Часть II. Без сна нельзя обойтись
Глава 4. Как спят животные
Спят ли черви?
Ирен Тоблер — гранд-дама международной сомнологии. Она специализируется на физиологии животных и, работая в коллективе Александра Борбели в Институте фармакологии и токсикологии Цюрихского университета, на протяжении почти трех десятилетий наблюдает за сном самых разных существ: тараканов, скорпионов, мышей, рыб, крыс, хомяков, коров — вплоть до слонов. Но во время нашей беседы в ее заваленном книгами и специальными журналами рабочем кабинете госпожа профессор была поглощена, как нарочно, крошечным червячком. «У нас есть надежные доказательства, что уже Caenorhabditis elegans обладает некоторыми основными механизмами сна, наблюдаемыми у высших животных», — говорит Тоблер, блестя глазами за стеклами очков.
Ее воодушевление легко понять. Неужели сон действительно столь же древен, как само появление многоклеточных существ? Неужели он так важен для биологических систем, что даже червь не может без него выжить? Несколькими дверями дальше по коридору, в лаборатории Тоблер, извивается живое доказательство.
Здесь в типичной стеклянной чашке Петри живут на микробной среде, служащей им пищей, несколько крошечных червей-нитянок, или филярий. Автоматическая камера видеонаблюдения записывает, движутся ли они, когда и как долго. Оказывается, черви регулярно впадают в состояние неподвижности. Продолжается оно не более 10–20 с, и все же это что-то напоминает сон. Биолог Тоблер убеждена в этом — и может доказать.
|
|
|
В целом нормальные черви проводят в сутки 3–5 ч в состоянии покоя. Если на протяжении 12 ч поддерживать их в непрерывном движении, постоянно встряхивая чашку, «то в ближайшие часы продолжительность периодов покоя заметно увеличивается», говорит швейцарская исследовательница. Причем увеличение тем более выражено, чем дольше филяриям не давали спать. Очевидно, у червей тоже есть процесс S.
Специалисты давно согласны, что основным критерием, позволяющим определить сон у животных, является необходимость его наверстать, если перед этим их покой систематически нарушали. Поэтому у животных, которые не могут рассказать, спали они или нет, именно это биологи и выбрали разграничительной линией между регулярным сном и нерегулярными «остановками» или «отдыхом»: если лишить живые существа сна, они потом спят дольше, если прерывать просто «отдых», это практически не сказывается на их дальнейшем поведении.
В 1983 г. Ирен Тоблер произвела настоящую сенсацию, доказав, что даже у тараканов наблюдается дефицит сна. Насекомым требуется более продолжительный отдых, если до этого их слишком долго принуждали к непрерывной активности. Это было первым доказательством того, что даже у беспозвоночных животных существуют подобные сну состояния. Затем последовали наблюдения над скорпионами, а Вальтер Кайзер из Дюссельдорфа провел аналогичный эксперимент с пчелами. Результаты подтвердили опыт с тараканами.
|
|
|
Но мало того: Тоблер и ее сотрудники присмотрелись к тараканам внимательнее и обнаружили, что они в периоды покоя принимают различные позы. Ученые задались вопросом, не являются ли эти их положения внешним признаком различной глубины сна. Оказалось, что животных, застывших в одной из таких поз, действительно очень трудно чем-нибудь отвлечь. «Порог пробуждения у тараканов в этой позе был значительно выше, чем в любой другой», — рассказывает Тоблер.
Значит, поведение крупных насекомых с длинными усами соответствует второму и третьему важным критериям сна у животных: занятие типичной, долгое время не меняющейся спокойной позы и существование более или менее высокого порога пробуждения. Из него можно заключить, что животное обладает центром оповещения, который — как и наш таламус — охраняет сон от несущественных помех и пропускает лишь важные сигналы. Из более простой в биологическом смысле, практически нерегулируемой фазы покоя животные, напротив, выходят при малейшем отвлекающем сигнале.
|
|
|
Сейчас Тоблер близка к тому, чтобы повторить сенсацию, на этот раз с червями-филяриями. Эти простые существа, стоящие в биологической иерархии значительно ниже, чем насекомые, отвечают по крайней мере первому определению сна. Следовательно, в их очень простой нервной и гормональной системе должен существовать регуляторный механизм, управляющий потребностью в коротких паузах и в случае необходимости заботящийся о восполнении дефицита. Кроме того, эти паузы должны приносить биологической системе «червь» какие-то нам еще неизвестные важные для выживания преимущества, иначе сноподобное состояние не могло бы выработаться и сохраниться в процессе эволюции.
