O sono evoluiu antes dos cérebros — e hidras são a prova viva

A hidra é uma criatura simples. Com menos de 2cm de comprimento, seu corpo tubular tem um pé em uma extremidade e uma boca na outra. O pé se agarra a uma superfície subaquática — uma planta ou uma rocha, talvez — e a boca, cercada de tentáculos, enreda as pulgas d’água que passam. Não têm cérebro, nem mesmo algo como um sistema nervoso.

E, no entanto, como mostra uma nova pesquisa, ela dorme. Estudos realizados por uma equipe na Coreia do Sul e no Japão mostraram que a hidra periodicamente cai em um estado de repouso que atende aos critérios essenciais para o sono.

Isso pode parecer improvável. Por mais de um século, os pesquisadores que estudam o sono buscaram seu propósito e estrutura no cérebro. Eles exploraram as conexões do sono com a memória e o aprendizado. Eles numeraram os circuitos neurais que nos empurram para o sono alheio e nos puxam de volta para fora dele. Eles registraram as mudanças reveladoras nas ondas cerebrais que marcam nossa passagem pelos diferentes estágios do sono e tentaram entender o que os impulsiona. Uma montanha de pesquisa, unida à experiência diária das pessoas, atestam a conexão do sono humano com a presença de um cérebro.

Mas agora existe um contraponto à visão do sono centrada no cérebro. Os pesquisadores notaram que as moléculas produzidas pelos músculos e alguns outros tecidos fora do sistema nervoso podem regular o sono. O sono afeta o metabolismo de forma generalizada no corpo, sugerindo que sua influência não é exclusivamente neurológica. E um corpo de trabalho que tem crescido silenciosamente, mas de forma consistente por décadas, mostrou que organismos simples com cada vez menos cérebro gastam um tempo significativo fazendo algo que se parece muito com o sono. Às vezes, seu comportamento foi classificado apenas como “semelhante ao sono”, mas à medida que mais detalhes são descobertos, fica cada vez menos claro por que essa distinção é necessária.

Parece que criaturas simples – incluindo, agora, a hidra sem cérebro – podem dormir. E a intrigante implicação dessa descoberta é que o papel original do sono, enterrado bilhões de anos atrás na história da vida, pode ter sido muito diferente da concepção humana padrão dele. Se o sono não requer um cérebro, então pode ser um fenômeno profundamente mais amplo do que supúnhamos.

Reconhecendo o sono
Sono não é o mesmo que hibernação, coma, embriaguez ou qualquer outro estado quiescente, escreveu o cientista do sono francês Henri Piéron em 1913. Embora todos envolvessem uma ausência superficialmente semelhante de movimento, cada um tinha qualidades distintas e aquela interrupção diária de nossa experiência consciente foi particularmente misteriosa. Ficar sem isso tornava a pessoa nebulosa, confusa, incapaz de pensamentos claros. Para os pesquisadores que queriam aprender mais sobre o sono, parecia essencial entender o que ele fazia ao cérebro.

E assim, em meados do século 20, se você quisesse estudar o sono, você se tornaria um leitor especialista em eletroencefalogramas, ou EEGs. Colocar eletrodos em humanos, gatos ou ratos permitiu aos pesquisadores dizer com aparente precisão se um sujeito estava dormindo e em que estágio do sono ele se encontrava. Essa abordagem produziu muitos insights, mas deixou um viés na ciência: quase tudo o que aprendemos sobre o sono vieram de animais que podiam receber eletrodos, e as características do sono eram cada vez mais definidas em termos da atividade cerebral associada a eles.

Isso frustrou Irene Tobler, uma fisiologista do sono que trabalhava na Universidade de Zurique no final dos anos 1970, que havia começado a estudar o comportamento das baratas, curiosa para saber se invertebrados como insetos dormem como mamíferos. Tendo lido Piéron e outros, Tobler sabia que o sono também pode ser definido comportamentalmente.

