Що сниться Медузі Горгоні? або Морфей – повелитель Біосфери.

Біологія Живе

Сон – одна з не багатьох речей, спільних для великого числа живих істот на нашій Планеті.

За даними досліджень, сплять майже всі хребетні – кішки, мавпи, копитні, дельфіни, рептилії і птахи. Навіть безхребетні відчувають необхідність в сні, або, в крайньому випадку, в відпочинку нервової системи шляхом її часткового відключення.

Що таке сон і звідки він взявся?

Сон – це змінений стан свідомості (до цієї ж групи станів відноситься сп’яніння, інтоксикація, дія психоделіків і т.д. Фактично, залежність від сну – найсильніша після дихання і харчування), при якому знижена активність нервової системи, падає рівень підтримки обміну речовин і майже відсутні скоординовані свідомі рухи. Ритми сну і неспання називаються циркадних і координуються складним біохімічним ансамблем, в якому перші скрипки грають гормони і нейромедіатори.

Еволюційно, сон з’явився дуже рано – практично одночасно з хоч скільки-небудь вираженим мозком. Або навіть раніше? Нещодавно було встановлено, що циркадні ритми, або, принаймі їх подібність, є навіть в одноклітинних!

Найпростіший організм, у якого стовідсотково точно виявлена стадія сну – це медуза роду Cassiopea. Здавалося б, у медуз навіть мозку, як такого, немає – просто рівномірно розподілена сітка нервових вузлів. Проте, частина життя Кассіопея проводить уві сні. Цікаво, що може снитися медузи? І які її сни? Чи відчуває вона фантомні хімічні сигнали від близької здобичі? Або, може бути, тепло сонячного світла, що пробивається крізь товщу води? Можна тільки гадати …

Ще одним сюрпризом було те, що сплять навіть черв’яки-нематоди. Це істоти майже такі ж прості, як медуза. Навіть число клітин в їх тілах часто не перевищує декількох сотень. Цікаво, що нематода C. elegans, на якій це було встановлено, засинає безпосередньо перед линянням (нематоди скидають стару кутикулу, як комахи і ракоподібні). І не вона одна – у багатьох інших тварин сон пов’язаний з процесами розвитку і дорослішання.

І не тільки у тварин, до речі, – діти одного дуже неспокійного виду антропоїдних приматів, до якого належим ми з вами, швидше ростуть саме уві сні. Ймовірно, тому немовлята сплять часто і багато.

Наскільки необхідний сон живим істотам?

Скористаємося добре відомим принципом contradiction in contrarium – доказом від противного. Припустимо, що сон не потрібен.

Тоді має бути вірним наступне:
1. Існують тварини, які не сплять. Узагалі.
2. Існують тварини, яким не потрібен сон заради відпочинку після більш тривалих, ніж зазвичай, періодів активності.
3. Існують тварини, які не відчувають серйозних проблем через недосипання.

Тепер проаналізуємо всі відомі види тварин).
Припустимо ту божевільна кількість часу, який на це знадобиться, і виявиться, що таких істот, крім зовсім просто влаштованих, які, фактично, не мають нервової системи, не існує. Є деякі види акул, такі як велика біла і хаммерхед (акула-молот), які абсолютно все своє життя проводять у русі, позаяк пристрій зябрового апарату не дозволяє їм проганяти воду через них, інакше як зустрічним потоком води. Але навіть вони, ймовірно, сплять, відключаючи півкулі мозку по черзі, як це роблять кити і дельфіни.

Якщо наше припущення не вірне, то, виходить, сон (в тій чи іншій формі) необхідний всім живим істотам з певним рівнем розвитку нервової системи.
Тепер подивимося уважніше, хто і як спить. Це повинно бути досить цікаво.

Сонне дзижчання бджолиного вулика

Електрофізіологічні методи вивчення сну у безхребетних – річ складна, тому що безхребетні, в основному, маленькі. Важко надіти енцефалограф (прилад, що реєструє електричну активність мозку) на блоху або бджолу, ще важче переконати її поспати, коли це потрібно. Проте деякі дані зібрати вдалося.

У комах виявлені циркадні ритми зі стадією активності і відпочинку, але, схоже, їх сон не призводить до зміни обміну речовин. Грубо кажучи, їх «дихання» (якби вони активно дихали) і серцебиття не відрізняється від тих же показників у стані неспання. Але ось свідомої рухової активності немає. Оси-сколії, наприклад, сплять, вчепившись щелепами в стеблинку трави і витягнувши лапки вздовж тіла. Вони нерухомі, не реагують на більшість подразників і зовсім пасивні, тобто, у них засинає тільки «свідома» частина мозку. При цьому, у комах немає двох роздільних фаз сну – швидкої і повільної. Якщо вони сплять, то вони просто сплять.

