我们为什么要睡觉？新的科学帮助我们解读其中的秘密！（长文）( 四 ) 我们来到这个地球是为了生活

大动物比小动物需要的睡眠少，成年人比婴儿需要的睡眠少。简而言之，这意味着几乎所有的生理速率和时间——从寿命到人口增长到细胞周转再到怀孕——都以一种系统的预测方式随着体重而变化，在数学上称为“四分之一功率缩放” 。例如，一头大象比松鼠重10,000倍，因此，由于这些缩放定律，它的寿命大约长10倍，生长速度慢大约10倍，细胞更换频率大约是松鼠的1/10 ，并且花费大约分娩前怀孕时间长10倍。鲸鱼、长颈鹿、人类和猫可能看起来完全不同，生活在完全不同的环境中，但由于自然选择和共享祖先的持续过程，我们都遵循相同的基本规则、限制和权衡我们的大小。
尽管这些比例关系无处不在，但睡眠是一个显着的例外——事实上，正是这一点首先让我们对睡眠的功能有了新的认识，并需要以全新的方式分析数据。具体来说，虽然总睡眠时间会随着不同动物的体型或随着婴儿的成长而变化，但它并不遵循上述模式：睡眠时间不会随着体型而增加，而是会减少！例如，对缩放定律的天真推断会导致我们预期大象的睡眠时间是松鼠的10倍。但不仅大象的睡眠时间比松鼠少得多，差异大约是四到五倍，而不是10倍。同样，蹒跚学步的孩子比新生儿睡得少，而不是更多。
这个极其令人费解的结果与我们和其他人研究了几十年的所有生物时间相反，以不同的速度运行。经过反复摸索，我们得出了两个范式转换假设，可以解释这种困境。
首先，如果我们记得睡眠与新陈代谢的关系，那么大小和睡眠时间之间关系的倒置是有道理的。睡眠可以抵消能量产生造成的损害，睡眠也是反应性的通过对从环境处理的信息进行编码所需的神经重组来刺激。此外，修复的抵消工作和重组的反应工作，每一个都以本身由新陈代谢决定的速度发生。虽然整个身体的代谢率随着动物的大小而增加——无论是观察不同大小的物种，还是随着我们长大而增加的大小——根据异速生长比例关系，它这样做会导致每克组织的代谢率下降与体型。因此，当动物较大时，它对固定体积的组织或细胞的损伤较小。因此，它需要更少的能量和更少的睡眠时间来完成修复。
其次，如果代谢率不是由整个身体设定的，而是由身体的某个部分以相对于身体尺寸。这让我们回到大脑：与大多数其他器官和组织（如心脏）不同，长期以来人们一直观察到，大脑的大小随着不同物种的体型和婴儿的成长而呈非线性变化。这意味着，例如，大象的大脑仅比松鼠的大脑大1,000倍，而不是我们从其他器官和组织观察到的体重线性缩放所预期的30,000倍比如心脏。

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有了这两个见解，我们做了一个粗略的计算，看看修复和重组是否对大脑中的代谢过程（大脑的扩展速度比整个身体更慢）有反应，可以解释睡眠时间如何变化的长期难题–为什么大动物需要的睡眠比小动物少，为什么成年人需要的睡眠比婴儿少。我们很高兴看到结果在正确的范围内，那时我们开始认真对待这些想法，以推导出严格的、定量的和预测性的睡眠理论。
由于我们过去的研究，我们能够很好地开发方程式来表达睡眠时新陈代谢在修复和重组中的作用。以前，在研究衰老和寿命理论时，我们计算了新陈代谢造成的损害程度的估计值。我们关于睡眠的新理论是这一点的产物：我们在清醒时遭受的任何损害都必须通过睡眠期间修复这种损害所需的能量来平衡。我们通过观察大脑和身体来将这一见解置于语境中，以找出比例关系揭示了哪些在睡眠中起主导作用的比例关系。