Perché dormiamo? Per riparare i danni causati dalla respirazione, affermano i ricercatori.

I delfini alternano il sonno con l'emisfero destro o sinistro del cervello. Le giraffe necessitano solo di due ore di sonno al giorno, mentre i pipistrelli ne necessitano quasi venti. Esiste una grande diversità nella forma e nella durata del sonno, con una costante: il regno animale dipende da questi periodi di riposo. Anche noi umani non possiamo vivere senza dormire; in media, trascorriamo un terzo della nostra vita dormendo.

Ma chi dorme entra in uno stato di indifesa e vulnerabilità, rischiando, ad esempio, di essere ucciso dai nemici. Inoltre, chi dorme rinuncia ad attività utili come la ricerca di cibo e di un compagno. Da una prospettiva di biologia evolutiva, il sonno è quindi un grande mistero: perché gli organismi animali non riescono a fare a meno di queste pause pericolose e costose?

Dopo decenni di instancabile lavoro investigativo, un gruppo di ricerca guidato da Gero Miesenböck dell'Università di Oxford è ora vicino a trovare una risposta. I neurofisiologi hanno studiato i moscerini della frutta per esaminare come si sviluppa il bisogno di sonno durante il giorno. E indiverse pubblicazioni scientifiche , hanno descritto come il corpo determina quando è il momento di coricarsi di nuovo.

Il sonno svolge numerose funzioni. Svolge un ruolo centrale nell'apprendimento e nella regolazione del sistema immunitario, come dimostrato da numerosi studi. Tuttavia, Miesenböck e il suo team sostengono che il sonno svolga principalmente uno scopo ancora più fondamentale: garantire che le cellule non subiscano danni eccessivi durante la respirazione, ottenendo così l'energia necessaria alla loro sopravvivenza.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno raccolto diverse prove a sostegno della loro tesi. Ora combinano queste prove con i loro risultati, recentemente pubblicati sulla rivista "Nature", per formare una catena di ragionamenti coerente .

La catena di eventi esamina ciò che accade all'interno di cellule nervose specializzate. Quando queste cellule si attivano, mettono il resto dell'organismo in uno stato di sonno. Negli esseri umani, decine di migliaia di cellule appartengono al centro di controllo del sonno, mentre nei moscerini della frutta ce ne sono solo una trentina. Le cellule di questo centro possiedono una sorta di sensore. Misura la pressione del sonno, o in altre parole, indica l'aumento della stanchezza.

Come Miesenböck e il suo team hanno dimostrato sei anni fa, il sensore reagisce agli acidi grassi danneggiati. Gli acidi grassi possono essere danneggiati in questo modo a causa della respirazione cellulare nei mitocondri. Questi compartimenti cellulari specializzati sono spesso chiamati le centrali elettriche della cellula perché responsabili della produzione di energia.

Nei mitocondri, il cibo viene metabolizzato. Durante questa reazione chimica, gli elettroni vengono trasferiti all'ossigeno, liberando energia. Utilizzando un complesso apparato chiamato catena di trasporto degli elettroni, i mitocondri catturano l'energia degli elettroni e la convertono in un'altra forma di energia chimica: l'adenosina trifosfato, o ATP in breve. Questo è il trasportatore di energia universale che le cellule utilizzano per guidare i loro processi biochimici.

Quando gli elettroni seguono il loro percorso predeterminato nella catena di trasporto degli elettroni, quattro di essi raggiungono l'ossigeno simultaneamente. È così che si forma l'innocua acqua. Occasionalmente, tuttavia, un elettrone sfugge e va direttamente all'ossigeno.

Questo è un problema perché se l'ossigeno assorbe anche un solo elettrone, si trasforma in una sostanza chimica altamente pericolosa, il cosiddetto radicale dell'ossigeno: per acquisire più elettroni, il radicale dell'ossigeno distrugge tutto ciò che incontra.

Spesso, è necessario utilizzare molecole simili ai grassi provenienti dalla membrana mitocondriale. Quanto più intensamente i mitocondri metabolizzano il cibo, tanto più radicali dell'ossigeno vengono prodotti e tanto più acidi grassi vengono danneggiati. Questi vengono poi distribuiti in tutta la cellula e trovano la loro strada verso il canale ionico, dove incontrano il sensore e, infine, attivano le cellule che inducono il sonno.