Цікаво, що якщо не давати спати мушкам-дрозофілам і робити це систематично, то у них починаються проблеми з когнітивними функціями, зовсім як у студента, шо не виспася.

Як це вимірювалося? Мушкам давали тести і просили вибрати відповідне слово з групи, або може, скласти пару чисел?

Існує простенький тест на адекватність реакції для мушок-дрозофіл. Їм пропонується два тунелі. В кінці одного з них є світло, інший тунель затемнений. У нормі дрозофіл нездоланно тягне до світла, майже як метеликів, але якщо в кінці темного поставити мисочку з цукровим сиропом, а в кінці світлого – щось, що неприємно для мух пахне, то вони з кількох спроб запам’ятовують, де що знаходиться, і летять відразу до солодкого, хоча воно і в темряві.

Мушки з депривацією сну помиляються набагато частіше за своїх виспаних «колег» і забувають розташування в три рази швидше, ніж контрольна група.

Ще одне спостереження показало, що якщо комасі не давати спати, то, як тільки її залишать в спокої, вона буде спати довше звичайного, щоб компенсувати недосип.

На бджолах ставилося багато експериментів, пов’язаних з вивченням сну. Як і у випадку з мухами, що не виспалися, бджоли набагато менш ефективні. Вони неточно передають «танцем» (бджоли спілкуються складним набором жестів, який прийнято називати «танцями») розташування кольорів з нектаром, вони зупиняються на половині піруета, вони навіть гірше справляються з поверненням у вулик, знаходять льоток з п’ятої-шостої спроби, замість першої . Але найцікавіше у бджіл те, що вони здатні до навчання уві сні.

Був поставлений наступний експеримент:

Бджіл розсаджували по окремим пробірках (одна пробірка – одна бджола, це важливо) і давали заснути на цілу ніч, як вони роблять це в природі. Поки вони спали, випробувальну групу злегка підігріли і поставили поруч з ними ароматні приманки, які потім прибрали до того, як бджоли прокинуться. Контрольній групі дали приманки з парафіном, запах якого у бджіл ні з чим не асоціюється. Коли бджоли прокинулися, їм знову запропонували приманки, і бджоли з випробувальної групи моментально відреагували витягуванням хоботка в бік приманок з тим же запахом, що вони відчували вночі. І тягнулися до нього набагато довше, ніж вони це роблять з незнайомими предметами. Тобто, вони запам’ятали стимул, хоча і були в стані глибокого сну.

Схоже, що у бджіл сон служить для закріплення спогадів, отриманих вдень. Якщо це так, то, ймовірно, вони повинні бачити сни. Причому, сниться їм саме те, що може снитися бджолі: квіти, мед, стільники, квіти, знову квіти і, можливо, ще квіти. Що ж, принаймні, їм невідомі нічні кошмари. Чи ні? Ймовірно, це залежить від подій попереднього дня.

Радикальний Дзен-Паучізм

Ще один ряд цікавих спостережень було проведено над павуками. Арахніди, як і багато їхніх родичів, відрізняються високим ступенем централізації нервової системи. Тобто, якщо у комах нервові вузли розподілені за сегментами більш-менш рівномірно (хоча, звичайно, мозок більше, ніж нервовий вузол якогось сегмента черевця), то у павуків все це зливається, утворюючи досить великий мозок в головогрудях. Ця маса нервової тканини координує рух восьми ніг, двох педипальп і пари іклів (тобто дванадцяти кінцівок в сумі), а, так само аналізує інформацію від восьми очей з оглядом в 360 градусів. Вельми велике навантаження на один мозок, враховуючи, що йому треба ще полювати, забезпечувати інстинктивну діяльність і так далі. Тому він досить розвинений, як для безхребетного.

Але всьому є своя ціна. Нервова тканина – одна з найдорожчих в організмі. Нейрони здатні засвоювати тільки глюкозу, і ніякий інший цукор, тому людина з низьким рівнем глюкози в крові банально непритомніє. Крім того, нейронам потрібна ще сила-силенна різних хімічних речовин: фактори росту, матеріали для синтезу нейромедіаторів, море кисню для вироблення електричних імпульсів – і все це споживається в диких кількостях навіть в спокійному стані, що вже говорити про активний!

Людський мозок, при своєму не такому вже великому відсотку маси тіла, відтягує на себе до 20% кровотоку. Вдумайтеся! З 5 літрів крові у всьому тілі, один літр постійно знаходиться в мозку! Так що великий мозок – штука дуже дорога. В середньому, за витратами калорій, наші дві півкулі споживають стільки, скільки чотири ноги гепарда або хвіст дельфіна на добу. Коротше кажучи, бути розумним – це як водити хаммер. Ефективно, стильно, але бензину потрібно море.

