Сонное царство

Сон — явление очень древнее и, как принято считать, всеохватное. Во всяком случае, специалисты не решаются, указав на какое-нибудь животное, заявить, что оно никогда не спит. Спят все, но по-разному, что открывает перед учеными бездну возможностей. И эта статья посвящена нетрадиционным объектам исследования сна.

Фото: Barbara Walton / EPA

В поисках неспящих

Спящие животные уязвимы для хищников, они не едят и не размножаются. Тем не менее они спят, следовательно, сон — не пустая трата времени, а жизненная необходимость, хотя функции сна так до конца и не поняты. Обычно их изучают, исследуя последствия недосыпания.

Работая с людьми, мышами и крысами, дрозофилами и круглыми червями, исследователи выяснили, что от бессонницы страдают нейроны, эндокринные клетки поджелудочной железы, жировая ткань, клетки кожи и иммунной системы. Отказывает память, нарушаются терморегуляция, секреция инсулина и работа иммунной системы, портится кожа. Крысы, которым несколько суток не давали глаз сомкнуть, начинают объедаться и при этом теряют вес, у них на коже появляются язвочки и развивается полиорганная недостаточность. От такой жизни они могут и умереть.

Увы, эти наблюдения не позволяют судить о функции нормального сна. Физиологические процессы так тесно сопряжены, что нарушение одного из них обычно имеет множественные последствия: недосып может непосредственно влиять лишь на один фактор, что вызывает эффект домино.

Чтобы выявить первичную функцию сна, ученые используют филогенетический подход. Они исходят из того, что сон возник на ранней стадии эволюции. И если установить, на какой именно, можно понять, для чего он нужен. Но существовал ли вообще такой первоспящий предок? Сон мог возникать неоднократно и независимо у разных групп животных, однако исследователи считают это маловероятным.

Процесс сна неплохо изучен у человека и традиционных лабораторных животных: мышей, дрозофил, рыбок данио и почвенных нематод Caenorhabditis elegans. Нейрохимическая регуляция сна у этих животных, относящихся к разным систематическим группам, очень похожа. Так, нейромедиатор (молекула, передающая сигнал от нервных клеток) дофамин подавляет сон у мышей, дрозофилы и C. elegans. Нейропептиды, регулирующие сон у C. elegans, действуют также на дрозофилу и данио. Мелатонин вызывает сон у птиц, рыб, медуз и плоских червей, эпидермальный фактор роста способствует сну дрозофил, млекопитающих и нематод. Кофеин и модафинил бодрят и дрозофил, и позвоночных. И наконец, механизм развития клеточного стресса, вызванного ограничениями сна, одинаков у млекопитающих, птиц и насекомых.

Кроме того, у эволюционно далеких видов бессонница нарушает одни и те же процессы: консолидацию памяти, развитие и обмен веществ. Поэтому логичнее предположить, что сон появился у некоего общего предка, чем утверждать, что он несколько раз возникал независимо, используя один и тот же механизм биохимической регуляции.

Согласившись с этим, можно приступать к поискам, а для этого следует отличать спящих от бодрствующих, что непросто. Неподвижное существо совсем необязательно спит. Оно может замереть в засаде или, сократив все мышцы, впасть в состояние тонической неподвижности, притворившись мертвым. Так некоторые животные защищаются от хищников. И зимняя спячка совсем не то, что обычный сон. Закрытые глаза (у тех, кто их закрывает) — тоже не показатель, потому что бодрствовать можно и с закрытыми глазами, а некоторые рептилии во сне держат один глаз открытым.

Большим подспорьем в диагностике сна служат электрофизиологические измерения. Во время сна меняются электрическая активность мышц и волновая активность мозга, которую регистрирует электроэнцефалограмма (ЭЭГ). У тех, кто мозга не имеет, измеряют потенциал местного поля — это временные электрические сигналы, возникающие в разных тканях в результате суммарной синхронной электрической активности отдельных клеток. Регистрируют этот сигнал с помощью внеклеточного микроэлектрода.

