Осьминог в объятиях Морфея. Что появилось раньше — сон или мозг?

Недавно ученые зафиксировали состояние сна у гидры — маленького морского существа с крайне примитивной нервной системой. На сегодняшний день это единственное простейшее животное, о котором ученые не побоялись сказать, что оно спит. Но зачем вообще спят животные, если вместо этого они могли бы охотиться и размножаться?

Марина Слащева, нейробиолог и автор телеграм-канала Blue_Arrakis, рассказывает о том, как устроен сон у китов, ящериц и насекомых, и о том, каковы функции того странного состояния, в котором мы проводим треть жизни.

Кто не рискует, тот не спит

С точки зрения выживания в дикой природе сон — это очень плохая идея. Животное, находящееся в отключке и невосприимчивое к внешним стимулам, может быть съедено другим животным, которому не спится. Не говоря уже о том, что вместо сна животное могло бы искать пищу, партнеров для размножения или социализироваться с другими животными — повышать свою приспособленность к окружающей среде, как сказали бы эволюционные биологи. Но, кажется, животных, которым не спится, в природе не найти. Если никому не удалось выскользнуть из лап Морфея, значит, сон выполняет ключевую для выживания функцию — и ученые до сих пор не могут четко ее сформулировать.

Когда вы спали последний раз, ваш сон колебался между двумя совершенно разными фазами — быстрого и медленного сна, названными так из-за наблюдаемых частот мозговых колебаний. Человек проводит большую часть ночи в медленном сне, который подразделяется на дополнительные фазы. Эти фазы — от первой до четвертой — последовательно сменяют друг друга, а волновые колебания в мозге становятся всё медленнее и больше. В самой глубокой, четвертой стадии человек наименее восприимчив к окружающим стимулам. Для быстрого сна характерно полное отсутствие мышечного тонуса, когда мышцы расслаблены и «диссоциированы» от мозга, а также быстрые, дергающиеся движения глаз. Поэтому быстрый сон еще называют REM (от rapid eye movement, «быстрые движения глаз») или парадоксальным сном — электрическую активность мозга практически не отличить от активности во время бодрствования человека. Она полна быстрых колебаний маленькой амплитуды, будто мозг активно чем-то занят. В действительности в парадоксальной фазе сна мы видим (и запоминаем) большинство сновидений.

Сменяющиеся фазы быстрого и медленного сна характерны для всех млекопитающих и птиц, но не у всех устроены одинаково. Длительность сна отличается: слоны, лошади и коровы спят от двух до четырех часов в сутки, а некоторые летучие мыши и броненосцы спят до двадцати часов! У человека за ночь быстрый сон сменяет медленный 4–6 раз. Каждый цикл (медленный + быстрый сон) занимает около полутора часов. Но у большинства животных этот цикл гораздо короче: у шиншиллы он протекает всего за 6 минут.

По сравнению с другими животными люди пользуются невиданной привилегией — спят в один заход за сутки, в то время как многим зверям приходится погружаться в сон то тут, то там на небольшие промежутки времени.

Глубокий медленный сон считается самым важным для восстановления организма, но погрузиться в него можно, только преодолев легкие стадии медленного сна. При полифазном сне — отдельными заходами — больше времени тратится на менее продуктивный легкий сон только для того, чтобы погрузиться в глубокую стадию, поэтому считается, что монофазный сон обладает преимуществом. По этой же причине интервальный сон у людей «для повышения продуктивности» — не очень хорошая идея в долгосрочной перспективе.

За день намаешься, спишь — не просыпаешься

Наши научные представления о сне антропоцентричны: фазы быстрого и медленного сна определяются характеристиками мозговых сигналов, что подразумевает наличие не просто мозга, а мозга достаточно крупного и удобного, позволяющего снять электроэнцефалограмму или наблюдать его электрическую активность. Но как определить сон у рыбки, мушки или домашнего питомца без использования электродов, а главное — как отличить сон от обычного отдыха, спячки или комы? Ученые еще в ХХ веке пристально наблюдали за разными животными и, помимо электрофизиологических, выделили поведенческие критерии сна, которые не дискриминируют ни одной букашки. Животное должно находиться в физическом покое. Животное сложно разбудить. Животное принимает определенную позу для сна или выбирает для этого особое место. Состояние сна легко обратимо — после пробуждения животное выглядит бодрым. Вишенка на торте и самый главный критерий — гомеостатическая регуляция. Это своего рода баланс: если животное потревожили во сне или вовсе лишили сна, то недосып нужно будет компенсировать позже. Вооруженные этими критериями, ученые 1980-х годов стали внимательно наблюдать за сном всего, что движется, и подсчитывать движения усиков, лапок и щупалец во сне.