Звичайно, порівнювати енерговитрати мозку восьмилапих і людини- не зовсім адекватно, але деяке уявлення про ситуацію це дає.

Павуки, майже всі – засадні хижаки. І дуже багато часу проводять в очікуванні здобичі. І весь цей час мозок просить їсти. Тому павуки, схоже, здатні вибірково відключати частину функцій і відділів мозку, залишаючи тільки ті, що потрібні для виживання і реагування на стимул, коли і якщо він з’явиться. Такий собі стан глибокої дзен-медитації з частково не-існуванням в світі Самсари.

Тобто, якщо ми спимо, тому що втомилися, то павук спить, щоб не втомитися! Вражаюче дотепна концепція від хитрої старої перечниці-Еволюції!

Гаразд, вистачить з нас безхребетних. Перейдемо до тих тварин, з якими можна мати справу. Тваринам, у яких є принципи і міцний моральний стрижень всередині. У сенсі, хребетний стовп.

Сонні Глибини і Сплячі Дракони

Риби поки погано вивчені в контексті сну. У них точно є періоди неактивності – це будь-який акваріуміст підтвердить. Але, на відміну від дрозофіл і бджіл, риби, схоже не дуже страждають від нестачі сну, або, що ймовірніше, ми просто не знаємо, що реєструвати. Риби відмовляються заповнювати бланки тестів на IQ вони вважають за краще їх їсти. А якщо серйозно, то просто не розроблені достовірні тести, що дозволяють оцінити стан риби при нормальному сні і при недосипанні. Проте, існує велике дослідження, яке показує що більше 200 з відомих видів риб переживають раз на добу період неактивності, дуже схожий на сон. Деяких в такому стані можна навіть з води витягати голими руками. Є підозра, що, потенційно, риби здатні довго не спати – наприклад, під час міграцій або при турботі про потомство.

Наземні хребетні, що включають амфібій, рептилій, птахів і ссавців абсолютно однозначно потребують сну. Що цікаво, лише у пернатих і волохатих показаний двофазний сон – швидкий і повільний, аналогічний людському. Оскільки за появу обох цих груп безпосередню відповідальність несуть панове рептилоїди (є предками, причому загальними), то абсолютно логічно вивчати походження сну на наших лускатих сусідах по планеті.

Денною активністю у рептилій є короткі періоди пошуку їжі або партнера, що перемежовуються довгими сонячними ваннами в напівсонному стані.
Причому, це чергування, з точки зору нейрофізіології, дуже схоже на чергування фаз сну у ссавців і птахів. Так що, можна припустити, що глибокий нічний сон (повільна фаза) – це те ж саме, що нічний сон у рептилій, а ось швидка фаза (фаза сновидінь) – це аналог денниї дрімоти під час сонячних ванн. За останніми даними, ця аналогія цілком доречна.

Проте, є ряд відмінностей. Структура хвиль, що відображаються енцефалографом при обстеженні сплячого варана сильно відрізняється від аналогічної для сплячої миші. Там присутні інші ритми та інші піки. Ймовірно, рептиліям сниться щось інше і по-своєму. Швидше за все плани із захоплення світу, що ж ще?)

Невиспаний ящір дуже схожий на людину в такому ж стані. Після депривації сну їм потрібно більше часу, щоб виспатися, і для того, щоб їх розбудити, потрібні більш сильні стимули. Все як у людей. На жаль, кави вони не винайшли. Поки що.

Що стосується амфібій, то все, в цілому, так само, як і у рептилій, з тією відмінністю, що земноводні набагато більш алертні – швидше і простіше прокидаються – в стосунку до стимулів. Коротше кажучи, у них поголовна параноя на тему того, що хтось спробує їх зжерти.

Літати уві сні і наяву

Як вже говорилося вище, птахи сплять так само, як ссавці. У них двофазний сон, причому енцефалограма дуже схожа на таку у звірів. З цього можна зробити припущення, що еволюційні «винаходи» двохфазного сну і теплокровності йдуть обіруч.

Різні птиці проводять уві сні різний час, це залежить від багатьох факторів – розміру, ваги, ступеня небезпеки оточення.
Цікаво, що деякі птахи вміють «спати одним оком». У буквальному сенсі слова. Справа в тому, що, як і дельфіни, а, так само деякі ящірки, птахи здатні відправляти в стан сну різні півкулі свого мозку по черзі. І закривається те око, відповідна якому півкуля в даний момент відпочиває. Друге залишається відкритим. Чесно кажучи, важко навіть уявити, що відчуває птах в цей момент. Повинно бути, вельми цікаве сприйняття реальності.

