Обычно сон связывают с мозгом. Однако некоторые очень просто устроенные животные заставили учёных сделать вывод, что сон возник задолго до появления головного мозга и вообще головы. Некоторые исследователи предполагают, что спать умеют даже существа, у которых нет ни одного нейрона.
Гидра — существо простое. Её цилиндрическое тело длиной менее двух сантиметров имеет на одном конце подошву, а на другом — рот. Подошвой гидра прикрепляется к какой-либо подводной опоре — например, к растению или к камню, — а рот, окружённый щупальцами, ловит проплывающих мимо дафний. У гидры нет головного мозга, более того: у неё отсутствуют многие элементы развитой нервной системы.
И всё же, согласно последним научным данным, она способна спать. Исследования, проведённые группой южнокорейских и японских учёных, показали, что гидра периодически погружается в состояние покоя, отвечающее основным критериям сна.
Многим это может показаться невероятным. Более века исследователи сна (сомнологи) изучали его роль и структуру в головном мозге. Учёных интересовало, как сон связан с памятью и научением. Они пронумеровали нейронные цепи, которые погружают нас в сонное состояние и выводят из него. Они записали, как при прохождении разных стадий сна меняются ритмы головного мозга, и попытались найти причину этого. Масса научных исследований и бытовых наблюдений подтверждает связь человеческого сна с головным мозгом.
Но помимо неврологического подхода к изучению сна появился другой. Исследуя мышцы и некоторые другие ткани за пределами нервной системы, учёные установили, что производимые этими тканями молекулы способны регулировать сон. Сон широко вмешивается в обмен веществ и, следовательно, оказывает не только неврологическое влияние. На протяжении десятилетий медленно, но неуклонно рос объём научных работ, свидетельствующих о том, что простые организмы, несмотря на незначительное количество головного мозга, тратят значительное время на нечто, очень напоминающее сон. Иногда поведение этих животных классифицируется как всего лишь «похожее на сон», но чем тщательнее проведено исследование, тем менее понятно, почему нельзя заявить прямо: это сон.
Похоже, что простые существа — теперь в их числе и безмозглая гидра — способны спать. Из этого открытия вытекает интригующий вывод: первоначальная роль сна, укрытая миллиардами лет эволюционного развития живых организмов, могла сильно отличаться от общепринятого представления о ней. Если для сна не нужен головной мозг, то сон может представлять собой гораздо более широкое явление, чем принято считать.
Опознание сна
Сон — не то же, что зимняя спячка, кома, состояние опьянения или какое-то ещё состояние покоя, писал французский сомнолог Анри Пьерон (Henri Piéron) в 1913 году. Хотя у всех существ наблюдаются похожие друг на друга формы отсутствия движения, у каждой из них своя специфика, а у нас ежедневная потеря активности выглядит особенно странно, ибо сопровождается замиранием сознания. Человек, которому не удалось поспать, ходит, как в тумане, легко теряется, не способен ясно мыслить. Исследователи сна считали важным понять его воздействие на головной мозг.
Как следствие, в середине ХХ века сложилась следующая ситуация: хочешь изучать сон — становись специалистом по чтению электроэнцефалограмм (ЭЭГ). Прикрепляя электроды к людям, кошкам или крысам, исследователи научились точно определять, спит ли объект и в какой стадии сна он пребывает. Такой подход привёл к массе открытий, но при этом сформировал в сомнологии мешающий её развитию уклон: почти всё, что ей удалось установить, дало исследование организмов, к которым можно прикреплять электроды, и сомнологи стали оказывать всё большее предпочтение определению сна с точки зрения связанной с ним активности головного мозга.
Это расстроило Ирен Тоблер (Irene Tobler), физиолога сна из Цюрихского университета (University of Zurich). Работая там в конце 1970-х годов, Тоблер решила выяснить, способны ли беспозвоночные, в частности насекомые, спать, как и млекопитающие. Для этого она взялась исследовать поведение тараканов. Благодаря Пьерону и другим сомнологам Тоблер знала, что сон можно определять не только в терминах неврологии, но и поведенчески.
Она выделила набор поведенческих критериев для определения сна без опоры на ЭЭГ. У спящего животного отсутствует локомоция. Пробудить его труднее, чем вынудить активизироваться, когда оно просто отдыхает. Оно может принимать позу, отличающуюся от принимаемых при бодрствовании, или искать для сна определённое место. Пробудившись, ведёт себя нормально, а не вяло. И ещё один критерий Тоблер сформулировала сама, в результате работы с крысами: животное, которое разбудили, потревожив, позднее спит дольше или глубже, чем обычно. Это называют гомеостазом сна.
Вскоре Тоблер заявила, что у тараканов есть либо сон, либо что-то очень похожее. Реакция её коллег, большинство из которых изучало высших млекопитающих, последовала незамедлительно. «Считалось ересью даже думать об этом, — вспоминает Тоблер. — Поначалу меня прямо-таки высмеивали. Это было не очень-то приятно. Но у меня было предчувствие, что со временем всё станет на свои места». Она изучала скорпионов, жирафов, хомяков, кошек — всего 22 вида. В ней жила уверенность, что в конечном итоге наука признает широкую распространённость сна и сомнологи увидят необходимость руководствоваться выделенными ею поведенческими критериями.
