Khoa học thần kinh giấc ngủ
Giấc ngủ và sự phát sinh cá thể – chủng loại > Tiến hóa giấc ngủ

Bài chi tiết: Ngủ (không phải loài người)
Quá trình tiến hóa giấc ngủ chịu ảnh hưởng bởi nhiều nhân tố tiến hóa, bao gồm có kích thước cơ thể, tốc độ chuyển hóa tương đối, lối sống ăn thịt, khả năng định hướng con mồi, loại thức ăn mà chúng tiêu thụ, và chức năng miễn dịch. Ngủ (cụ thể là giấc ngủ sóng chậm sâu và REM) có thể nói là một tập tính tế nhị ở động vật bởi vì nó làm tăng nguy cơ bị ăn thịt từ những loài động vật khác. Điều này có ý nghĩa rằng là, khi giấc ngủ tiến hóa lên các bậc cao hơn, thì cố nhiên các chức năng tự thể phải mở rộng thêm thuộc tính (chọn lọc) nhằm tạo điều kiện thuận lợi và trọng yếu cho khả năng sinh tồn trong trường hợp các mối nguy hại hiện hữu. Dựa trên hiện thực khách quan, các công trình nghiên cứu khoa học về hành vi ngủ trên nhiều loài sinh vật khác nhau đã cung cấp cái nhìn tổng quát toàn diện, giải thích rằng làm thế nào chúng nó có thể làm giảm đi mối nguy này bằng cách tự tiến hóa cơ chế sinh lý của riêng nó hoặc nương tựa vào môi trường sống xung quanh để bảo vệ bản thân mình. Vì vậy, việc nghiên cứu sự tiến hóa của giấc ngủ có thể đưa ra các chứng cứ vững chắc, đáng tin cậy, không chỉ là nói đến khuynh hướng phát triển đi lên và các cơ chế sinh học, mà còn nói lên rằng nó là một quá trình thích nghi với các biến cố đến từ môi trường, tăng cường khả năng sinh tồn đối với hầu như tất cả mọi muôn loài sinh vật tồn tại trên Trái Đất này.
Thách thức đặt ra trong nghiên cứu tiến hóa giấc ngủ đó chính là chỉ thấy bộ phận mà không thấy toàn thể. Các dữ kiện thông tin thu thập được mới chỉ giới hạn ở ngành động vật có xương sống, và ngành chân khớp. Cùng với tập hợp dữ liệu hiện có, vận dụng phương pháp nghiên cứu so sánh sẽ giúp xác định quá trình ngủ đã tiến hóa như thế nào. Có một câu hỏi tiếp theo mà các nhà khoa học đang đau đầu và cố gắng tìm kiếm câu trả lời thông qua những đợt nghiên cứu như thế này, đó là liệu rằng giấc ngủ tiến hóa chỉ trong một lần, hay là phải trải qua nhiều lần với mức độ ngày càng hoàn thiện hơn. Để giải rõ điều này, họ nghiên cứu về những điểm tương đồng và khác biệt của các loại giấc ngủ trên nhiều lớp động vật khác nhau khi mà lịch sử tiến hóa của chúng hoàn toàn được biết đến rộng rãi.
Con người sở hữu cả hai giấc ngủ sóng chậm và giấc ngủ REM, cả hai pha này mắt đều nhắm và các biến đổi điện não diễn ra trong phạm vi của cả hai bán cầu đại não. Phạm vi nghiên cứu cũng mở rộng ở nhiều loài động vật có vú khác. Một cuộc nghiên cứu đã cho thấy rằng loài thú lông nhím chỉ có giấc ngủ sóng chậm (non-REM). Điều này dường như muốn ám chỉ ra rằng là trong diễn biến cơ bản của tiến hóa sinh học, cơ chế REM bắt đầu xuất hiện chỉ sau khi phân lớp Theria được hình thành. Nhưng rồi sau đó bùng nổ những cuộc tranh cãi giữa các nhà khoa học, có các chứng cứ phản biện lại lập luận trên tuyên bố rằng khả năng thú lông nhím nó đã kết hợp cả hai pha ngủ thành một trạng thái ngủ duy nhất. Những cuộc nghiên cứu khác mô tả dạng ngủ khác thường đặc biệt ở phân bộ cá voi có răng (chẳng hạn như là cá heo và cá heo chuột). Đây là dạng giấc ngủ sóng chậm một bên bán cầu đại não (USWS). Tại bất kỳ thời điểm nào trong chế độ ngủ này, điện não đồ của một bên bán cầu não cho thấy các kiểu sóng ngủ đặc trưng, trong khi đó hoạt động điện ghi lại ở bên bán cầu còn lại biểu thị ra các dạng sóng nhanh tần số cao biên độ thấp tức là thuộc trạng thái tỉnh thức. Trong một số trường hợp, con mắt tương ứng của bên bán cầu não không "ngủ" đó mở ra. Như vậy cho phép các loài động vật giảm thiểu đi nguy cơ bị ăn thịt đồng thời là giúp chúng có thể ngủ trong khi đang bơi ở dưới nước, mặc dù là chúng cũng có thể ngủ và ngưng sự vận động hoàn toàn nếu chúng muốn.
