Последствия недостатка воды ощущаются каждой клеткой организма, но именно мозг формирует наше ощущение жажды.
Фотография: Getty Images Сохранить эту историю Сохранить эту историю
Оригинальная версия этой истории была опубликована в журнале Quanta Magazine.
Вода — важнейшая потребность для всего живого на Земле. Не каждому организму нужен кислород, и многие производят себе пищу самостоятельно. Но для всех существ, от глубоководных микробов и слизевиков до деревьев и людей, вода не подлежит обсуждению. «Первым актом жизни было закрепление воды в клеточной мембране», — написали два нейробиолога в недавнем обзоре. С тех пор клеткам приходится поддерживать достаточную влажность, чтобы оставаться живыми.
Вода – это среда, в которой происходят все химические реакции в организме, и эти реакции тонко настроены на узкий диапазон соотношений воды и соли, ещё одного важнейшего компонента в химии жизни. Клетки вашего тела проницаемы для воды, поэтому, если водно-солевой баланс окружающей жидкости – например, крови, лимфы или спинномозговой жидкости – выходит за пределы нормального диапазона, клетки могут разбухать, сморщиваться, усыхать и даже потенциально лопаться. Дисбаланс может привести к нарушению работы клеток мозга, теряя способность регулировать концентрацию ионов на своих мембранах и проводить потенциалы действия.
Хотя эти последствия недостатка воды ощущаются каждой клеткой организма, сами клетки не кричат от жажды. Вместо этого мозг отслеживает уровень воды в организме и формирует ощущение жажды — сухость языка, жар в горле и быстрое наступление недомогания, — которое запускает действие: набрать воды.
«Эти нейронные контуры, контролирующие голод и жажду, расположены глубоко в примитивных структурах мозга, таких как гипоталамус и ствол мозга», — говорит Закари Найт, нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, который недавно стал соавтором обзорной статьи в журнале Neuron о нейробиологии жажды.
Верблюды не испытывают жажду так, как мы: они сжигают жировые запасы или извлекают из желудка целые галлоны воды, когда им нужна вода.
Моаз Тобок, лицензия CC0 Creative Commons от PexelsПоскольку эти области мозга трудно изучать — не только из-за их расположения, но и из-за их состава, состоящего из множества различных типов клеток и переплетённых нейронных связей, — нейробиологи лишь в последнее десятилетие начали понимать фундаментальные механизмы чувства жажды. Исследователи обнаружили, что тело наполнено сенсорами, которые передают мозгу информацию о том, сколько воды или соли организму необходимо потреблять. Как работают эти сенсоры и что они собой представляют, учёным до сих пор не дано понять. Их существование открывает захватывающую возможность: вода, возможно, и имеет основополагающее значение для жизни, но жажда — это лишь обоснованное предположение.
Зондирование окружающей среды
Чтобы понять чувство жажды у млекопитающих, нужно рассматривать его не как констатацию факта мозгом: «Мне нужна вода», а как наблюдение мозга за окружающей средой, за организмом. Подобно экологу, берущему пробы в реке, мозг анализирует химический состав крови, чтобы понять, что нужно организму.
Почти во всех случаях так называемый гематоэнцефалический барьер защищает мозг от бактерий, вирусов и других опасностей, циркулирующих в крови. Но есть несколько исключений, когда мозг напрямую взаимодействует с кровью, в том числе в околожелудочковых органах, расположенных глубоко в мозге, рядом с гипоталамусом.
Два из этих органов — сосудистый орган конечной пластинки (OVLT) и подфорникальный орган (SFO) — представляют собой органы чувств, напоминающие нос или ухо. Они действуют подобно учёным, погружающим ведро в реку крови организма, чтобы проверить его состояние. На основе этих данных мозг определяет потребность организма в соли и воде и передаёт информацию в нейронные цепи, расположенные ещё глубже, что затем может вызвать то, что мы ощущаем как жажду — першение в горле, сухость во рту и затуманивание сознания, которые сопровождают желание воды.
Органы, анализирующие кровь, измеряют не уровень воды, а концентрацию соли, здоровый диапазон которой практически совпадает с концентрацией солоноватой приливной воды, в которой впервые эволюционировали позвоночные (которая примерно на треть менее соленая, чем морская вода). Когда соотношение воды и соли слишком низкое, мы испытываем жажду. Человеческое тело состоит примерно на 60 процентов из воды, хотя это число варьируется от ткани к ткани (кости составляют 31 процент, мозг — 73 процента, легкие — 83 процента). Изменения содержания воды в крови на 1–3 процента, которое в норме составляет около 60 процентов, достаточно, чтобы OVLT и SFO инициировали знакомые неприятные ощущения, мотивирующие поведение. Если уровень соли высокий, животное пьет.
Однако существует разрыв между употреблением воды и коррекцией водно-солевого баланса. Вода попадает в кровоток через 30–60 минут после употребления, и мозг не может ждать так долго, чтобы определить, достаточно ли воды в организме. Он должен принять решение практически мгновенно; животное не может сидеть и ничего не делать, только пить воду в течение получаса.