Однако ЭЭГ трудно делать у мелких животных и в природной обстановке, поэтому очень важны поведенческие признаки сна. Животные, которые, судя по ЭЭГ, спят, а не притворяются, ведут себя следующим образом. Они неподвижны, однако быстро выходят из этого состояния, если их разбудить. У них повышен порог возбуждения, то есть они реагируют на более сильные внешние раздражители, чем во время бодрствования: бодрствующему животному достаточно легкого прикосновения, чтобы оно шевельнулось, а спящее надо толкнуть посильнее. Если животное долго не спит, то оно потом отсыпается (восстанавливается) в неурочное время. Причем многие спят в характерной позе, например сворачиваются калачиком. Поведенческие и электрофизиологические признаки сна соответствуют друг другу, поэтому при полевых наблюдениях можно довольствоваться поведенческими критериями.

Еще одна проблема заключается в том, что животных бывает сложно застать во время сна. Некоторые тратят на сон очень мало времени, слонам, например, достаточно двух-трех часов в день. Другие почти не спят в определенные периоды жизни. Так, белолобый воробей во время миграции спит втрое меньше, чем обычно, а большой фрегат, летая над океаном, тратит на сон десятую часть того времени, которое проводит во сне на суше. Новорожденные косатки и бутылконосые дельфины в первый месяц после рождения почти постоянно активны.

И мигрирующие птицы, и китообразные могут спать, находясь в движении, одной половиной мозга, в то время как другая бодрствует (это показали электрофизиологические исследования). Следовательно, чтобы доказать, что какое-то животное никогда не спит, за ним надо непрерывно наблюдать несколько сезонов, в разные периоды жизни, в разных условиях, причем наблюдения нужно подкрепить электрофизиологическими исследованиями.

Мадейрский таракан Leucophaea maderae — первое беспозвоночное, у которого описали сонное поведение

Вниз по лестнице существ

К счастью, нам нужно не за каждым животным проследить, а за представителями разных классов, многие из которых хорошо описаны. Сон необходим для нормальной работы мозга (см. «Химию и жизнь» 2014 №3). Все обладающие мозгом позвоночные (млекопитающие, птицы, рептилии и рыбы) спят. Спят и насекомые, у которых довольно сложная центральная нервная система. Спят осьминоги и каракатицы, их нервные узлы образуют такое крупное окологлоточное скопление, что его называют мозгом. Спят брюхоногие моллюски: морская улитка Aplysia californica и прудовик Lymnaea stagnalis. Их нервная система также централизована, хотя скоплений, подобных мозгу головоногих, у них нет.

У планарий, или плоских червей, очень примитивная центральная нервная система — от парного головного ганглия вдоль тела тянутся два нервных ствола, соединенных поперечными комиссурами. Но спят и они, что доказано на гигантской планарии Girardia tigrina.

У круглых червей нематод C. elegans всего 302 нейрона, большинство их собрано в передней части тела, какая-никакая, а централизация. Развиваясь из яйца во взрослую особь, нематоды проходят несколько личиночных стадий и во время переходов между этими стадиями спят. Это состояние называется летаргусом и длится около двух часов. В это время черви не едят, малоподвижны, менее чувствительны к слабым раздражителям, однако на сильные реагируют. Следовательно, при такой скромной нервной системе и при отсутствии явных околосуточных поведенческих ритмов животные все-таки спят.

Можно заключить, что сон не зависит от размера нервной системы, но нужна ли для него централизация? По-видимому, нет, потому что животные, ее не имеющие, тоже спят. Почивают по ночам медузы, нервная система которых состоит из нескольких колец нейронов, объединенных в сеть. Это доказали специалисты Калифорнийского технологического института в Пасадене, США, под руководством Леа Гоэнторо (Lea Goentoro), работавшие с медузой рода Casseopea (см. «Химию и жизнь» 2017 №12). Пульсация спящей медузы замедляется, чувствительность к внешним стимулам снижается, а если сильное течение мешает медузам спать, они отсыпаются днем.

Еще примитивнее нервная система гидры. Около пяти тысяч ее нейронов образуют жиденькую диффузную сеть. Но спят и гидры. Японские и корейские исследователи под руководством Чхунхуна Лима (Chunghun Lim), доцента Ульсанского национального института науки и технологий, и Тайчи Ито (Taichi Itoh), доцента Университета Кюсю, работали с обычной Hydra vulgaris. Оказалось, что сон ей необходим для клеточного деления. Во время сна гидры чаще неподвижны или покачивают щупальцами. Если не давать гидрам спать, встряхивая контейнер, в котором они находятся, или резко менять температуру воды, они потом отсыпаются и клетки у них не делятся. Спящая гидра с задержкой реагирует на вспышку света и пищевой сигнал — каплю глутатиона.

