Издательство «Бомбора» представляет книгу Владимира Вязовского и Марины Карлин «Сон под микроскопом. Что происходит с нами и мозгом во время сна».
Научно-популярная книга «Сон под микроскопом» написана профессором Оксфордского университета Владиславом Вязовским — ученым, изучающим фундаментальные аспекты биологии и эволюции сна, и Мариной Карлин — швейцарской журналисткой и физиком по образованию. Авторы не обещают, что читатели после прочтения этой книги станут лучше спать, но уверены, что она поможет им оценить сон по достоинству. Первые месяцы после рождения человек проводит большую часть времени во сне. Какой в этом биологический смысл? Что происходит со сном, когда организм взрослеет и затем стареет? Выполняет ли сон одну и ту же роль сразу после рождения и незадолго до смерти? Почему иногда невозможно проснуться без будильника, который не всегда, не всем и не сразу помогает расстаться со сном? Одинаково ли долго длится сон в зависимости от времени, когда мы заснули? Почему кто-то из нас просыпается перед рассветом, в то время как его соседи едва заснули? Можно ли спать и бодрствовать одновременно? Действительно ли мы теряем сознание, когда засыпаем? Почему сон в начале ночи намного глубже, чем в утренние часы? Можем ли мы сократить до минимума время сна? В какой валюте произойдет расчет задолженности по сну? Влияет ли Луна на сон? Как немецкий бункер помог установить точность биологических часов? Можем ли мы приспособиться жить на Марсе? Cтоит ли бороться с джетлагом? Что делают с нашим сном снотворные? Какую роль сыграла дрозофила в развитии науки о сне? Эта книга — экскурсия в наше индивидуальное развитие, от рождения до глубокой старости, и рассказ о роли сна в реализации программы, которая отвечает за выживание нашего вида.
Предлагаем прочитать фрагмент из раздела книги, посвященного эволюции сна.
Спят ли тараканы и мухи?
Говоря о моделях животных, которые используются для понимания жизнедеятельности человека, трудно переоценить важность филогенетического и экологического подхода. Одним из самых популярных модельных объектов в генетических исследованиях является фруктовая мушка-дрозофила1. Нескольким научным работам (включая описание молекулярных механизмов циркадианного ритма), выполненным при помощи дрозофил, присудили Нобелевские премии. Однако только в последнее время насекомые стали привлекать к себе пристальное внимание как организмы для изучения генетической и нейробиологической основы сна. Когда швейцарский биолог Ирен Тоблер впервые сообщила о cне тараканов, результаты ее наблюдений встретили скептически. Тоблер скрупулезно описала целых девять различных поведенческих состояний тараканов, в том числе четырех состояний во время поведенческого покоя. Они напоминали сон по позе насекомого и коррелировали с пониженной реакцией на раздражители. Ученая также заметила, что лишение тараканов состояния покоя приводило к его компенсации, как только такая возможность появлялась, что говорит о том, что их покой регулировался гомеостатически. Эти исследования оказались новаторскими, открыв совершенно новую перспективу для понимания сна.
Последующие исследования не заставили себя долго ждать. Оказалось, что и плодовые мушки спят, насколько мы можем об этом судить по их поведению — сравнивая и разделяя сходные черты, определяющие сон у млекопитающих. А именно: характерную позу, неподвижность, повышенный порог пробуждения и все ту же способность компенсировать потерю сна. Фармакологические агенты, влияющие на сон человека, такие как кофеин и снотворные, были признаны эффективными и у мушек. И, как и у человека, сон у мушек регулировался циркадианными ритмами, нарушающимися со временем — при старении.
Литературы о сне мушек становится все больше, но дебаты о том, что же мы называем «сном» у мух, продолжаются. Похож ли он на человеческий, например? Методология исследований играет важную роль, и полисомнография — компьютеризированное изучение сна с помощью регистрации электрической активности головного мозга, а также глазных яблок и мышц подбородка — является золотым стандартом мониторинга сна у людей и млекопитающих. Однако у мушек по понятным причинам чрезвычайно трудно записывать электрическую активность мозга. Поэтому их «сон» традиционно определяется на основе поведенческих критериев, а главное — по отсутствию движений.
Мушек по одной помещают в пробирку, на донышке которой находится агар2, которым насекомое питается. Мушка может перемещаться из одного конца пробирки в другой. Инфракрасный луч, проходящий через середину пробирки, регистрирует эти перемещение. Таким способом можно оценить длительность неподвижного периода насекомого. Предположить, что она спит, — возможно. Однако семантика заставляет уточнять важные нюансы. Мы можем только предположить, что мушка находится в состоянии сна, когда она неподвижна. И это все, что мы знаем о ней в тот период, когда датчик не фиксирует перемещение мушки3. Но какие потенциально важные последствия для полученных результатов и общих выводов таит в себе это заключение! Как, впрочем, и готовность к неизбежным противоречиям оппонентов.
Недавние исследования мух доказали, что сон и бодрствование влияют на окислительно-восстановительный гомеостаз.
