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.