小时的周期，在同一周期之内我们会经历不同的阶段。阶段通常有 4 个：轻度睡眠期、中度睡眠期、深度睡眠期和快速动眼期。一个睡眠周期或多或少都会遵循这个顺序，有的时候在两个周期之间人会短暂地醒来（见图 2.5）。 从入睡到醒来，夜间睡眠周期的组成也会发生变化。在夜里刚入睡的时候，深度睡眠持续的时间比较长，而到了快睡醒的时候，深度睡眠持续的时间就很短了；而快速动眼期的情况则正好相反。由于深度睡眠对于身体而言是*具有恢复性的，这大概就是为什么外婆总跟你说“午夜前的睡眠事半功倍”。 快速动眼期阶段的睡眠是*耐人寻味的：它是梦发生的阶段。实际上，这一阶段之所以被称为“快速动眼期”，是因为在这一阶段，大脑非常活跃，消耗氧气的速度与清醒状态相当，甚至可能高于清醒状态。 我们有时会听说，剥夺人的快速动眼期睡眠会导致人出现神经错乱，但这只不过是个都市传说。相关主题的实验已经证明，即使在没有快速动眼期睡眠的情况下，动物也是可以生存的。有些动物，比如爬行动物，完全没有快速动眼期这个阶段。当然了，快速动眼期睡眠本身也一定起着某种必不可少的重要作用，否则新生儿为什么每天要花多达 9 个小时的时间来做梦呢！ “模拟人生” 目前有好几种有趣的理论来解释快速动眼期睡眠。一种理论认为，在此阶段大脑不再释放某些神经递质，这既可以解释梦境不受约束的本质，也意味着大脑中的神经活动可以得到一定的“休息”。法国神经生物学家米歇尔·朱维（Michel Jouvet）—正是他在 1961 年首次将睡眠分为不同的阶段，则提出了另一种更大胆的理论。朱维的理论基于一个惊人的观察：在动物界中，快速动眼期的睡眠量似乎与新生宝宝出生时的成熟度有关。比如海豚宝宝，生下来就在水中徜徉，完全没有快速动眼期！与之相反，鸭嘴兽宝宝刚生下来的时候，既看不到东西又非常脆弱，每天差不多要花 8 个小时的时间来做梦！ 于是，一种可能的解释出现了：梦境通过向我们展示对现实的模拟，起到加速我们大脑成熟的作用。在梦中，我们的大脑就像在现实经验中一样运作和成长。因此，梦境之于现实生活，就好比模拟飞行器之于驾驶飞机—只不过，这是一种更频繁且没有危险的训练方式。 其他相关理论表明，快速动眼期睡眠，甚至一般意义上的睡眠，对于巩固记忆和重组大脑信息都是至关重要的。今天，我们依然很难回答“人为什么要睡觉”这个问题，特别是，我们难以解释为什么睡眠或许是由于某种特定原因造成的，但却*终承担了各种重要的功能。更不用说对普通人进行相关对照实验的困难程度了！亲爱的读者，你们中是否有这样的志愿者，愿意将自己的身体（和夜晚）奉献给科学事业呢？