получили в 2017 году Нобелевскую премию по физиологии или медицине за изучение молекулярных механизмов регулирования циркадных ритмов (периода, близкого к 24 часам).
Исследуя мушку-дрозофилу Drosophila melanogaster, ученые показали, что биологические часы включают периодические колебания уровня белков, кодируемых определенной группой генов, мутации которых могут укорачивать, расширять или даже полностью нарушать циркадную периодичность, влияя на поведенческие, физиологические и молекулярные ритмы.
Возникновение периодического покоя у медуз демонстрирует, что мозг для сна не требуется — он может происходить даже в очень примитивной нервной системе. Мелатонин, отвечающий за сон гормон, вырабатывается у человека в первой половине ночи эпифизом (шишковидным телом). По-видимому, мелатонин возник 700 миллионов лет назад. Тогда у животных, напоминающих морских червей, появились клетки, способные улавливать свет. Днем эти животные могли двигаться с помощью ресничек, а ночью — нет.
В основе этой дихотомии и лежала ночная выработка мелатонина. В темноте он стимулирует нейроны, останавливающие движение ресничек. Медленно опускаясь на дно во время ночного покоя и всплывая в бешеном ритме дня, наши таинственные предки воплощали инь и янь солнечного цикла. Сегодня он представляется нам как два основных состояния тела: сон и бодрствование.
Чуть позже, около 540 миллионов лет назад, появились первые структуры, напоминающие глаза. Сегодня зрительные анализаторы есть у всех животных с двусторонней симметрией, имеющих голову и хвост, а также спину и брюхо. У всех них в формировании глаз у зародыша участвуют одни и те же гены. Они очень похожи на гены, регулирующие биологические часы; у позвоночных они задействуют важную группу нейронов, называемую супрахиазматическим ядром.
Этот кластер из примерно 20 тысяч нейронов отвечает за связь между светочувствительными клетками сетчатки и клетками, вырабатывающими мелатонин.
Сигналы о наличии или отсутствии света последовательно трансформируются несколько раз, от фотонов до структурных изменений малых и больших молекул, регулирующих транспорт через трансмембранные каналы.
Каналы, открываясь, пропускают ионы. Это приводит к выбросу химических веществ, которые, в свою очередь, активируют структурные изменения молекул в других клетках, вызывая краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные последствия для всей нервной системы. Несмотря на огромную эволюционную дистанцию между червями и человеком, у нас сохранились многие исходные молекулярные механизмы, в том числе роль мелатонина в регуляции сна.
Сон — это не только отдых
Отдых — вопрос приспособляемости. Он происходит по мере необходимости или возможности. У сна есть начало и окончание, и если времени на полноценный сон не хватает, то его требуется восполнять. Когда осуществляется естественная смена дня и ночи, то суточный цикл обычно завершается за 23 часа 56 минут — свет каждый день перезапускает счетчик. Однако в закрытой среде (в пещерах или лабораториях в порядке эксперимента) люди демонстрируют цикл сна — бодрствования средней продолжительностью 24 часа 11 минут.
Несколько большая продолжительность цикла, наблюдаемая при отсутствии физических подсказок о течении времени, свидетельствует об эволюции механизма: в случае задержки рассвета животное может поспать чуть дольше, не провоцируя своей активностью нападение хищников. Если солнце не торопится вставать, то лучше тихо и спокойно подождать света в норе.
Новшества, которые хорошо себя зарекомендовали, имеют тенденцию сохраняться, распространяться и устаревать. Судя по распространенности сна — как у беспозвоночных, так и у позвоночных, — это чрезвычайно древний механизм. Возможно, он даже предшествовал кембрийскому взрыву, когда возникло большинство групп животных.
Сегодня считается, что возраст рыб составляет 500 миллионов лет. За ними следуют насекомые — им 400 миллионов лет; рептилии — 340 миллионов; млекопитающие — 225 миллионов; птицы — 150 миллионов. Люди вида Homo sapiens появились всего 315 тысяч лет назад.
Мнение ученых относительно того, какие животные спят, а какие нет, за последние десятилетия изменилось. Хорошие и надежные количественные исследования поведения существенно выиграли от появления компьютеров и крошечных точных датчиков движения. Они показали: у пчел, скорпионов и тараканов есть регулярные периоды покоя с низкой чувствительностью к раздражителям.
В силу своей ценности для генетических исследований мушка дрозофила хорошо изучена и в отношении возникновения сна. Тщательные записи ее поведения продемонстрировали определенные циклы активности и покоя. Другое доказательство, что эти мухи спят: за периодом вынужденной депривации сна у них наступает характерный отскок, наблюдаемый и у млекопитающих, то есть налицо последующее компенсаторное увеличение времени сна.
Сомнений в том, что мухи спят, нет, но, по-видимому, анатомического соответствия между частями нервной системы, необходимыми для сна, и областями человеческого мозга, участвующими в его обеспечении, не существует. Тем не менее дрозофилы получают общие с млекопитающими важные когнитивные преимущества сна — мы увидим это ниже.
Простой сон рыб и амфибий
Диспут о том, что у рыб и земноводных нет сна как такового, что у них отсутствует период поведенческого и физиологического покоя, соответствующего какой-либо фиксированной фазе суточного цикла, ведется давным-давно. Рыбы и земноводные действительно отдыхают мимолетно, без предопределенной периодичности — в зависимости от сытости и отсутствия риска нападения хищников.
Этот непредсказуемый покой, зависящий от сиюминутных условий, означает: отдых рыб и земноводных носит характер приспособления. Рыбы часто живут в мутных или глубоких водах — там просто не существует разницы в яркости дня и ночи. Значит, рыбам почти не нужно зрение. Спрятаться от хищников, найти пищу и половых партнеров им помогают запахи и навигация при помощи электромагнитных полей — вот они как раз критически важны.
Те немногие виды рыб, которые уже изучены в лаборатории, продемонстрировали поведение, характерное для сна: периодическое затихание и повышение двигательной активности после введения кофеина; нарушение поведения после лишения сна. Но оно вызывает все-таки не особо сильный стресс и отскок. Рыбы, живущие в коралловых рифах, двигаются без остановки днем и ночью, но предполагается, что они просто способны плавать во сне.
По амфибиям научной информации еще меньше. Американская лягушка-бык, крупное дневное земноводное, демонстрирует циркадные вариации в поведении. Ее реакция на стимуляцию чувств оказалась в покое выше, чем в более активный период. Это позволило предположить, что сон у земноводных подавляется из-за их большей физической уязвимости.
Однако исследование маленькой древесной лягушки (кубинской квакши) Hyla septentrionalis[83] показало: у этого вида сон есть — возможно, из-за того, что кубинская квакша занимает менее опасную экологическую нишу. Никаких признаков быстрого сна ни у рыб, ни у амфибий не зарегистрировано.
Сложный сон наземных позвоночных
В отличие от рыб и земноводных, у пресмыкающихся, птиц, млекопитающих поверхность тела сухая и водонепроницаемая. Эмбрион у них находится в амниотическом пузыре, где достаточно тепла, влаги и питания. Эти приспособления позволяют наземным позвоночным селиться в местах, весьма удаленных от больших и маленьких водоемов.
Суша на нашей планете некогда представляла собой огромный континент — мы называем его Пангея. Водная