Ela destilou um conjunto de critérios comportamentais para identificar o sono sem o EEG. Um animal adormecido não se move. É mais difícil despertar do que simplesmente descansar. Ele pode assumir uma postura diferente de quando está acordado ou pode procurar um local específico para dormir. Uma vez acordado, ele se comporta normalmente em vez de vagarosamente. E Tobler acrescentou um critério próprio, extraído de seu trabalho com ratos: um animal adormecido que foi perturbado dormirá mais tarde ou mais profundamente do que o normal, um fenômeno chamado homeostase do sono.

Cortesia de Irene Tobler e modificada pelo tradutor.

Tobler logo expôs seu caso de que as baratas estavam dormindo ou fazendo algo muito parecido. A resposta de seus colegas, a maioria dos quais estudou mamíferos de ordem superior, foi imediata. “Foi uma heresia sequer considerar isso”, disse Tobler. “Eles realmente zombaram de mim nos meus primeiros anos. Não foi muito agradável. Mas eu meio que senti que o tempo diria.” Ela estudou escorpiões, girafas, hamsters, gatos — 22 espécies ao todo. Ela estava convencida de que a ciência acabaria por confirmar que o sono era generalizado e, em estudos posteriores do sono, seus critérios comportamentais se provariam críticos.

Esses critérios estavam nas mentes de Amita Sehgal, da Escola de Medicina da Universidade da Pensilvânia, Paul Shaw (agora na Escola de Medicina da Universidade de Washington em St. Louis) e de seus colegas no final dos anos 1990. Eles faziam parte de dois grupos independentes que começaram a observar de perto a quiescência das moscas-das-frutas. O sono ainda era amplamente domínio de psicólogos, diz Sehgal, em vez de cientistas que estudavam genética ou biologia celular. Com relação aos mecanismos, da perspectiva de um biólogo molecular, “o campo do sono estava dormindo”, disse ela.

No entanto, o campo vizinho da biologia do ritmo circadiano estava explodindo em atividade, após a descoberta de genes que regulam o relógio de 24 horas do corpo. Se os mecanismos moleculares por trás do sono pudessem ser descobertos — se um organismo modelo bem conhecido como a mosca-da-fruta pudesse ser usado para estudá-los — então haveria o potencial para uma revolução na ciência do sono também. Moscas, como as baratas e escorpiões de Tobler, não podiam ser facilmente conectadas a uma máquina de EEG. Mas eles podem ser observados minuciosamente, e suas respostas à privação podem ser registradas.

Com cada vez menos cérebro
Em janeiro de 2000, Sehgal e seus colegas publicaram um artigo afirmando que as moscas dormem. Em março daquele ano, Shaw e seus colegas publicaram um trabalho paralelo confirmando a afirmação. O campo ainda estava relutante em admitir que o sono verdadeiro existia em invertebrados, e que o sono humano poderia ser estudado com utilidade usando moscas, diz Shaw. Mas as moscas provaram seu valor. Hoje, mais de 50 laboratórios usam moscas para estudar o sono, gerando descobertas que sugerem que o sono tem um conjunto de características essenciais presentes em todo o reino animal. E os biólogos não pararam com as moscas. “Assim que mostramos que as moscas dormiam”, disse Shaw, “então foi possível dizer que qualquer coisa dormia”.

O sono que os pesquisadores estudaram em outras espécies nem sempre foi semelhante ao da variedade humana padrão. Golfinhos e pássaros migratórios podem fazer com que metade de seus cérebros durma enquanto eles próprios parecem acordados, perceberam os pesquisadores. Os elefantes passam quase todas as horas acordados, enquanto os pequenos morcegos marrons dormem quase o tempo inteiro.

Em 2008, David Raizen e seus colegas relatarm o sono em Caenorhabditis elegans, a lombriga amplamente usada como organismo modelo em laboratórios de biologia. Eles têm apenas 959 células corporais (além de suas gônadas), com 302 neurônios que estão, em sua maioria, reunidos em vários agrupamentos na cabeça. Ao contrário de muitas outras criaturas, C. elegans não dorme uma parte de cada dia de sua vida. Em vez disso, ele dorme por curtos períodos durante seu desenvolvimento. Ele também dorme após períodos de estresse na idade adulta.

