L'homme n'est pas le seul animal à présenter du sommeil paradoxal (SP).  Et la phylogenèse du sommeil (l'étude de son évolution et de ses caractèristiques à travers les différentes espèces) peut aider à comprendre la signification biologique du SP.
Son apparition coïncide avec celle de l'homéothermie, c'est-à-dire la capacité à maintenir une température centrale élevée et constante quelle que soit celle de l'environnement (capacité présente chez les oiseaux et les mammifères).

Autre remarque, plus un animal est immature à la naissance plus il a du sommeil paradoxal; et ceci non seulement à la naissance mais également à l'âge adulte. Cependant ce n'est vérifié que chez les mammifère: les oiseaux, très immatures à la naissance, n'ont que peu de sommeil paradoxal. Toutefois, aussi bien chez les oiseaux que chez les mammifères, la quantité de SP est environ cinq fois plus élevée à la naissance qu'à l'âge adulte.

Chez toutes les espèces vivantes, il représente d'abord 50 à 80% des nombreuses heures de sommeil du nouveau-né, puis il diminue progressivement.
Malgré l'importance que certains scientifiques donnent au sommeil paradoxal pour le développement des fonctions supérieures du cerveau, les deux mammifères les plus primitifs (le tatou géant et l'opossum) présentent des quantités impressionnantes de sommeil paradoxal, tandis que l'homme n'en a qu'une quantité très moyenne. En général, plus un animal dort, plus il présente de SP. Il y a toutefois des exceptions à cette règle car le paresseux par exemple, qui peut dormir jusqu'à 17 heures par jour n'a que 72 minutes de SP.

Mais, le Sommeil Paradoxal, qu'est-ce que c'est exactement:

Dans les années 50, on connaît déjà les mouvements oculaires rapides (sommeil REM = rapid eyes movements) des dormeurs. En 1958, à Lyon, M. Jouvet observe un phénomène imprévu. Les mouvements oculaires des dormeurs s'accompagnent d'un tracé d'éveil cortical, d'une atonie musculaire complète et d'un sommeil très profond : le dormeur est très difficile à réveiller, son corps devient tout mou, son cerveau s'éveille et ses yeux bougent dans tous les sens. Il nomme ces périodes actives "sommeil paradoxal".

Le sommeil paradoxal n'est pas continu au cours du sommeil: il apparaît périodiquement et sa récurrence structure les cycles de sommeil. Il se manifeste grossièrement toutes les 4 minutes de sommeil chez la souris, toutes les 27 minutes chez le chat, toutes les 90 minutes chez l'homme et toutes les 100 minutes chez l'éléphant.

Comme d'autres grandeurs physiologiques telles que la durée des cycles cardiaques, respiratoires, etc... la périodicité du SP est inversement proportionnelle, ( à l'exception des ruminants), au métabolisme de base de ces animaux. Ainsi la souris, qui a un métabolisme de base 25 fois plus grand que l'éléphant (c'est-à-dire qu'elle consomme vingt cinq fois plus d'oxygène par gramme de poids et par heure), présente 25 fois plus souvent du SP que l'éléphant... Si la souris rêve plus fréquemment, elle rêve moins longtemps que l'éléphant. 
C'est ainsi que si nous comparons la durée d'un épisode de SP avec sa périodicité chez les 26 espèces animales pour lesquelles des données fiables sont disponibles, nous trouvons un rapport, dit " rapport cyclique ", extrêmement fixe et proche de 4. Cela signifie que chaque cycle de sommeil comporte trois quarts de sommeil lent suivis d'un quart de SP, et ce dans toutes les espèces animales.

Le sommeil lent, économe en énergie pour notre cerveau, alterne ainsi régulièrement avec un SP luxueux et consommateur d'énergie. Les situations de carence énergétique cérébrale, telles que l'hypoglycémie, la fièvre... s'accompagnent d'une réduction, voire d'une suppression du SP. Il serait ainsi possible que des conditions énergétiques cérébrales particulières favorisent l'apparition cyclique du SP:
Par exemple, chez le chat en donnant à respirer à ces animaux de l'oxygène pur, le SP est alors apparu toutes les 30 minutes, soit deux fois plus souvent qu'avec de l'air normal. C'est un peu comme si l'on demandait subitement à une horloge de tourner deux fois plus vite, en lui fournissant en quelque sorte l'énergie pour le faire.

Toutes les études réalisées sur le sommeil paradoxal montrent des propriétés étonnantes, qui défient les lois habituelles de la physiologie :

• Rythme : Le SP viole le principe d'homéostasie ( "Le milieu intérieur de tout être vivant tend vers un équilibre constant...") et il se répète régulièrement toutes les 90 minutes.

• Fonction : indispensable, inutile ou dangereux ?
• Le SP revient, accru, quand on s'oppose à son apparition. Sa suppression médicamenteuse entraîne un rebond à l'arrêt du traitement. Après une nuit sans sommeil, la durée du sommeil paradoxal double la nuit suivante.
• La suppression du SP à l'aide de drogues pendant des années n'entraîne aucun trouble significatif du comportement, de la mémoire ou de l'apprentissage.
• Le SP est un état de paralysie et d'isolement sensoriel, avec une vulnérabilité totale vis-à vis d'un éventuel prédateur.
• Le SP perturbe sans raison l'équilibre interne et consomme beaucoup d'énergie.

• Equilibre interne : Au cours du sommeil paradoxal, les régulations de la respiration, du coeur, de la circulation et des fonctions neuro-végétatives sont bouleversées.
• Chez des sujets sains, on observe des pauses cardiaques de plusieurs secondes.
• Ces troubles peuvent provoquer la défaillance d'une fonction vitale et la mort.

• Energie : Au cours du SP, le cerveau utilise de l'énergie et de l'oxygène. Le métabolisme cérébral devient en partie anaérobie. Le cerveau produit des lactates et se fatigue comme un muscle à l'effort. (problème des migraines par exemple)

 
• Erection : elle accompagne le sommeil paradoxal chez l'homme quel que soit l'âge et le sexe. Inexpliquée, elle est indépendante d'un éventuel thème sexuel du rêve.

 
• Température centrale : En contradiction complète avec les lois habituelles de la physiologie, la durée du sommeil paradoxal augmente quand la température centrale diminue. A 27°, le rêve tend à devenir permanent.