Исследования сна обычно проводятся на неврологическом уровне. Но некоторые простейшие животные в природе позволяют предположить, что сон возник по метаболическим причинам задолго до появления мозга. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Было показано, что одна из простейших форм животной жизни, крошечный водный организм под названием гидра, каждые несколько часов тратит некоторое время на сон — факт, который углубляет загадку того, почему сон вообще появился в ходе эволюции.
Введение
Гидра — простое существо. Длина её трубчатого тела составляет менее половины дюйма, на одном конце находится нога, а на другом — рот. Нога цепляется за поверхность под водой — возможно, за растение или камень, — а рот, окружённый щупальцами, ловит проплывающих мимо водяных блох. У неё нет ни мозга, ни даже какой-либо развитой нервной системы.
И всё же, как показывают новые исследования, она спит. Исследования, проведённые группой учёных из Южной Кореи и Японии, показали, что гидра периодически впадает в состояние покоя, отвечающее основным критериям сна.
На первый взгляд, это может показаться невероятным. Более века исследователи сна пытались понять его назначение и структуру в мозге. Они исследовали связь сна с памятью и обучением. Они перечислили нейронные цепи, которые погружают нас в беспамятство и выводят из него. Они зафиксировали характерные изменения мозговых волн, отмечающие переход через различные стадии сна, и попытались понять, что ими движет. Множество исследований и повседневный опыт людей подтверждают связь человеческого сна с мозгом.
Но появился контраргумент к этому мозгоцентричному взгляду на сон. Исследователи заметили, что молекулы, вырабатываемые мышцами и некоторыми другими тканями за пределами нервной системы, могут регулировать сон. Сон оказывает глубокое влияние на метаболизм в организме, что позволяет предположить, что его влияние не ограничивается исключительно неврологическими факторами. Исследования, которые постепенно, но последовательно развивались на протяжении десятилетий, показали, что простейшие организмы со всё меньшим объёмом мозга тратят значительное время на действия, очень похожие на сон. Иногда их поведение классифицировалось как «подобное сну», но по мере раскрытия новых деталей становится всё менее и менее понятно, почему это различие необходимо.
Похоже, что простейшие существа, включая, например, безмозглую гидру, способны спать. И интригующее следствие этого открытия заключается в том, что изначальная роль сна, заложенная миллиарды лет назад в истории жизни, могла сильно отличаться от общепринятого человеческого представления о ней. Если сон не требует участия мозга, то он может быть гораздо более обширным явлением, чем мы предполагали.
Распознавание сна
Сон — это не то же самое, что гибернация, кома, опьянение или любое другое состояние покоя, писал французский учёный-сомнолог Анри Пьерон в 1913 году. Хотя все они внешне схожи по отсутствию движения, у каждого из них были свои особенности, и это ежедневное прерывание нашего сознательного опыта было особенно загадочным. Отсутствие сна делало человека затуманенным, спутанным, неспособным ясно мыслить. Исследователям, желающим узнать больше о сне, казалось важным понять, как он влияет на мозг.
Итак, в середине XX века, если вы хотели изучать сон, вы становились экспертом по электроэнцефалограммам (ЭЭГ). Прикрепляя электроды к людям, кошкам или крысам, исследователи могли с очевидной точностью определить, спит ли человек и в какой стадии сна он находится. Этот подход привёл ко многим открытиям, но привнёс в науку предвзятость: почти всё, что мы узнали о сне, было получено от животных, которым можно было вживить электроды, и характеристики сна всё чаще определялись с точки зрения связанной с ними активности мозга.
Это вызвало разочарование у Ирен Тоблер, физиолога сна, работавшей в Цюрихском университете в конце 1970-х годов. Она начала изучать поведение тараканов, задаваясь вопросом, спят ли беспозвоночные, например, насекомые, так же, как млекопитающие. Читая Пьерона и других, Тоблер знала, что сон можно определить и с точки зрения поведения.
Она выделила набор поведенческих критериев для определения сна без ЭЭГ. Спящее животное не двигается. Его сложнее разбудить, чем просто отдыхающее. Оно может принять другую позу, чем бодрствующее, или может искать определённое место для сна. После пробуждения оно ведёт себя нормально, а не вяло. Тоблер также добавила собственный критерий, основанный на её опыте с крысами: спящее животное, которого потревожили, впоследствии будет спать дольше или глубже обычного. Этот феномен называется гомеостазом сна.
Вскоре Тоблер изложила свою точку зрения, что тараканы либо спят, либо делают что-то очень похожее. Реакция её коллег, большинство из которых изучали высших млекопитающих, последовала незамедлительно. «Даже думать об этом было ересью», — сказала Тоблер. «В молодости надо мной издевались. Было не очень приятно. Но я чувствовала, что время покажет». Она изучала скорпионов, жирафов, хомяков, кошек — всего 22 вида. Она была убеждена, что наука в конце концов подтвердит распространённость сна, и в последующих исследованиях сна её поведенческие критерии окажутся решающими.