Спят птицы, киты, морские котики и… динозавры?

Сон птиц больше всего похож на сон млекопитающих, поскольку состоит из быстрой и медленной фаз, хотя считается, что в процессе эволюции быстрый (он же парадоксальный) сон появился в этих группах независимо. Снятся ли птицам сны — никто не знает, но птиц и морских млекопитающих объединяет уникальное свойство — однополушарный сон, при котором одна половина мозга бодрствует, а вторая погружена в медленный сон. Китам, дельфинам, морским котикам и ламантинам способность вздремнуть одним полушарием помогает поддерживать терморегуляцию, вовремя замечать хищников и двигаться, чтобы оставаться у поверхности и периодически выныривать для дыхания. Однополушарным бывает только медленный сон. Ведь в парадоксальном сне отключаются мышцы, и тогда животное медленно опускалось бы ко дну.

Морские котики, живущие и в воде, и на суше, подтверждают правило — только в воде они спят одним полушарием, а на суше оба полушария синхронно впадают и в медленный, и в быстрый сон.

Мигрирующие птицы тоже не могут позволить себе потерю мышечного тонуса во время перелетов, иначе они рухнут с небес на землю. Но птицы активно используют однополушарный сон еще и для защиты от хищников. Утки часто спят большими стаями, и было показано, что птицы, расположившиеся по краям стаи, с большей вероятностью спят только одним полушарием, в то время как другое полушарие и один открытый глаз охраняют от хищников всю стаю. Кстати, некоторые сонные привычки птицы унаследовали от своих древних предков — динозавров. Сделать заключения о сне или поведении динозавров крайне сложно, но ученые обнаружили окаменелость динозавра, свернувшегося в той же позе, в которой спят современные птицы. Был ли сон динозавров однополушарным или включал в себя быструю фазу, остается загадкой.

Спят ящерицы, осьминоги и каракатицы

До недавних пор считалось, что быстрый сон — это эволюционная новинка, появившаяся только у птиц и млекопитающих, но исследования сна рептилий и осьминогов расширили наши представления о (и без того) парадоксальном сне. Сначала быстрый сон нашли у бородатой агамы — ученые записывали электрическую активность мозга ящерицы и следили за движениями глаз: циклы быстрого и медленного сна сменялись каждые 80 секунд. Эти наблюдения поставили под вопрос предположение, что быстрый сон у млекопитающих и птиц эволюционировал независимо — возможно, он уже присутствовал у последнего общего предка.

Недавно ученые детально изучили сон осьминогов. Они убедились, что активность осьминогов снижается: они не реагируют на постукивание по аквариуму и на появление краба, на которого в бодрствовании начали бы охотиться. Во сне осьминогов отчетливо сменялись две фазы, которые ученые из осторожности назвали «спокойным» и «активным» сном. Во время первого кожа осьминога бледнела и глаза оставались неподвижными, а во время второго — активного — глаза двигались, а цвет и текстура кожи динамично изменялись. Признаки быстрого сна обнаружились и у каракатиц — морских головоногих моллюсков и эволюционных родственников осьминогов. В покое у них время от времени наблюдались быстрые движения глаз, изменение окраски и подергивание щупалец.

Спят мушки и тараканы

В начале 1980-х предположение о том, что насекомые тоже спят и их сон можно изучать, было достаточно смелым. В научном сообществе такие идеи граничили с сумасшествием. Это не остановило Ирен Тоблер, которая в качестве объекта выбрала тараканов (а позже — скорпионов). Мозг насекомых крайне мал, и наблюдать за его электрической активностью гораздо сложнее, так что обычно их сон изучают по поведенческим признакам.

Тоблер подробно описала позы, в которых тараканы спят, а также доказала наличие у них гомеостатической регуляции: если сон потревожен, то его недостаток необходимо компенсировать — словно бы тараканам надо отсыпаться на выходных.

Стоит отметить, что, когда речь идет о насекомых, ученые говорят исключительно о медленном сне и пока не заподозрили у них признаков быстрого.