Ирен Тоблер глубоко убеждена, что в конечном счете сон червя-филярии и человека определяется одними и теми же причинами. Вероятно, уже наш последний общий предок примерно 700 миллионов лет назад спал по сходным правилам, а не просто останавливался периодически отдохнуть.
Мухи на «винте»
В лаборатории сна есть еще один крайне популярный вид подопытных животных: плодовая мушка Drosophila melanogaster. С этими крошечными черно-коричневыми насекомыми встречались все: это они вьются летом над прилавками с фруктами и во множестве роятся над забытым подгнившим бананом. К тому же почти все о них слышали, поскольку биологи уже много десятилетий используют этот живучий, легкий в разведении и очень удобный для опытов вид в своих молекулярно-генетических исследованиях.
|
|
|
В 2000 г. сразу два исследовательских коллектива обнаружили, что мухи также соответствуют в своем поведении всем важным внешним критериям сна: они проводят значительное время — 5 минут и более — в спокойной позе, причем их тогда значительно труднее спугнуть, чем обычно, и эти периоды у них также удлиняются, если перед покоем долгое время не давать им отдыха. Затем были проведены еще более детальные и тщательные эксперименты, после которых даже у профессионального скептика Тоблер не осталось сомнений: «Сейчас однозначно доказано, что даже плодовые мушки спят».
Но мало того: у мушек во сне также меняется электрическая активность мозга. Это было доказано опытами, проводившимися в 2002 г. в американском Институте неврологии в Сан-Диего. Там, в лаборатории Ральфа Гринспена, висят под потолком дрозофилы. Спинами они приклеены к небольшой металлической пластинке. Сзади между их ножек проходит лазерный луч, попадая на световой датчик, стоящий впереди. Датчик мгновенно реагирует на подергивание животного, так что Гринспен всегда знает, шевелится или покоится сейчас его муха. Но самое главное во всей системе — два крошечных электрода, направленные сверху на два строго определенных места в микроскопическом мушином мозгу и позволяющие снять ЭЭГ дрозофилы.
Благодаря этому устройству Гринспен и его ассистент Дуглас Нитц смогли впервые систематически исследовать деятельность нервных клеток у спящей плодовой мушки. Итог эксперимента: сноподобное состояние у дрозофилы действительно сопровождается изменениями мозговой активности. С точки зрения физиологии, процессы в мозге спящей мухи и спящего человека очень сходны. Хотя на мушиной ЭЭГ нет ни сонных веретен, ни регулярных дельта-волн, ее график напоминает те сигналы, которые посылает во время глубокого сна наш мозговой ствол. В целом нервные клетки мухи во сне менее возбудимы, чем в состоянии бодрствования, и почти не проводят электрических сигналов.
Другая лаборатория в США специализируется на опытах, в которых проверяется даже скорость реакций у мухи и ее способность сосредоточиться. Это группа Кьяры Чирелли, Джулио Тонони и Рето Хьюбера в Висконсинском университете в Мэдисоне. Множество сложных аппаратов позволяет определить степень бодрости или усталости у мухи. Инфракрасный датчик показывает, спят насекомые или нет. Когда исследователи хотят помешать своим подопытным спать, стеклянные трубки, в которых живут мушки, помещают в непрерывно вращающийся контейнер.
Такая аппаратура позволяет проводить надежные опыты по лишению сна. В результате удалось показать, что регуляция потребности в сне у человека и мухи имеет поразительно много общего. Нейробиолог Хьюбер резюмирует: «Регуляция сна у дрозофил полностью или, по крайней мере, в большой степени совпадает с регуляцией его у млекопитающих».
В частности, сон плодовой мушки не только продолжается тем дольше, чем больше времени до этого ей не давали спать. В этой ситуации он также становится глубже, то есть муха реже просыпается во время сна и ее труднее разбудить. Переутомление у мухи тоже выглядит очень сходно с человеческим. «При лишении сна реакции мухи постепенно замедляются», — говорит Хубер. Все это хорошо вписывается в целый ряд удивительных результатов, полученных в последние годы: как и у людей, молодые мухи нуждаются в значительно более продолжительном сне, чем взрослые, и сон их становится с возрастом все более поверхностным.
Кроме того, многие вещества, влияющие на наш сон, оказывают сходное действие и на насекомых. Кофеин или возбуждающий наркотик метамфетамин, известный в народе как «винт», активизируют и мух, а от антигистаминных препаратов они тоже становятся сонными. «Мухи в очередной раз доказали, что они больше похожи на нас, чем принято считать», — пишут в совместной статье Гринспен, Тонони и Чирелли.
Правда, одно небольшое различие между мухой и человеком в этом отношении все же существует: у насекомых самцы испытывают заметно большую потребность в сне, чем самки.