Эти критерии занимали Амита Сегал из Медицинской школы Пенсильванского университета, Пол Шоу (ныне работающий в Медицинской школе Вашингтонского университета в Сент-Луисе) и их коллеги в конце 1990-х годов. Они входили в состав двух независимых групп, которые начали пристально изучать состояние покоя плодовых мушек. По словам Сегал, сон всё ещё оставался преимущественно прерогативой психологов, а не учёных, изучающих генетику или клеточную биологию. Что касается механизмов, то, с точки зрения молекулярного биолога, «сфера сна уже спала», – сказала она.
Однако смежная область биологии циркадных часов бурно развивалась после открытия генов, регулирующих 24-часовой цикл организма. Если бы удалось раскрыть молекулярные механизмы сна – если бы для их изучения можно было использовать хорошо изученный модельный организм, такой как плодовая мушка, – то это открыло бы потенциал для революции и в науке о сне. Мух, таких как тараканы Тоблера и скорпионы, было непросто подключить к электроэнцефалографу. Но за ними можно было наблюдать в мельчайших подробностях и регистрировать их реакции на депривацию.
Мозгов становится все меньше и меньше
В январе 2000 года Сехгал и её коллеги опубликовали статью, в которой утверждалось, что мухи спят. В марте того же года Шоу и его коллеги опубликовали параллельную работу, подтверждающую это утверждение. По словам Шоу, учёные всё ещё неохотно признавали существование настоящего сна у беспозвоночных и возможность продуктивного изучения человеческого сна с помощью мух. Но мухи доказали свою ценность. Сегодня более 50 лабораторий используют мух для изучения сна, получая результаты, свидетельствующие о том, что сон обладает набором основных характеристик, присущих всему животному миру. И биологи не остановились на мухах. «Как только мы показали, что мухи спят, — сказал Шоу, — стало возможным утверждать, что спит всё».
Сон, который исследователи изучали у других видов, не всегда был похож на стандартный человеческий. Исследователи обнаружили, что дельфины и перелётные птицы могут отправлять половину своего мозга в сон, даже если кажутся бодрствующими. Слоны бодрствуют почти каждый час, а маленькие бурые летучие мыши — почти каждый час во сне.
В 2008 году Дэвид Райзен и его коллеги даже сообщили о сне у Caenorhabditis elegans, круглого червя, широко используемого в качестве модельного организма в биологических лабораториях. У них всего 959 клеток тела (не считая гонад) с 302 нейронами, которые в основном собраны в несколько кластеров в голове. В отличие от многих других существ, C. elegans не спит часть каждого дня своей жизни. Вместо этого он спит короткими периодами в период развития. Он также спит после стрессовых периодов во взрослом возрасте.
Доказательства наличия сна у существ с минимальной нервной системой, похоже, достигли нового максимума около пяти лет назад благодаря исследованиям медуз. Медузы Кассиопеи, длиной около четырех дюймов, проводят большую часть времени вверх ногами, щупальца тянутся к поверхности океана и пульсируют, чтобы проталкивать морскую воду через свои тела. Когда Майкл Абрамс, ныне научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли, и двое других аспирантов Калифорнийского технологического института задались вопросом, может ли Кассиопея спать, они продолжили линию исследований, которой Тоблер следовала, изучая тараканов, выясняя, существует ли сон у еще более простых организмов. Если медузы спят, это говорит о том, что сон мог эволюционировать более 1 миллиарда лет назад и может быть фундаментальной функцией почти всех организмов в животном мире, многие из которых не имеют мозга.
У «перевёрнутой» медузы кассиопеи нет центральной нервной системы, но она спит. Эти животные никогда полностью не прекращают движение, но ночью частота их пульсаций замедляется, и они демонстрируют другие особенности поведения, связанные со сном.
Это связано с тем, что среди животных медузы эволюционно находятся на максимально возможном расстоянии от млекопитающих. Их соседями на древе жизни являются губки, проводящие жизнь, прикрепившись к камням в океане, и плакозои – крошечные скопления клеток, впервые обнаруженные учёными на стенках морских аквариумов. В отличие от других существ, которых наблюдали спящими, у кассиопеи нет ни мозга, ни центральной нервной системы. Но они могут двигаться и у них бывают периоды покоя. Студенты Калифорнийского технологического института предположили, что к ним можно применить критерии поведенческого сна.
Первые несколько пунктов проверить было относительно легко. Хотя медузы пульсировали и днём, и ночью, Абрамс и его коллеги показали, что частота пульсации характерным образом замедлялась ночью, и что животных можно было вывести из этого состояния, приложив некоторые усилия. (Также были свидетельства того, что медузы предпочитали определённую позу на платформе в аквариуме в эти периоды затишья, но Абрамс считает эти данные всё ещё отрывочными.) Проверка наличия у медуз гомеостаза сна оказалась гораздо сложнее и требовала поиска способов аккуратно потревожить их, не причиняя им беспокойства. В конце концов, Абрамс и его коллеги решили выронить платформу из-под них; когда это происходило, «Кассиопея» тонула и поднималась, пульсируя с дневной частотой.