Сон большинства животных согласован с циркадным (24-часовым) ритмом: кто-то спит ночью, кто-то днем. Сон гидры подчиняется не циркадному, а четырехчасовому ритму. По мнению исследователей, такой сон может быть предковой формой цикла сна и бодрствования у млекопитающих. Исследователи обнаружили 212 генов, изменяющих активность, когда гидру лишают сна, причем последовательности 41 гена имеют значительное сходство с их гомологами у человека, мыши и дрозофилы.

Молекулярная регуляция сна гидры также отчасти похожа на регуляцию у животных с развитой нервной системой. Такие снотворные соединения, как мелатонин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) и цГМФ-зависимая протеинкиназа 1 (PRKG1), усыпляют и гидру. Но есть и неожиданности. Возбуждающий нейромедиатор дофамин вгоняет гидру в сон. Исследователи предположили, что нервная система изменила реакцию на дофамин в ходе эволюционного развития, при этом регуляторные пути с участием мелатонина, ГАМК и PRKG1 остались прежними. Так что сон и многие механизмы его регуляции имеют весьма древнее происхождение.

Если и гидра спит, то для засыпания не требуется регуляция центральных нейронов. Более того, ученые не исключают, что возникновение сна вообще может быть не связано с нейронами. Даже у млекопитающих сон регулируют сигналы клеток, не относящихся к нервной системе. Вот мыши, например. У них, как и у прочих зверей, есть циркадный ген BMAL1, который работает в мозге и мышцах и регулирует сон. Когда ген отключают, мыши спят дольше и в неположенное время. Если восстановить работу BMAL1 в нейронах головного мозга, это мышам не поможет. А восстановление работы гена только в скелетных мышцах возвращает животным нормальный сон. Дрозофил склоняет ко сну активность гена Relish, который активен в жировом теле, органе, аналогичном печени позвоночных.

Состояние сна контролируют не только нейронные, но и эндокринные сигналы. Так, выделяемый нейронами мелатонин вызывает сон у птиц, рыб, медуз и плоских червей. Но такие соединения могут синтезировать и другие клетки.

Существуют животные, у которых нет нейронов. Это губки и представители типа пластинчатых. Одно из таких существ, Trichoplax adhaerens — маленькое многоклеточное диаметром 2-3 мм, состоящее из трех слоев и шести типов клеток, среди которых нет ни нервных, ни мышечных. Живет трихоплакс на морском мелководье в тропиках и субтропиках и питается водорослями. У него есть железистые клетки, которые могут секретировать нейропептиды, он воспринимает сигналы окружающей среды и отвечает на них, движется и ест благодаря скоординированному действию ресничек. Губки тоже лишены мышц и нейронов, но имеют гены, кодирующие белки, из которых строится каркас синапса, их сокращения подчиняются суточному ритму, они реагируют на окружающую среду. Увы, об их сне пока ничего неизвестно.

Trichoplax adhaerens — животное без нейронов. Спит ли оно, никто не знает

А нужен ли сон, если нет необходимости давать отдых утомленным нейронам, переключать их с одной задачи на другую или очищать от накопившегося «мусора»? Весьма вероятно, что нужен, поскольку дает возможность сэкономить энергию, потратить ее не на движение, а на рост, развитие, сопротивление болезням. Поэтому спят нематоды во время линьки, а личинки дрозофилы и молодые мухи почивают дольше взрослых. Много времени уходит на сон у детенышей млекопитающих, у больных животных. Сон также позволяет разделить во времени несовместимые биохимические реакции.

Сны в пещере и в улье

У многих животных сон подчинен циркадному ритму. Он зависит от освещенности, и большинство обитателей пещер очень мало спят. Работа с ними позволяет изучать влияние факторов окружающей среды на сон.

С пещерными рыбами много работал молекулярный генетик Эрик Дюбу (Erik Duboue) из Флоридского Атлантического университета (США). В качестве объекта он выбрал астианакса мексиканского Astyanax mexicanus. Эта небольшая пресноводная рыбка живет в заводях ручьев и рек. Со временем астианаксы освоили подземные водоемы, и образовалась пещерная форма, лишенная глаз и пигментации.

Астианаксы спят, однако пещерные рыбы тратят на сон на 80% меньше времени, чем поверхностные. Те, кто живет на поверхности, спят ночью и активны днем. Пещерные формы в полутьме поддерживают циркадные двигательные ритмы и теряют их только в полной постоянной темноте. Это значит, что их циркадный ритм зависит от наличия света и пещерные рыбы сохранили светочувствительность, несмотря на потерю зрения.

