Như bạn biết, tôi rất đam mê các quy luật sức mạnh trong sinh học, đây là một hệ quả sinh học của các nguyên tắc cơ bản, như bảo toàn năng lượng từ định luật nhiệt động lực học thứ nhất. Geoffrey West đã chỉ ra cách mà các mạng lưới sinh học được tối ưu hóa cao—hãy nghĩ đến mạch máu hoặc hệ hô hấp—dẫn đến sự tỷ lệ hóa allometric. Cụ thể, sản xuất năng lượng trên mỗi đơn vị khối lượng cơ thể (tỷ lệ trao đổi chất theo khối lượng) tỷ lệ với khối lượng cơ thể (M) lũy thừa với -0.25. Đây là một phần của cái được gọi là định luật Kleiber (hoặc như chúng tôi đã đặt tên trong nghiên cứu của mình, định luật Kleiber-West), nơi tỷ lệ trao đổi chất cơ bản toàn thân tỷ lệ với M^{0.75}. Đó là lý do tại sao voi tiêu tốn năng lượng hiệu quả hơn mỗi gram so với chuột, nhưng chuột sống nhanh và chết trẻ. Điều thú vị là, tỷ lệ này cũng xuất hiện trong một điều bình thường như giấc ngủ. Trên khắp các loài động vật có vú, thời gian ngủ hàng ngày tuân theo một quy luật sức mạnh tương tự: nó giảm với kích thước cơ thể khoảng M^{-0.25}. Những động vật nhỏ hơn như chuột chũi có thể ngủ hơn 15 giờ mỗi ngày, trong khi những gã khổng lồ như cá voi chỉ cần vài giờ. Điều này là một manh mối cho thấy giấc ngủ gắn liền với trao đổi chất. Hệ thần kinh là những kẻ tiêu tốn năng lượng, ngốn tới 20% oxy của cơ thể chúng ta mặc dù chỉ chiếm 2% khối lượng. Ở những sinh vật nhỏ hơn, các mạng lưới phân phối giống như fractal đó cung cấp nhiều oxy hơn cho mỗi tế bào, cho phép não của chúng hoạt động "nóng" hơn với tốc độ bắn nhanh hơn và nhu cầu năng lượng cao hơn. Nhưng sự trao đổi chất tăng tốc này tiêu tốn tài nguyên nhanh hơn, tạo ra sự thiếu hụt năng lượng mà giấc ngủ có lẽ đã tiến hóa để khắc phục. Về cơ bản, những động vật có vú nhỏ hơn tiêu tốn nhiên liệu thần kinh của chúng nhanh hơn và cần nhiều thời gian nghỉ ngơi hơn để bổ sung. Trong quan điểm này, giấc ngủ không chỉ là nghỉ ngơi—nó là một giải pháp cổ xưa cho các sự đánh đổi năng lượng do tỷ lệ Kleiber-West đặt ra, đảm bảo rằng những sinh vật có trao đổi chất cao không làm hỏng mạch điện của chúng. Chắc chắn, giấc ngủ ngày nay thực hiện những điều thú vị. Ở con người và các động vật có vú khác, nó củng cố ký ức bằng cách cắt tỉa các synapse không cần thiết trong các giai đoạn REM và làm sạch độc tố trong não thông qua hệ thống glymphatic, hệ thống này tăng cường trong giấc ngủ không REM để loại bỏ chất thải như beta-amyloid. Mối quan hệ giữa giấc ngủ và trao đổi chất có thể có bằng chứng từ lịch sử tiến hóa. Sự xuất hiện của trao đổi chất kỵ khí có thể liên quan đến sự kiện oxy hóa lớn, cách đây 2B năm. Sự kiện oxy hóa tiếp theo (Sự kiện Oxy hóa Neoproterozoic, cách đây 750 triệu năm) đã đặt nền tảng cho sự bùng nổ Cambri dẫn đến sự xuất hiện của các hệ thống thần kinh trên các loài. Và chúng ta chưa bao giờ có đủ oxy kể từ đó. Liên kết đến một bài báo tuyệt vời trên Nature của @RafSarnataro et al, và một số ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu đó sẽ có trong bình luận tiếp theo. Như thường lệ, hãy thích và chia sẻ - đây là khoa học thú vị (cảm ơn @Alexey_Kadet đã đưa điều này ra)