Miesenböck vede le cellule che inducono il sonno come una sorta di fusibile in un circuito elettrico. "Se nel circuito scorre troppa corrente, il fusibile salta per primo. Questo protegge gli altri componenti da eventuali danni."

Le cellule del centro di controllo del sonno non interrompono effettivamente un circuito elettrico, ma avviano una fase di riposo durante la quale il sistema surriscaldato può raffreddarsi e rigenerarsi. Durante il sonno, i mitocondri hanno il tempo di riparare i danni accumulati durante le ore di veglia.

I mitocondri producono energia in tutte le cellule del corpo. Perché le cellule che inducono il sonno sono le più sensibili? Secondo Miesenböck e il suo team, ci sono due ragioni. In primo luogo, le cellule nervose richiedono una quantità di energia eccezionalmente elevata rispetto alle altre cellule del corpo. "Il cervello costituisce circa il due percento del nostro peso corporeo, ma consuma circa il venti percento dell'ossigeno che respiriamo", afferma Miesenböck. Per questo motivo, le cellule nervose devono fare i conti con i radicali liberi dell'ossigeno più di altre cellule.

In secondo luogo, "le cellule che inducono il sonno si comportano in modo anticiclico", afferma Miesenböck. Sono meno attive quando siamo svegli e mangiamo. Proprio quando i mitocondri hanno molto carburante da bruciare, le cellule necessitano di poca energia. Questo squilibrio tra domanda e offerta rende la respirazione cellulare nei mitocondri più soggetta a errori e porta alla formazione di più radicali dell'ossigeno.

Nel loro ultimo studio, il gruppo di ricerca ha esaminato cosa accade nelle cellule che inducono il sonno quando alle mosche viene impedito di dormire per una notte. "Abbiamo finto di essere stupidi per indagare nel modo più aperto e imparziale possibile quali processi biologici vengono attivati ​​o soppressi dalla privazione del sonno", spiega Miesenböck.

Vedere che i risultati di questa analisi coincidevano esattamente con i risultati precedenti sul canale ionico è stata per lui una "grande soddisfazione". Tutti i geni che sono più attivi durante la privazione del sonno svolgono un ruolo nella produzione di energia. Al microscopio, i ricercatori hanno anche osservato che dopo una notte insonne, le cellule che inducono il sonno contenevano più mitocondri, ma questi erano significativamente più piccoli.

A quanto pare, la privazione del sonno porta a un aumento della divisione o scissione dei mitocondri, una sorta di meccanismo protettivo. "Riteniamo che queste divisioni servano a separare le regioni danneggiate da quelle ancora funzionanti, in modo che queste ultime possano essere inviate al sistema di smaltimento dei rifiuti cellulari", spiega Miesenböck.

In ulteriori esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che la connessione tra privazione del sonno e piccoli mitocondri funziona anche nell'altra direzione: quando hanno utilizzato l'ingegneria genetica per indurre i mitocondri nei moscerini a dividersi più rapidamente, le cellule che inducono il sonno si sono attivate meno frequentemente e i moscerini hanno dormito per periodi più brevi. Al contrario, i mitocondri che si fondono più ampiamente tra loro, formando così meno compartimenti ma più grandi nelle cellule, portano a durate del sonno più lunghe.

Dai loro risultati, i ricercatori concludono che il sonno è un adattamento alla respirazione con ossigeno: questo comportamento si è evoluto per soddisfare un'esigenza fondamentale del metabolismo energetico. "La causa del sonno è un semplice problema biochimico", afferma Miesenböck.

A suo avviso, i risultati spiegano anche perché le persone con malattie mitocondriali si sentano costantemente esauste. "Non soffrono di debolezza muscolare, quindi i loro mitocondri producono abbastanza energia", afferma Miesenböck. "Ma a causa della malattia, nel processo si perdono più elettroni. Questo porta a un maggiore bisogno di dormire".

Paragona gli elettroni in fuga ai granelli di sabbia in una clessidra: ne vengono aggiunti di nuovi in ​​continuazione e il loro numero indica quando è il momento di ripristinare l'equilibrio e quindi di andare a dormire.

Miesenböck conta quindi mentalmente elettroni invece di pecore quando non riesce ad addormentarsi? "No", risponde. "Per fortuna, di solito dormo bene. Ma se una notte sono tormentato dalle preoccupazioni, accendo la lampada sul comodino, con grande costernazione di mia moglie. E leggo finché non sono stanco e riesco a riaddormentarmi."