kwallen hebben geen hersens, maar ze slapen

Ze hebben geen hersens, of zelfs maar iets meer dan een rudimentair zenuwstelsel, maar kwallen hebben blijkbaar wel bedtijden.

Nieuw onderzoek toont aan dat kwallen in een slaap-achtige toestand komen. Als het onderzoek, dat vandaag (21 september) is gepubliceerd in het tijdschrift Current Biology, wordt bevestigd door toekomstige studies, zijn kwallen de allereerste dieren zonder centraal zenuwstelsel die slapend zijn waargenomen. Deze bevinding zou de theorie kunnen ondersteunen dat slaap een opkomende eigenschap van neuronen is – met andere woorden, slaap zou iets kunnen zijn dat zenuwcellen die in een netwerk met elkaar verbonden zijn, gewoon doen, zelfs zonder complexe organisatie.

“De echte nieuwigheid van wat we hebben laten zien, is dat dit dier dat evolutionair gezien bijna zo ver verwijderd is van mensen en hogere dieren als je maar kunt gaan, ook deze geconserveerde gedragstoestand van slaap lijkt te hebben”, zei coauteur Claire Bedbrook, een promovendus in bio-engineering aan het California Institute of Technology.

De oorsprong van slaap

Slaap is cruciaal om te overleven, maar niemand weet precies wat het doet of waarom het voor het eerst is geëvolueerd. Een studie uit 1995 in het tijdschrift Behavioural Brain Research toonde aan dat ratten binnen drie weken stierven als ze geen slaap meer kregen. Eenvoudige dieren zoals de worm Caenorhabditis elegans, die slechts 302 neuronen en een uiterst eenvoudig centraal zenuwstelsel heeft, blijken patronen van activiteit en rust te vertonen die ontzettend veel op slaap lijken.

Ravi Nath, een afgestudeerde student aan Caltech en co-auteur van de nieuwe studie, bestudeert gewoonlijk deze slaapachtige toestand bij C. elegans. Hij en zijn lab-adviseur, Paul Sternberg, vroegen zich af of ze bewijs konden vinden van slaap in nog eenvoudigere dieren. Nath vertelde Live Science dat hij aan kwallen dacht.

Een andere afgestudeerde student van Caltech, Michael Abrams, was toevallig op hetzelfde moment kwallen aan het kweken in het lab van bioloog Lea Goentoro voor een project dat daar niets mee te maken had. Het viel hem op dat één geslacht, Cassiopea, of de omgekeerde kwal, ’s nachts minder actief leek te worden. Cassiopea zit het grootste deel van de tijd ondersteboven op de bodem van de oceaan of de tank, en pulseert haar bel ongeveer één keer per seconde, vertelde Abrams aan Live Science. Dit sedentaire gedrag maakt de omgekeerde kwal een gemakkelijk dier om gedrag te volgen.

Snoozing jellies

Abrams en Nath bundelden hun krachten met Bedbrook om te onderzoeken wat de kwallen precies aan het doen waren. Om aan te tonen dat de kwallen sliepen, moesten ze bewijzen dat hun gedrag aan de standaardcriteria voor slaap voldeed: verminderde activiteit die snel omkeerbaar is, in tegenstelling tot een coma of bewusteloosheid; verminderd reactievermogen op stimuli in vergelijking met een wakkere toestand; en homeostatische regulatie, wat betekent dat er een soort aangeboren “drang” is om te slapen en dat het dier slaap nodig heeft om te functioneren.

Om de activiteit te meten, telden de onderzoekers de pulsatiesnelheid van de bel bij 23 kwallen gedurende zes opeenvolgende dagen en nachten. Ze ontdekten dat de pulsatiesnelheid ’s nachts met 32% daalde, van ongeveer 1.155 pulsaties per 20 minuten overdag tot 781 pulsaties per 20 minuten ’s nachts. Toen de onderzoekers een kleine middernachtsnack in de waterkolom stopten, leefden de kwallen weer op en begonnen weer te pulseren met de snelheid van overdag, wat erop wijst dat deze rustperiode gemakkelijk omkeerbaar was.

Maar waren de kwallen minder ontvankelijk dan normaal? Om daar achter te komen, stopten de onderzoekers de kwallen in kleine bakjes gemaakt van PVC pijp met een gaasbodem. Ze tilden de kwallen voorzichtig op van de bodem van de tank en trokken de bak vervolgens snel naar beneden, waardoor de kwallen in het water bleven zweven.

Cassiopea kwallen zitten liever dan dat ze zwemmen, dus de zwevende kwallen baanden zich pulserend een weg naar de bodem van de tank. Overdag pulseerden ze echter veel sneller dan ’s nachts, toen het ongeveer 6 seconden duurde voordat ze begonnen te pulseren.

Daarna testten de onderzoekers of het slaperige gedrag van kwallen onder homeostatische controle stond. Eenvoudiger gezegd: de vraag was: Zouden kwallen zich de volgende dag moe gedragen als ze ’s nachts hun rust werden ontnomen? Om dat uit te zoeken, bliezen de onderzoekers om de 20 minuten gedurende 10 seconden zachte impulsen water naar de kwallen. Zij ontdekten dat wanneer zij de kwallen op deze manier stoorden gedurende de laatste 6 uur van de nacht, de kwallen 12% minder pulseerden in de eerste 4 uur van de volgende dag, alsof zij moeite hadden om wakker te worden. Toen de onderzoekers de verstoringen de hele nacht lieten voortduren, waren de kwallen de hele volgende dag 17 procent minder actief. Na een volledige nacht zonder verstoringen waren de kwallen de volgende dag weer normaal actief.

Evolutie van de slaap

Een brandende vraag is of het slaapachtige gedrag in kwallen hetzelfde soort gedrag is dat uiteindelijk aanleiding gaf tot de complexe slaap van hogere dieren. Onderzoekers weten dat dezelfde genen en moleculen die de slaap in wormen en vliegen regelen, ook de slaap in zebravissen en mensen regelen, aldus Nath. De onderzoekers konden in deze studie niet naar die genen en moleculen zoeken, maar ze doseerden het water van de kwal met melatonine en het antihistaminicum pyrilamine, twee stoffen die mensen slaperig maken. De kwallen werden ook minder actief in aanwezigheid van deze stoffen, wat suggereert dat de slaaptoestand bij de oudst bekende dieren en bij mensen dezelfde biologische wortels zou kunnen hebben.

“Als dit iets is dat bewaard is gebleven in wat we waarnemen bij andere ongewervelde dieren, gewervelde dieren of mensen, wat is dan de gemene deler?” zei Bedbrook. “Wat hebben ze allemaal gemeen dat de reden zou kunnen zijn dat deze dieren deze slaaptoestand doormaken?”

De volgende stap, zei Nath, zou kunnen zijn om elektroden te gebruiken om de activiteit van de neuronen van de kwal tijdens de slaapachtige toestand te volgen.

“We zouden graag willen zien of er andere soorten kwallen zijn die ook slapen,” voegde Bedbrook eraan toe. “We zouden ook graag willen weten of sponzen, het niveau daaronder, ook slapen. Sponzen hebben helemaal geen zenuwstelsel, hoewel ze wel enkele rudimentaire genen en eiwitten bezitten die in het zenuwstelsel van andere dieren voorkomen.

Oorspronkelijk artikel op Live Science.