As evidências de sono em criaturas com sistema nervoso mínimo pareceram atingir um novo recorde há cerca de cinco anos, com estudos com águas-vivas. As geleias de Cassiopea, com cerca de dez centímetros de comprimento, passam a maior parte do tempo de cabeça para baixo, com os tentáculos alcançando a superfície do oceano e pulsando para empurrar a água do mar através de seus corpos. Quando Michael Abrams, agora um membro da Universidade da Califórnia, Berkeley, e dois outros alunos de pós-graduação no Instituto de Tecnologia da Califórnia perguntaram se Cassiopea poderia dormir, eles continuaram a linha de investigação que Tobler havia seguido quando ela estudou baratas, investigando se o sono existe em organismos cada vez mais simples. Se a água-viva dorme, isso sugere que o sono pode ter evoluído há mais de 1 bilhão de anos e pode ser uma função fundamental de quase todos os organismos do reino animal, muitos dos quais não têm cérebro.

A água-viva Cassiopea não tem um sistema nervoso centralizado, mas dorme. Os animais nunca param de se mover completamente, mas à noite sua taxa de pulsação diminui e eles apresentam outros comportamentos associados ao sono.

Isso porque, entre os animais, as águas-vivas estão evolutivamente tão distantes quanto você pode chegar dos mamíferos. Seus vizinhos na árvore da vida incluem as esponjas, que passam a vida presas a rochas no oceano, e os placozoários, minúsculos aglomerados de células vistos pela primeira vez por cientistas nas paredes de aquários de água salgada. Ao contrário de outras criaturas observadas dormindo, Cassiopea não tem cérebro, nenhum sistema nervoso centralizado. Mas eles podem se mover e têm períodos de descanso. Deveria ser possível, raciocinaram os alunos da Caltech, aplicar os critérios de sono comportamental a eles.

As primeiras caixas foram relativamente fáceis de verificar. Embora a água-viva pulsasse noite e dia, Abrams e seus colaboradores mostraram que a taxa de pulsação diminuía de maneira característica à noite e que os animais podiam ser despertados desse estado com algum esforço. (Também houve indicações de que a água-viva favorecia uma postura particular em uma plataforma no tanque durante esses períodos mais calmos, mas Abrams considera essa evidência ainda anedótica.) Testar se a água-viva teve a homeostase do sono foi muito mais difícil e exigiu encontrar maneiras de suavemente perturbá-las sem gerar incômodo. No final, Abrams e seus colaboradores resolveram largar a plataforma debaixo deles; quando isso acontecesse, a Cassiopea afundaria e subiria novamente, pulsando no ritmo diurno.

A pulsação de uma água-viva Cassiopea pode ser observada nesta série de fotos, tiradas de cima. A borda externa do animal está relaxada à esquerda. Ela se contrai nas duas imagens seguintes e depois relaxa novamente. A taxa dessa pulsação ajuda a indicar sono na água-viva. Cortesia de Michael Abrams.

Mais tarde, os sinais reveladores da regulação homeostática estavam lá: quanto mais as águas-vivas eram perturbadas, menos as criaturas se moviam no dia seguinte. “Não estávamos convencidos até que vimos o regulamento homeostático”, disse Abrams. Os resultados da equipe foram publicados em 2017, e Abrams continuou a investigar a genética e a neurociência da água-viva desde então.

O sono em contexto
As novas revelações sobre o sono nas hidras levam as descobertas do sono a um novo extremo. O corpo e o sistema nervoso da hidra são ainda mais rudimentares que os da Cassiopea. No entanto, como demonstraram os pesquisadores da Universidade de Kyushu no Japão e do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan na Coreia do Sul, uma vez que uma hidra entrava em estado de repouso, um pulso de luz a despertava, e ela também dormia mais depois de privações repetidas, entre outras descobertas.