Người ta đã phát hiện ra sự tương quan về giấc ngủ giữa lớp thú và lớp chim, và cụ thể hơn là các loài chim cũng có giấc ngủ SWS và REM tương tự như ở động vật có vú, các quan sát có được bao gồm nhắm cả hai con mắt lại, và giảm trương lực cơ,... Tuy nhiên, tỷ lệ giấc ngủ REM ở loài chim thì thấp hơn. Cũng vậy, một số loài chim chúng có thể ngủ với tình trạng mắt nhắm mắt mở nếu có sự nguy hiểm trong môi trường của nó đang tồn tại (bị ăn thịt chẳng hạn). Chính vì điều đó nên cho phép chúng có khả năng thực hiện giấc ngủ trên không trung; bởi do giấc ngủ chiếm giữ vai trò vô cùng quan trọng và rằng bản năng sinh tồn thúc đẩy vận hành các cơ chế chuyên biệt giúp thực thi khả năng bay liên tục hàng tuần mà không biết mỏi mệt, lý luận này thật không có gì khó hiểu và kết quả đã quá rõ ràng. Thế nhưng, hiện tượng ngủ trên bầu trời vẫn chưa được quan sát các điện não đồ điển hình của nó, cho đến tận bây giờ chưa được chứng minh và kho dữ liệu vẫn trống không. Trong tương lai hẳn nhiên phải có thêm nhiều công trình nghiên cứu hơn nữa để có thể giải thích là liệu rằng loài chim có thực sự là ngủ trên trời hay không, hay là phải có một cơ chế sinh hóa đặc thù nào đó nhằm đảm bảo và duy trì tổng trạng thể lực trong quãng bay đường dài khi mà hành vi ngủ không được thực hiện.
Không như các loài chim, thì giấc ngủ của các loài bò sát có rất ít các đặc điểm nhất quán với loài người. Nhìn chung những gì quan sát thấy được đó là lớp bò sát không có giấc ngủ REM.
Ở các loài động vật không có xương sống, giới nghiên cứu cũng gặt hái được những thành tựu quan trọng cũng như là các thông tin hữu ích đáng kể. Ví dụ như là loài ruồi giấm (Drosophila) thường được dùng trong các cuộc thí nghiệm về di truyền hay là loài ong mật. Người ta đã khám phá ra được một vài cơ chế giấc ngủ ở những loài động vật như thế này, trong khi đó còn lại là những bí ẩn chưa được giải đáp như "người mù sờ voi." Đặc biệt những đặc trưng của một giấc ngủ là như thế nào đã được xác định và nghiên cứu kỹ càng chính xác, bao gồm có sự kém đáp ứng đối với các tín hiệu hướng cảm giác, bất động các râu, suy giảm đi đáp ứng vận động, các phản xạ...
Sự thật là cả hai dạng giấc ngủ đều được quan sát thấy ở động vật có vú và lớp chim, nhưng không tìm thấy các đặc điểm tương tự trên điện não đồ của lớp bò sát (có vẻ như thiên về điện não trung gian); điều này ngụ ý rằng là diễn biến tiến hóa ngủ độc lập ở cả hai loài trên. Để chứng minh giả thuyết này thì có lẽ các nhà khoa học sẽ phải vất vả hơn nhiều nữa, xem coi liệu rằng có phải là EEG và giấc ngủ có ý nghĩa tương quan về chức năng sinh học với nhau, và những biến đổi thu nhận được có thực sự là tiến hóa, hay chỉ đơn thuần là sự phản ánh đặc tính và tập tính của từng loài sao cho phù hợp với sinh giới tự nhiên. Hơn cả nữa là các cuộc nghiên cứu như thế cố nhiên nếu chúng thành công mỹ mãn đến độ phá vỡ được nguyên lý tảng băng trôi, thì điều này sẽ càng mở rộng kiến giải, nắm bắt toàn vẹn, biết rõ và hiểu thấu vai trò của quá trình sinh lý quan trọng này đối với thuộc tính khả biến thần kinh dài hạn đặc biệt đối với các loài sinh vật chiếm giữ cơ cấu hoạt động thần kinh cấp cao cần thiết cho quá trình sinh tồn của chúng.
Theo Tsoukalas (2012), giấc ngủ REM là quá trình biến hóa sinh học để tiến hóa về mặt chức năng, của một cơ chế phòng thủ loài đó chính là phản xạ chết cứng (tonic immobility). Phản xạ này cũng được biết với cái tên là hiện tượng bị thôi miên hay giả chết, được coi là phương án cuối cùng trong các cơ chế bảo vệ chúng khỏi sự tấn công của các loài thú ăn thịt khác. Đặc điểm của trạng thái này là sự bất động toàn phần cơ thể giống như chết của loài sinh vật (lấy ví dụ so sánh trong trường hợp này và cũng điển hình nhất đó là "năng lực diễn sâu của loài thú có túi ôpôt"). Khi nghiên cứu về hiện tượng học và sinh lý học thần kinh về khả năng này, họ đã nhận ra rằng có những sự tương đồng đáng kể với giấc ngủ REM, sự thực tất yếu này đã phản bội lại mối quan hệ tiến hóa theo như dự đoán của các nhà khoa học, cũng như là đánh đổ đi các hệ thống lý luận vững chắc và niềm tin kiên cố xoay quanh nó. Cụ thể rõ ràng hơn là, cả hai trạng thái này đều có biểu hiện hoạt hóa hệ giao cảm, kiểm soát và điều chỉnh xung động nơron vùng thân não, tê liệt hóa các cơ làm cho giảm trương lực, và biến đổi điểm điều nhiệt ở vùng dưới đồi qua các cơ chế feedback thần kinh. Chính lý thuyết mới này đã thống nhất toàn vẹn nhiều phát hiện nghiên cứu trước đó lại thành một thể có cơ cấu tổ chức, phù hợp với tiến trình tiến hóa qua các loài trong sự sống.