Все поведенческие критерии сна нашлись и у маленькой мушки дрозофилы, любимой биологами за простоту содержания и изучения. На мушках изучали множество разных вещей, относящихся ко сну. Кофеин бодрит их точно так же, как и нас, причем чем больше кофеина — тем меньше сна, в то время как антигистаминные вещества (входящие в состав противоаллергических препаратов), наоборот, увеличивают продолжительность сна. Еще любопытнее то, что количество сна у мушек снижается с возрастом — как и у стариков, со временем теряющих сон и покой. Это означает, что некоторые молекулярные процессы, связанные со сном, обучением и старением, у нас мало отличимы от мушек и эволюционно стары. Так, например, у моллюска аплизии, благодаря которому стали известны молекулярные механизмы консолидации воспоминаний, при депривации сна нарушалось формирование и кратковременных, и долговременных воспоминаний.

Спят медуза и гидра

Мозгом в нейробиологии называют всё, что выглядит как централизованное скопление нейронов в одном месте, как правило — в голове. Мозг таракана, мушки или моллюска хоть и очень мал, чтобы забраться в него электродами, но всё еще попадает под это определение. А вот у медузы или гидры такого мозга нет — только нервные клетки, разбросанные по всему телу и формирующие сеть. Такая нервная система называется диффузной. Нужен ли для сна полноценный мозг? Похоже, что нет.

За поведением медузы Cassiopea наблюдали в большом резервуаре: в период покоя пульсация ее тела снижалась на треть, состояние было легко обратимым — медуза охотно «просыпалась», чтобы закусить рачком, а депривация сна снижала активность медузы на следующий день, подтверждая главный критерий сна — гомеостатическую регуляцию. Гидра устроена еще проще медузы. У нее нет не только мозга, но и большинства привычных для нас органов и тканей, только два слоя клеток — «кожа» и «кишечник» с разбросанными по ним нейронами. Гидра способна двигаться, и исследователи из Японии показали, что она снижает свою активность на небольшой отрезок времени каждые 4 часа. Ее можно легко разбудить светом, а если не давать гидре заснуть, раскачивая контейнер, то ей приходится отсыпаться позже. При этом мелатонин — гормон, вырабатывающийся у нас ночью и стимулирующий сон, — погружал в сон и гидру.

Ученые пошли дальше и изучили гены, участвующие в регулировании сна гидры, — их нашли, изучив разницу в работе генов выспавшейся и невыспавшейся гидры. Более 40 из этих генов оказались сходными с генами человека или мыши, несмотря на то, что гидры, вероятно, самые эволюционно далекие от нас из ныне живущих существ, способных двигаться.

Значит, сон выполняет какую-то невероятно важную функцию, общую для всего живого.

Зачем спать?

Сну приписывается множество функций: восстановление сил, терморегуляция, детоксикация, развитие мозга, поддержание его пластичности, сохранение памяти и т. д. Все они не очень согласуются с тем фактом, что сон требуется даже существам без централизованного мозга, а значит, играет фундаментальную роль на уровне каждой клетки организма, а не только мозга. Одна из возможных функций сна, важная для любого существа, — метаболическая. Сон нужен для того, чтобы сохранять энергию, разделять несовместимые химические реакции в организме и эффективно направлять метаболические ресурсы на нужды организма во время сна. Эту идею поддерживает тот факт, что во время болезни людям и животным требуется больше сна — вероятно, для того, чтобы перенаправить ресурсы организма с бодрствования на работу иммунной системы и восстановление.

Депривация сна у гидр в буквальном смысле разрушительна — она нарушает нормальный процесс деления клеток, что логично вписывается в идею о метаболической функции сна.

Метаболическая функция может быть самой ранней и необходимой для каждой клетки организма, но не единственной. Со времен ранних животных сон эволюционировал и приобрел другие функции. Эволюция — как замок из песка: на основании возводятся башенки, добавляются балкончики и т. д., и всё это приобретает новые функции. Функциональные элементы могут переиспользоваться и преобразовываться. Например, быстрый сон — относительно новое эволюционное явление, возможно, независимо появившееся у млекопитающих, птиц и, может быть, головоногих моллюсков, таких как осьминоги и каракатицы. Всегда ли сны связаны с быстрой фазой сна? Мы не знаем. Возможно, сны — еще одна эволюционная надстройка со своими функциями. Вездесущность сна доказывает его необходимость и самую основную, общую для всех базовую функцию, но нет смысла искать лишь одну функцию сна — в процессе эволюции их надстраивается невероятное множество.

Источник