Например, было установлено, что в зависимости от того, как количественно определяются сон и неподвижность и как производится на этом основанное лишение сна, мушки могут умирать от этого или оставаться живыми, как если бы они не нуждались в каком-либо сне вообще4. Говоря о сне у млекопитающих, важно заметить, что центральным понятием является интенсивность или глубина сна, которая определяется предыдущей историей бодрствования. Как мы обсуждали ранее, классическое мерило интенсивности сна у млекопитающих, а также у птиц — уровень активности медленных волн ЭЭГ, который увеличивается пропорционально длительности предшествующего бодрствования. Такая мера у мух в настоящее время отсутствует, или, по крайней мере, доказательства ее в настоящее время весьма ограничены, и даже если бы она была хорошо установлена, ее не очень легко было бы получить в рутинных экспериментах, тем более что в них обычно участвуют сотни, если не тысячи, мух. Таким образом, необходимо определить другие характеристики сна, возможно основанные на каких-то иных аспектах физиологии, которые наблюдаются за пределами деятельности мозга.
Недавние исследования мух доказали, что сон и бодрствование влияют на окислительно-восстановительный гомеостаз. Определенные группы нейронов в мозге насекомого, ответственные «за переключение» между состояниями бодрствования и сна, оказались особенно чувствительны к окислительно-восстановительной саморегуляции. Иначе, выдвинуто предположение, что сон «запускается» как непосредственный ответ на метаболический дисбаланс в этом центральном физиологическом механизме. Было бы интересно изучить скорость обмена веществ у мух и, в частности, проверить гипотезу о том, может ли она (скорость) служить мерой интенсивности сна. Несколько десятилетий назад было показано, например, что интенсивный полет у мухи приводит к переключению в потреблении энергетических субстратов от углеводов к липидам, что отражает снижение метаболизма и означает, что предшествующая деятельность оказывает фундаментальное влияние на последующую физиологию.
Древо сна
Возможно, главный вопрос в теме эволюции сна следует поставить так: как далеко по временному стволу древа жизни можно спуститься, обнаруживая следы сна? Археологи и палеонтологи шутят, что, насколько бы древней ни оказалась находка, свидетельствующая о раннем возникновении того или иного явления, где-то неподалеку ждет, пока его найдут, нечто еще более старое. Это можно было бы заявить и о сне, если находились бы ископаемые «следы сна».
Есть свидетельства того, что черви, появившиеся на Земле раньше позвоночных, спят5. Даже медузы, не имеющие организованной нервной системы, способны ко сну, который удовлетворяет всем необходимым для этого критериям: от уменьшения движения и реакции до гомеостатической регуляции. Не пора ли, перефразировав американского биолога Линн Маргулис, заявляющей о «паутине жизни», ввести в употребление понятие «паутина сна»? А рядом с древом жизни наконец-то обнаружить древо сна, не упомянутое в Книге Бытия.
Условия среды поменялись радикально с тех пор, когда сон впервые возник. Икскюлль считал, что каждое животное идеально приспособлено к окружающей его среде, что, естественно, должно включать в себя и его сон, будь он сложным и современным или примитивным и незрелым. Cон спящего индивидуума или сон как способ создания пустоты в гиперпространстве экосистемы, в которой множество ее обитателей делят пространственные и временные ниши. Существует бесконечный спектр мест обитания и видов различных экологических специализаций и предпочтений; следовательно, к предположению, что сон может принимать различные формы и является более гибким и пластичным, чем мы можем оценить в настоящее время, стоит отнестись внимательно.
Наиважнейшим результатом понимания сна с филогенетической и экологической точки зрения станет оценка влияния деятельности человека, изменяющего экосистемы, что приводит к нарушению хрупкого баланса между организмами и их средой обитания: их экологическими нишами и их «умвельтами». Живым организмам приходится заново находить или создавать свое место в паутине жизни, в темпах, на много порядков превышающих привычный ритм эволюционных изменений, которые происходят в масштабе времени с единицей в «геологическую эпоху». Экологический гомеостаз сейчас, как никогда ранее, находится под угрозой. Наш долг и наша ответственность — предотвратить следующую катастрофу.
1. Drosophila melanogaster — международное научное название на латыни.
2. Смесь полисахаридов, получаемая из водорослей.
3. У плодовой мушки с помощью технологии нейросетевого видеомониторинга можно распознавать не только выраженную двигательную активность, такую как ходьба или полет, но и менее заметные виды активного поведения: откладку яиц, умывание и потребление пищи. Используя эту передовую технологию, авторы работы (2019) проанализировали поведение 1366 мушек стандартной линии. Скрининг выявил широкий спектр фенотипов, включая практически «неспящих» мушек. Авторы также пересмотрели эффекты депривации «сна» дрозофил в пожизненном эксперименте с использованием специального устройства с обратной связью. Хотя эта процедура привела к почти полному лишению «сна», значительного влияния на выживаемость мушек замечено не было. — Прим. науч. ред.
4. Умирать от процедуры лишения сна, но не от самого лишения сна. — Прим. науч. ред.
5. Как уже неоднократно отмечалось, всё зависит от определения сна. — Прим. науч. ред.