Оказалось, что у пещерных рыб очень чувствительная боковая линия, где вдоль тела расположены нейроны, которые ощущают ток воды, — чувствительнее, чем у наземных сородичей. Это адаптационное изменение, компенсирующее потерю зрения. Если воздействовать на пещерных рыб химическим веществом, убивающим нейроны боковой линии, продолжительность их сна заметно увеличивается, поэтому исследователи предположили, что за изменение сна отчасти ответственна гиперчувствительность боковой линии.

У пещерных рыб более чем в три раза повышен уровень нейропептида бодрствования орексина/гипокретина, а удаление боковой линии его снижает до уровня форм, живущих на поверхности. Орексин синтезируют клетки гипоталамуса, и повышение чувствительности боковой линии, очевидно, повлияло на его функцию. Связь между работой сенсорных систем и регуляцией сна несомненна.

A. mexicanus из разных популяций скрещиваются между собой, что позволяет получать гибридных рыб разной внешности и с разными особенностями сна. Поскольку потеря сна в разных пещерах происходила независимо, исследователи не исключают, что механизмов потери сна может быть несколько. Возможно, скоро ученым удастся эти механизмы расшифровать, потому что геном A. mexicanus недавно прочли.

Astyanax mexicanus — глазастая речная рыбка и слепой пещерный альбинос

Сон, оказывается, зависит и от социальной роли животного. Этот феномен сейчас активно изучают на медоносной пчеле Apis melifera. Пчелы спят, что доказано электрофизиологическими исследованиями. В течение жизни эти насекомые меняют амплуа. Самые юные ухаживают за личинками и не покидают улья, спустя три недели их привлекают к добыванию пищи. Изменения в образе жизни сопровождаются изменениями в работе генов (генной экспрессии), эпигенетических изменениях и структуре мозга.

Сравнив сон няньки и фуражира, исследователи обнаружили, что няньки проводят во сне больше времени. Можно выяснить, какие гены за это отвечают. Разные пчелиные семьи также различаются соотношением периодов быстрого и медленного сна, что позволяет исследовать вклад генетической изменчивости в регуляцию сна. Возможно, соответствующие гены медоносной пчелы скоро найдут.

Сны быстрые и медленные

У млекопитающих, птиц и, возможно, рептилий сон подразделяется на быстрый и медленный. У круглый червей, дрозофил и раков активность нейронов во время сна напоминает медленный сон, так что он, возможно, эволюционно более древний. Однако у каракатиц обнаружили фазу, напоминающую быстрый сон. Предполагают, что разделение на медленный и быстрый сон произошло около 300 млн лет назад, а зачем — пока неясно.

Продолжительность медленного сна увеличивается после длительного бодрствования. Вслед за медленным сном наступает быстрый. Для него характерны быстрые движения глаз, колебания частоты сердечных сокращений и дыхания. При быстром сне метаболические потребности мозга и его высокочастотная активность почти такие же, как во время бодрствования, при медленном сне они ниже, чем при быстром сне или бодрствовании. Быстрый и медленный сон регулируют разные нейроны.

Во время медленного сна температура мозга снижается, а при быстром возвращается к исходному значению. При этом увеличивается приток теплой крови из тела в мозг, но другие системы терморегуляции не задействованы: шерсть, у кого она есть, дыбом не встает. Не исключено, хотя и не доказано, что возникновение быстрого сна связано с необходимостью подогреть остывший мозг. Не случайно быстрый сон не наблюдается сразу после бодрствования, когда температура мозга еще достаточно высока.

Быстрый сон — время сновидений. Однако и в периоды медленного сна людям иногда что-то снится, хотя и не такое яркое и запоминающееся. Млекопитающие тоже видят сны, изучением которых занят калифорнийский биолог Джером Сигель (Jerome Siegel) .

Благодаря электроэнцефалограмме (ЭЭГ) и электромиограмме (ЭМГ), которая фиксирует электрическую активность мышц, сон разделили на три стадии, в зависимости от частоты и амплитуды электрических волн: период бодрствования, медленный сон (медленные движения глаз во время сна) и быстрый сон (быстрые движения глаз).