Итак, мозг делает предположение. Включаются ещё несколько таинственных датчиков. Один из них приблизительно оценивает объём воды, проходящей через рот и горло, и посылает первичный сигнал в мозг. Второй сигнал поступает из кишечника — от определённых типов клеток, реагирующих на воду и даже на механическое растяжение желудка при её поступлении. В течение минуты эти сигналы достигают мозга и блокируют нейроны в OVLT и SFO, которые активировались, вызывая жажду. Реакция жажды отключается; горло охлаждается, и рот снова становится влажным.
Мозг тигра вызывает чувство жажды, чтобы побудить кошку пить воду.
Беррит Уоткин, CC BY 2.0 через Wikimedia CommonsОднако жажда — лишь одна сторона поддержания гомеостаза. Соль, а точнее, натрий, — один из важнейших элементов питания животного. Животным натрий необходим для генерации потенциалов действия нейронами, для поддержания формы и функций белков и для протекания химических реакций внутри клеток — всего того, что происходит в их повседневной жизни. Для обеспечения всех этих функций нам необходимо поддерживать определённую концентрацию ионов натрия в жидкостях нашего организма. Это обратная сторона жажды.
«Есть лишь пара вещей, которые настолько важны для организма, что при их дефиците возникает совершенно врождённое желание их получить», — сказал Найт. «Кислород, пища, вода и натрий».
Однако животные, подобные нам, не испытывают тягу к соли как к мощному, контролирующему влечениям, как мы к кислороду, пище и воде. Датчики передают сигналы об уровне соли в мозг; помимо OVLT и SFO, датчики в сердце регистрируют растяжение предсердий и желудочков. Но аналогичного соляного острая боль, когда мы в ней нуждаемся, подобно тому, как желудок бурлит в ожидании еды или першение в горле требует воды, не возникает. Вместо этого потребность в соли опосредована вкусом и нейронными путями вознаграждения мозга. «Вкус соли бимодальный», — сказал Найт. «В малых дозах она приятна на вкус; в больших — отвратительна, как морская вода».
Представьте себе желание съесть большой пакет чипсов. Если организму нужна соль, эти чипсы вызовут выброс приятного дофамина в мозг. Если же соль не нужна, этот приток дофамина исчезает. «По сути, это обучение с подкреплением», — говорит Юки Ока, нейробиолог из Калифорнийского технологического института, изучающий, как организм поддерживает гомеостаз. «Больше дофамина означает повторяющееся поведение».
Каждый жаждет по-своему
Учёные, наблюдающие за рекой, собирают данные, а затем решают, действовать ли на основании полученных данных. Аналогично, тот факт, что мозг измеряет уровень натрия в крови, не означает, что он обязан действовать на основании этой информации.
Возьмём, к примеру, тринадцатиполосых сусликов Елены Грачёвой. Грачёва, нейрофизиолог из Йельской медицинской школы, изучает этих грызунов, обитающих в североамериканских лугах, чтобы понять, как определённые области мозга контролируют жажду. По её словам, тринадцатиполосый суслик — идеальная модель для этого, поскольку он проводит в спячке более полугода, не едя и не пьёт. «Они как монахи», — сказала Грачёва. «Они не выходят на улицу восемь месяцев. В их подземной норе нет воды». Как же они не испытывают жажды?
Елена Грачева (слева) проследила, как мозг тринадцатиполосых сусликов (справа) подавляет их жажду в течение многих месяцев спячки.
Предоставлено лабораторией Грачевой.
CC-BY 2.0 через Wikimedia CommonsДело не в том, что белкам не нужна вода. Она им нужна. Их тела жаждут её. Но, согласно исследованию Грачёвой, во время спячки их мозг игнорирует сигналы организма.
У млекопитающих падение уровня воды в крови (что означает одновременное повышение концентрации соли, при прочих равных условиях) запускает два сопряженных процесса. Гипоталамус вырабатывает гормон вазопрессин, который заставляет почки удерживать воду, а не выделять её в виде мочи, а SFO запускает инстинкт жажды, побуждая животное пить. Однако, когда суслики находятся в спячке, уровень вазопрессина у них резко повышается, но животное всё равно не пьёт. «Цепь вазопрессина была нормальной, но активность нейронов, отвечающих за жажду, была снижена», — сказала Грачёва. «Эти два пути не связаны». Организм пытается удержать имеющуюся воду, но не предпринимает попыток увеличить её потребление.
Логика нарушенной работы нейронных цепей чрезвычайно мощна. «Даже если разбудить их посреди спячки, они не будут пить», — сказала Грачева.
Базовая сеть, которую Грачева изучает у белок, универсальна для всех млекопитающих, включая человека. Но та же неврологическая логика не приводит к одинаковому поведению. Люди выпивают стакан воды, когда испытывают жажду. Кошки и кролики в основном получают воду из пищи. Верблюды могут сжигать жировые запасы для получения воды (что приводит к образованию углекислого газа и воды), но они также потребляют её галлонами и хранят в желудках на случай, если она им понадобится. Морские выдры могут пить морскую воду и выделять мочу, которая более солёная, чем вода, в которой они плавают; они — единственные морские млекопитающие, которые активно это делают.
То, как каждое животное управляет водой и солью, зависит от его экосистемы, образа жизни и селективного давления. На вопрос «Что значит испытывать жажду?» нет однозначного ответа. Каждый из нас испытывает жажду по-своему.
Источник: www.wired.com