На этой серии фотографий, сделанных сверху, можно наблюдать пульсацию медузы кассиопеи. Наружный край тела животного расслаблен слева. На следующих двух снимках он сокращается, а затем снова расслабляется. Частота этой пульсации позволяет предположить, что медуза спит.
Позже стали заметны явные признаки гомеостатической регуляции: чем больше медуз беспокоили, тем меньше они двигались на следующий день. «Мы не были уверены в этом, пока не увидели гомеостатическую регуляцию», — сказал Абрамс. Результаты исследования были опубликованы в 2017 году, и с тех пор Абрамс продолжил изучать генетику и нейробиологию медуз.
Сон в контексте
Новые открытия, касающиеся сна гидр, выводят исследования сна на новый уровень. Тело и нервная система гидры ещё более примитивны, чем у Кассиопеи. Однако, как показали исследователи из Университета Кюсю в Японии и Национального института науки и технологий Ульсана в Южной Корее, после того как гидра входила в состояние покоя, импульс света пробуждал её, и она также спала дольше после многократного лишения сна, среди прочего.
Сон гидры имеет свои особенности: дофамин, который обычно заставляет животных спать меньше, заставил гидру замереть. Гидра, по-видимому, не спит по 24-часовому циклу, а проводит во сне часть каждых четырёх часов. Тоблер предполагает, что что-то в образе жизни гидры могло сделать эти особенности полезными.
В состоянии активности гидра захватывает проплывающую мимо добычу щупальцами, а затем затягивает её в пасть.
Но, несмотря на эти различия, сон гидры может пересекаться со сном других животных на геномном уровне. Когда исследователи искали активность генов, измененную лишением сна у гидр, они обнаружили несколько знакомых. «По крайней мере, некоторые гены, сохраняющиеся у других животных, участвуют в регуляции сна у гидры», — написал Тайчи Ито, доцент Университета Кюсю и руководитель нового исследования, в электронном письме в Quanta. Это открытие предполагает, что тип животных Cnidaria, который включает гидр и медуз, уже имел некоторые генетические компоненты регуляции сна до того, как он отделился от предков других групп животных. По мере того, как у этих животных постепенно развилась централизованная нервная система, сон мог взять на себя новые функции по ее поддержанию.
Что же тогда делает сон при отсутствии мозга? Райзен предполагает, что, по крайней мере, у некоторых животных сон выполняет преимущественно метаболическую функцию, позволяя протекать определённым биохимическим реакциям, которые не могут происходить в часы бодрствования. Он может перенаправлять энергию, которая использовалась бы для поддержания бодрствования и движения, на другие процессы, которые слишком затратны для осуществления во время бодрствования животного. Например, C. elegans, по-видимому, использует сон для роста своего тела и поддержки восстановления тканей. У лишенных сна гидр деление клеток, являющееся частью повседневной жизни, приостанавливается. Нечто подобное наблюдалось в мозге лишенных сна крыс и плодовых мушек. Управление потоками энергии может быть центральной функцией сна.
Все эти исследования простейших спящих животных поднимают вопросы о самом первом спящем организме. Этот первый спящий, кем бы он ни был, вероятно, исчез более миллиарда лет назад. Если он был общим предком гидр и людей, у него, вероятно, были нейроны и что-то вроде мышц, позволявших ему двигаться, — а отсутствие этих движений было характерно для его разновидности сна, удовлетворяя его особые потребности.
«Если это животное спало, сон был необходим для какой бы то ни было цели», — сказал Абрамс. Сон мог способствовать поддержанию зачаточной нервной системы первого спящего, но с таким же успехом он мог быть полезен для его метаболизма или пищеварения. «До того, как у нас появился мозг, у нас был кишечник», — сказал он.
Сейчас возникают ещё более глубокие вопросы. В статье 2019 года Райзен и его соавторы задавались вопросом: если сон происходит в нейронах, то какое минимальное количество нейронов способно спать? Может ли потребность во сне быть обусловлена другими типами клеток, как показывают исследования, посвящённые клеткам печени и мышц?
«Если уж совсем зайти за рамки, спят ли животные, у которых вообще нет нейронов?» — спросил Райзен.
На самом деле, есть несколько организмов, поведение которых может когда-нибудь дать ответ. Плакозои, микроскопические многоклеточные существа, кажущиеся одними из самых простых в животном мире, двигаются и реагируют на окружающую среду. У них нет нейронов и мышц. То же самое можно сказать и о губках, которые, будучи закреплёнными на месте, всё же реагируют на окружающую среду.
«Меня часто спрашивают: «Спят ли губки?» — сказал Абрамс. — Это совершенно новый мир. Возможно, найдутся способы это проверить».
Источник: www.quantamagazine.org