У разных млекопитающих и птиц время, проведенное в фазе быстрого сна, очень сильно различается. Например, хорьки, утконосы и домашние кошки ежедневно тратят на быстрый сон от трех до восьми часов, а лошади, жирафы и слоны — менее часа, и то не каждый день. Африканские слоны вообще спят очень мало, причем стоя, а ложатся только раза два в неделю. ЭЭГ слонам не делали, но разумно предположить, что сон в положении стоя — это медленный сон, потому что быстрый подразумевает расслабление мышц. Быстрый сон у слонов возможен, лишь когда они ложатся. Эти выводы подтверждают и наблюдения за азиатскими слонами, живущими в неволе. Поведенческие признаки быстрого сна у них отмечали только в положении лежа. Если млекопитающие видят сны лишь в «быстрой» стадии, слонам крайне редко что-нибудь сниться. Но, возможно, у них, как и у людей есть и «медленные» сновидения. Пока судить об этом сложно, не спросишь ведь у жирафа, что ему снилось.

Киты, дельфины, кашалоты и другие китообразные не могут расслабиться даже во сне: им нужно оставаться на плаву и дышать. Они спят медленным сном, причем однополушарным: половина мозга спит, половина бодрствует. Температура спящего полушария снижается, заметных признаков быстрого сна нет. По-видимому, сны китов, если они их видят, бледнее, чем обычные медленные, потому что кит смотрит их одним полушарием. Кроме того, яркие сны китам опасны, иначе им пришлось бы отделять реальную картину мира, наблюдаемую бодрствующим полушарием, от сновидения.

Между прочим, считается, что быстрый сон необходим для консолидации памяти, то есть перехода информации из временной памяти в долговременную. У слонов и китов с долговременной памятью все в порядке, а быстрого сна у них почти нет. Интересно, как они решают проблему консолидации?

Ластоногие ведут полуводный образ жизни. Моржи и настоящие тюлени спят как наземные млекопитающие, а морские котики на суше спят как наземные, а в воде, где они непрерывно проводят месяцев по семь, у них сон однополушарный, почти с полным отсутствием быстрого сна, как у китов. Таким образом, на суше они могут видеть полноценные сны, а в море дремлют вполмозга.

У яйцекладущих млекопитающих, утконоса и ехидны, есть и быстрый сон, и медленный. Утконосам делали ЭЭГ и обнаружили, что их быстрый сон, которому они посвящают до восьми часов в день, непохож на быстрый сон других млекопитающих. У них прерывается связь между стволом и корой головного мозга, возможно из-за отключения холинергической системы (нейронов, выделяющих ацетилхолин). В таком состоянии сновидений, скорее всего, нет. Если и видят утконосы сны, то лишь во время медленной фазы, короткие и разрозненные.

Удивительно спит даман — малый родич слонов и ламантинов. Южноафриканские и американские исследователи отловили пятерых капских даманов, поместили в вольеры и имплантировали телеметрические устройства, позволившие записывать ЭЭГ, ЭМГ и ЭКГ у свободно двигавшихся животных. Оказалось, что даманы спят около семи часов, при этом на бесспорно быстрый сон приходится всего шесть минут, около шести часов на медленный и около 43 минут на стадию, названную somnus innominatus (SI). Эта стадия имеет характеристики и медленного, и быстрого сна.

У капских даманов трехфазный сон и удивительные сновидения

Это означает, что даман может видеть не только типичные быстрые и медленные сны, но и сновидения промежуточного типа. Если так, у дамана можно будет исследовать корреляцию между сновидениями и активностью нейронов (современные методы позволяют это сделать) и этот чудесный зверь предоставит нам важную дополнительную информацию о физиологии сновидений.

Большинству знаний о физиологии сна мы обязаны мышам. Существует множество лабораторных линий, способы генетической модификации мышей, визуализации работы их нейронов. За их сном и бодрствованием легко наблюдать с помощью ЭЭГ и ЭМГ. Есть и другие простые модельные организмы — данио, дрозофилы и C. elegans — с хорошо изученным геномом и известной эволюционной историей, на которых удобно исследовать механизмы регуляции сна. Но использование нетипичных объектов исследования открывает перед учеными новые возможности. Нельзя же на мышах изучать медленный однополушарный сон или дремы пещерных жителей. А что касается эволюции функций сна, взоры человечества устремлены на губку и трихоплакса. Скоро мы узнаем что-нибудь новое. И в конце концов выясним, кому и зачем нужен сон.

Кандидат биологических наук
Н.Л. Резник