Генетика сна: новая наука
Сейчас ученые из Мэдисона выясняют, какие гены заставляют данную муху спать больше или меньше среднего. Чирелли и ее коллеги уже замерили потребность в сне у 9000 генетически различных семейств дрозофил. Большинству насекомых — так называемому нормальному типу — требовалось среднее количество сна — от 10 до 15 ч в сутки. Чем сильнее отдельные особи отклоняются от этой нормы, тем реже они встречаются. «Такое гауссовское распределение — это великолепно!», — восторгается Ирен Тоблер. — Оно доказывает, что регуляция сна — вероятнее всего, генетически обусловленный процесс. Тем самым появляется возможность исследовать сон методами генетики».
То, чему радуется исследователь — это не больше не меньше как возникновение внутри сомнологии новой дисциплины, которую можно назвать генетикой сна. Дрозофила, а также ниточный червь Caenorhabditis — первые герои новой науки. Ученые пользуются крошечными мушками и червями для широкомасштабного поиска генетической основы сна и его регуляции.
«Плодовые мушки и черви-нитянки прямо-таки напрашиваются в качестве подопытных», — говорит Ирен Тоблер, поясняя, что у легко разводимых и быстро размножающихся животных нередко появляются экземпляры с генетическими нарушениями, отклоняющиеся от средних показателей сна. Исследование таких мутантов может дать массу информации о биохимической основе сна — ведь все белки, участвующие в регуляции сна, должны быть заложены в генетическом коде.
Разумеется, важную роль в экспериментах играют и особи без мутаций. Ученые пытаются обнаружить у них гены, которые проявляют разную активность во сне и в состоянии бодрствования. Нетрудно предположить, что такие гены должны кодировать белки, играющие важную роль в биохимии сна и бодрствования.
Ту же двойную стратегию ученые сейчас с большим успехом применяют и к другим важнейшим биологическим феноменам, например работе внутренних часов, регуляции старения или развитию из яйцеклетки взрослого животного. Важную роль в генетических исследованиях сомнологов играют мыши и крысы как «образцовые млекопитающие», а также аквариумная рыбка данио рерио (прозванная за полоски «рыба-зебра») как образец низших позвоночных.
Поэтому дальше генетика сна может двигаться хорошо известным, проторенным путем. Сначала ученым нужно с помощью так называемых экспрессионных анализов выявить гены, которые во сне считываются для образования кодируемых ими белков особенно часто или особенно редко. Кроме того, они должны обнаружить мутации, влияющие на сон у мушки и червяка. Затем предстоит исследовать, какую функцию имеют изобильно или крайне скудно порождаемые во сне белки и какие последствия для организма имеют изменения наследственности.
Тем самым в центр внимания ученых неизбежно попадут новые биологически активные структуры, имеющие значение для сна. Далее нужно выяснить, имеются ли сходные структуры со сходными задачами у млекопитающих, а значит, и у человека. Это внесло бы не только важнейшие недостающие элементы в разгадку сна, но и дало бы возможность новаторских подходов к терапии всевозможных расстройств сна.
Новые эксперименты с плодовыми мушками, проведенные в Мэдисоне, показывают, что описанный путь — уже не утопия. Широкий разброс потребности в сне у 9000 линий дрозофилы показывает, что в регуляции сна участвует множество различных генов. Судя по всему, у разных штаммов они выступают в разных комбинациях. Крайние типы, обладающие почти исключительно генами краткого или долгого сна, разумеется, оказываются редкими в силу маловероятной комбинации. Такая тяга к средним значениям типична для так называемых мультигенно наследуемых свойств. По той же причине людей среднего роста много, а великанов и карликов — мало.
Чирелли и ее коллеги уже обнаружили единичный ген, деятельность которого в значительной мере определяет потребность дрозофил в сне. Сначала они отметили мушек, отличавшихся особенно коротким сном. В результате удалось выявить «мини-сон» — штамм, который нуждается лишь в трети обычной для дрозофил продолжительности сна. Выяснилось, что у этих малоспящих особей изменен ген, кодирующий белок, который отвечает за возбудимость нервных клеток, пропуская при определенных условиях сквозь клеточную оболочку электрически заряженные частицы. Тем самым он способствует выделению сигнальных веществ и передаче информации в мозге мухи. Таким путем «этот ген, видимо, регулирует потребность в сне и его эффективность», заключают исследователи.
Тех, кто, прочитав это, уже надеется на генную терапию или чудесное средство для людей, которое в один прекрасный день позволит снизить потребность в сне или повысить его качество, нужно сразу предупредить: ожидаемая продолжительность жизни малоспящих мутантов значительно меньше, чем у нормальных мушек.
Дата добавления: 2019-08-31; просмотров: 190; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!