O sono da hidra tem suas peculiaridades: a dopamina, que costuma fazer os animais dormirem menos, fazia com que a hidra parasse. A hidra não parece dormir em um ciclo de 24 horas; em vez disso, ela passa parte de cada quatro horas dormindo. Alguma coisa no modo de vida da hidra pode ter tornado essas características vantajosas, sugere Tobler.

Quando está ativa, uma hidra usa seus tentáculos para apanhar uma presa que passa. A hidra então puxa sua vítima para dentro de sua cavidade oral.

Mas, apesar dessas diferenças, o sono da hidra pode se sobrepor ao sono de outros animais no nível genômico. Quando os pesquisadores procuraram por atividade genética alterada pela privação de sono em hidras, eles viram alguns genes familiares. “Pelo menos alguns genes conservados em outros animais estão envolvidos na regulação do sono na hidra”, escreveu Taichi Itoh, professor assistente da Universidade de Kyushu e líder do novo estudo, em um e-mail para Quanta. Essa descoberta sugere que o filo Cnidaria, que inclui hidras e medusas ou águas-vivas, já tinha alguns componentes genéticos de regulação do sono antes de divergir dos ancestrais de outros grupos de animais como os vertebrados. À medida que esses animais evoluíam gradualmente sistemas nervosos centralizados, o sono pode ter assumido novas funções para mantê-los.

O que, então, o sono pode fazer na ausência de um cérebro? Raízen suspeita que, pelo menos para alguns animais, o sono tem uma função principalmente metabólica, permitindo que certas reações bioquímicas ocorram — as mesmas reações que não podem acontecer durante as horas de vigília. Pode desviar a energia que seria usada pelo estado de alerta e movimento para outros processos, aqueles que são muito caros para ocorrer enquanto o animal está acordado. Por exemplo, C. elegans parece usar o sono para permitir o crescimento de seu corpo e apoiar a reparação de seus tecidos. Nas hidras privadas de sono, as divisões celulares que fazem parte da vida cotidiana são interrompidas. Algo semelhante foi visto no cérebro de ratos privados de sono e em moscas-das-frutas. Gerenciar o fluxo de energia pode ser um papel central no sono.

Todas essas pesquisas sobre animais muito simples que apresentam o estado de sono levantam questões sobre a origem do primeiro organismo que dormir. Este primeiro dorminhoco, seja lá o que ele tenha sido, provavelmente desapareceu há mais de 1 bilhão de anos. Se fosse o ancestral comum entre as hidras e os humanos, provavelmente tinha neurônios e algo parecido com músculos que o permitiam se mover — e a ausência desse movimento era característica de sua versão do sono, atendendo às suas necessidades especiais.

“Se aquele animal dormia, o sono valia para qualquer que fosse o contexto”, disse Abrams. O sono pode ter ajudado a manter o sistema nervoso rudimentar do primeiro organismo capaz de dormir, mas também poderia ter se mantido pelos benefícios de seu metabolismo ou digestão. “Antes de termos cérebro, tínhamos intestino”, disse ele.

Perguntas ainda mais profundas estão sendo feitas. Em um artigo de opinião de 2019, Raizen e seus co-autores se perguntaram: se o sono acontece nos neurônios, então qual é o número mínimo de neurônios que podem dormir? A necessidade de sono pode ser impulsionada por outros tipos de células, como sugere o trabalho envolvendo células do fígado e músculos?

“Se você realmente quer ir além, os animais que não têm neurônios dormem?” Raízen perguntou.

Na verdade, existem alguns organismos cujo comportamento pode algum dia revelar a resposta. Placozoários, as criaturas multicelulares microscópicas que parecem estar entre as mais simples do reino animal, movem-se e reagem ao ambiente que os cerca. Eles não têm neurônios nem músculos. Nem as esponjas, que estão ancoradas no lugar, mas ainda respondem ao ambiente.

“Muitas vezes me perguntam: ‘As esponjas dormem?’”, Disse Abrams. “Esse é um mundo totalmente novo. Devem existir maneiras de testar isso.”