В конце 1990-х годов эти критерии взяли на вооружение Амита Сехгал (Amita Sehgal) из Медицинской школы Пенсильванского университета (University of Pennsylvania School of Medicine), Пол Шоу (Paul Shaw) (в настоящее время работающий в Медицинской школе Вашингтонского университета (Washington University School of Medicine) в Сент-Луисе) и их коллеги. Они входили в состав двух независимых групп исследователей, приступивших к тщательному изучению состояния покоя плодовых мушек. По-прежнему считалось, отмечает Амита Сехгал, что сном должны заниматься психологи, а не генетики или специалисты в области клеточной биологии. Тогдашние научные знания о молекулярных механизмах сна Сехгал охарактеризовала так: «сомнология спала».
Однако после открытия генов, регулирующих суточную активность организма, бурно развивалась соседняя область — биология циркадных ритмов. Если бы удалось выявить молекулярный механизм сна — если бы для его изучения подошла такая прекрасно изученная модель, как плодовая мушка, — тогда появилась бы возможность совершить сомнологическую революцию. Мушек, как и тоблеровских тараканов и скорпионов, подключить к аппарату ЭЭГ весьма проблематично. Зато не составляет особого труда установить за ними ежеминутное наблюдение и их реакцию на депривацию сна можно тщательно фиксировать.
Роль мозга кажется всё меньше
В январе 2000 года Сехгал и её коллеги опубликовали научную статью, где, опираясь на полученные ими экспериментальные данные, заявили, что плодовые мушки способны спать. К такому же выводу пришли Шоу и его коллеги, опубликовавшие результаты своей работы, проведённой независимо от команды Сехгал, в марте того же года. Сомнология, отмечает Шоу, упорно не хотела признавать, что самый настоящий сон есть и у беспозвоночных и что человеческий сон можно успешно исследовать с помощью мушек. Но мушки доказали свою ценность для сомнологии. Сегодня, исследуя сон, их используют более 50 лабораторий, и сделанные в ходе этих исследований открытия свидетельствуют о том, что основные свойства сна одни и те же у всех животных. И мушками биологи не ограничились. «Показав наличие сна у мушек, — говорит Шоу, — мы сделали возможным говорить о наличии сна везде».
Сон животных не всегда похож на стандартный сон людей. Исследователи выяснили, что дельфины и перелётные птицы, бодрствуя, способны погружать в сон половину головного мозга. Слоны бодрствуют почти ежечасно, а маленькие коричневые летучие мыши почти ежечасно спят.
В 2008 году Дэвид Райзен (David Raizen) и его коллеги даже заявили о наличии сна у круглого червя (Caenorhabditis elegans). В биологических лабораториях этот организм широко используют в качестве модельного. Его тело включает в себя всего-навсего 959 клеток (не считая гонад) с 302 нейронами, которые в основном находятся в голове, образуя несколько кластеров. В отличие от многих других существ, C. Elegans не делит каждые сутки своей жизни на два периода — время бодрствования и время сна. Вместо этого он спит — крохотными порциями — во время своего развития. А взрослый червь спит только после периодов стресса.
Свидетельства о наличии сна у существ с примитивной нервной системой, казалось, достигли вершины около пяти лет назад, когда были опубликованы результаты исследования медуз. Медуза из рода Cassiopea, длина которой около четырёх дюймов, проводит бóльшую часть времени головой вниз. Её щупальца, направленные к поверхности океана, пульсируют, проталкивая морскую воду через её тело. Когда Майкл Абрамс (Michael Abrams), ныне научный сотрудник Калифорнийского университета (University of California) в Беркли, и два аспиранта Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology) задались вопросом, есть ли у кассиопей сон, они решили действовать так же, как Тоблер, когда та, чтобы узнать, способны ли спать примитивные организмы, взялась исследовать тараканов. Наличие сна у медуз означало бы, что, возможно, сон появился более 1 миллиарда лет назад и является одной из основных функций почти всех животных, даже тех, у которых нет головного мозга.
Дело в том, что медузы относятся к тем животным, которые на линии эволюции максимально далеки от млекопитающих. На древе жизни соседями медуз являются губки, живущие, прикрепившись к подводным камням, и пластинчатые — крошечные скопления клеток, впервые замеченные учёными на стенах аквариумов с морской водой. В отличие от других способных спать существ, у кассиопей нет ни головного мозга, ни центральной нервной системы. Но у них есть локомоция и периоды отдыха. Раз так, то к ним, прикинули калифорнийские аспиранты, вполне можно применить поведенческие критерии сна.
Соответствие некоторым из этих критериев удалось установить относительно легко. Хотя кассиопеи пульсируют днём и ночью, Абрамс и его сотрудники показали, что ночью скорость пульсации характерным образом замедляется и что для вывода медуз из этого режима пульсации требуются некоторые усилия. (Вдобавок были признаки того, что медузы, помещённые в аквариуме на платформу, в ночные, более спокойные часы предпочитают определённую позу, но, по мнению Абрамса, пока это похоже на анекдот). Проверить, есть ли у кассиопей гомеостаз сна, было намного сложнее, и в ходе проверки понадобилось решить вопрос о том, как беспокоить их мягко, не вызывая у них стресса. В конце концов, Абрамс и его сотрудники решили убирать из-под них платформу, резко опуская её; лишившись платформы, кассиопеи падали, а возвращаясь вверх, пульсировали в дневном режиме.
Позже появились явные признаки гомеостатической регуляции: чем более встревоженными выглядели медузы, тем меньше подвижности наблюдалось у них на следующий день. «Наши сомнения рассеялись только тогда, когда мы увидели, что это самое настоящее гомеостатическое регулирование», — говорит Абрамс. В 2017 году результаты данного исследования были опубликованы. Но Абрамс продолжает работать с медузами, изучая их генетику и нейробиологические свойства.
Сон в контексте
Обнаружение сна у гидр вывело сомнологические исследования на новый уровень. У гидр тело и нервная система примитивнее, чем у кассиопей. Тем не менее, как показали исследователи из японского Университета Кюсю (Kyushu University) и южнокорейского Ульсанского национального института науки и техники (Ulsan National Institute of Science and Technology), гидра, пребывавшая в состоянии покоя, под воздействием светового импульса пробуждается, а после многократной депривации сна спит дольше, чем обычно.
Сон гидры имеет особенности: под воздействием дофамина, который, как правило, укорачивает сонное состояние животных, гидра засыпает. Её цикл сна и бодрствования, похоже, не суточный, а четырёхчасовой. Как полагает Тоблер, такой режим оказался выгодным для гидр из-за каких-то особенностей их образа жизни.
Но на геномном уровне, несмотря на все различия, сон гидры и сон других животных, отчасти представлены одинаково. Изучая, как меняется активность генов гидры при депривации сна, учёные обнаружили кое-что знакомое. «В регуляции сна гидры участвуют некоторые, если не все, гены, перешедшие к другим животным», — утверждает в письме, написанном для журнала Quanta, один из руководителей вышеупомянутого исследования гидр Таичи Ито (Taichi Itoh), доцент Университета Кюсю. Из этого открытия следует, что животные, принадлежащие к типу Стрекающие (Cnidaria), куда входят гидры и медузы, имели некоторые генетические компоненты регуляции сна ещё до дивергенции, в результате которой появились другие типы животных. По мере того, как у этих новых животных постепенно формировалась центральная нервная система, сон, по-видимому, обретал функцию обеспечения её стабильной работы.
Чем же полезен сон при отсутствии головного мозга? Как предполагает Райзен, по крайней мере, у некоторых животных сон выполняет в основном метаболическую функцию: во время сна идут те биохимические реакции, которые невозможны в часы бодрствования. Вместо локомоции и поддержания бдительности сон может направлять энергию на дела, осуществлять которые в состоянии бодрствования было бы слишком дорого. Например, C. Elegans, похоже, использует сон для обеспечения роста и восстановления тканей. У лишённых сна гидр повседневно осуществляемое ими деление клеток прерывается. Нечто подобное зафиксировано в головном мозге лишённых сна крыс и у плодовых мушек. Возможно, что главной ролью сна является управление потоками энергии.
В ходе исследования простейших животных, способных спать, не может не возникать вопрос о самом древнем из них. Это первое способное спать животное, кем бы оно ни было, по-видимому, исчезло более 1 миллиарда лет назад. Если оно было общим предком всех известных нам существ от гидр до людей, тогда у него, вероятно, были нейроны и что-то вроде мускулов, позволявших ему двигаться, — и отсутствие движений было характерной особенностью его сна, удовлетворявшего его потребности.
«Если это животное могло спать, то характер его сна зависел от контекста его жизни», — считает Абрамс. Весьма вероятно, что сон этого первого способного спать организма содействовал функционированию рудиментарной нервной системы, но не менее вероятно, что был полезен для метаболизма или пищеварения. «Брюхо появилось раньше, чем головной мозг», — подчеркнул калифорнийский биолог.
Сейчас обсуждаются и более глубокие вопросы. Излагая свою точку зрения в статье, опубликованной в 2019 году, Райзен и его соавторы спрашивают: если сон затрагивает нейроны, то какое минимальное количество нейронов способно спать? Могут ли их потребность погружаться в сон вызывать другие типы клеток, например клетки печени и мышц?
«Чтобы существенно раздвинуть горизонты в данной сфере познания, нужно выяснить, способны ли спать животные, у которых нет ни одного нейрона», — заявляет Райзен.
В природе существует очень мало организмов, изучение которых позволит когда-нибудь ответить на данный вопрос. Пластинчатые — микроскопические многоклеточные существа, которые, по-видимому, входят в число самых простых животных, — способны передвигаться и реагировать на окружение. У них нет нейронов и мышц. Ни того, ни другого нет и у губок, которые живут неподвижно, прикрепившись к какой-то опоре, но всё же реагируют на окружающую среду.
«Меня часто спрашивают: „Есть ли сон у губок?“ — говорит Абрамс. — Это особый, неизведанный мир. Попробуем разобраться».