Деякі птахи здатні спати на льоту. Наприклад, стрижі і альбатроси проводять величезну кількість часу в повітрі. Другі можуть цілодобово планувати, користуючись океанськими вітрами, а стрижі перші два роки дорослого життя взагалі рідко сідають на що-небудь.

У альбатросів є цікава особливість будови крила, пов’язана зі сном. У них є маленька кісточка в ліктьовому суглобі, яка може «замикатися» фіксуючи крило в розправленому стані без м’язових зусиль. Так що альбатрос здатний переводити крила в «режим планування» і спокійно засинати прямо на льоту.

Дрімаючі Звірі

Сон різних ссавців дуже різний, але завжди двофазний, як і у людини (яка, раптово, ссавець). Але проявляються ці фази дуже по-різному. Наприклад, коні і багато інших копитні здатні спати стоячи, але повинні лягати на землю для швидкої фази сну.

Нагадаю, що швидка фаза сну – це стадія, в якій спостерігаються активні рухи очей (REM-sleep від Rapid Eye Movement) і досить висока активність мозку. У цей момент нам і сняться сни, мозок упорядковує отриману днем ​​інформацію, «чистить кеш» і взагалі готується до активної роботи днем.

Друга фаза – «повільна» (насправді вона називається не-швидкою – non-REM, а «повільна» – просто літературний синонім для краси і однозначності тексту), під час якої відбувається зниження активності мозку, а також серцебиття і дихання. Це і є справжній відпочинок в повному розумінні слова.

Тривалість сну у різних тварин дуже різна – від двох годин у коней і чотирьох у жирафів, до дев’ятнадцяти годин сну у кажанів і вісімнадцяти у лемурів.

Закономірності тут проводити складно. На перший погляд – класична крива зворотної кореляції розмір / тривалість сну. І це було б очікувано.
Справа в тому, що у ссавців під час сну відбувається один дуже важливий (життєво важливий) процес – відновлення мембран нейронів. Кисень використовується тваринами для дихання, тому що це найдоступніший окислювач органіки з метою вивільнення енергії хімічних зв’язків. Тобто, якщо грубо, то тварини спалюють в своїх клітинах глюкозу за допомогою кисню заради отримання енергії. Згадаймо, що глюкоза- вуглевод, як і целюлоза, з якої складається деревина і аналогія з багаттям стане очевидною. Тільки тут все відбувається в маленькому обсязі і на молекулярному рівні. Все-таки тварини – занадто висококласні профі в області біохімії, щоб розкидатися на непотрібні спецефекти на кшталт язичків полум’я, потріскуючих дров і приємного запаху смажених сосисок, які супроводжують справжнє багаття.

Нейрони – одні з найбільш метаболічно активних клітин в організмі. І кисню в них багато, в тому числі з’являються його екзотичні форми з високою активністю. І вся ця гидота окисляє що попало. У тому числі безцінні для роботи цих клітин, зовнішні мембрани. Дірки в них робить, буквально. Тому після активної роботи днем ​​молекули мембран повинні бути молекулярно заштопані. І саме це відбувається під час сну.

Далі, ссавці – теплокровні. Але існує фізіологічна закономірність (заснована на термодинаміці), в якій мовиться, що чим менше за співвідношенням об’єм/поверхня тіла звір, тим швидший у нього метаболізм. Якщо простіше, то дрібне ссавець і тепліший, і їсть більше (щодо ваги) і кисню вимагає більше, ніж здоровезний гіпопотам.

Значить, раз у дрібного ссавця активний обмін речовин, то і мембрани діркуються швидше. Звідси і необхідність бабака спати як … бабак, в той час як коню вистачає двох годин сну.

Але це було б занадто просто для єхидною бабусі-Еволюції. Тому вона створила таку річ, як ефективність стратегії сну, мабуть спеціально, щоб біологам виду H.sapiens було, над чим подумати. І ось через цей параметр плутаються всі карти з обміну речовин.
Так що обмежимося фактами.

В цілому, найдовше сплять хижаки, менше – всеїдні, а найменше на перегляд сновидінь витрачають час травоїдні тварини. Мабуть, сни у них нудні, як заставка Віндовс. Хоча відомо, що велика рогата худоба проводить багато часу в стані дрімоти, так що, може бути, це компенсує низьку тривалість повноцінного сну.

Люди сплять менше за інших всеїдних, мабуть через складний паттерн активності мозку – він досить ефективно відновлює себе за 7-8 годин. Що ж, хоч щось ми можемо дійсно краще за інших тварин.

За фазами сну теж є істотна різниця. Загальна тенденція така, що чим краще і повніше сформовано тварина при народженні (читай, здатна до самостійного життя), тим коротше фаза швидкого сну. Вона дуже довга у кішок, які народжуються сліпими, і дуже коротка у зайців і жирафів, які з першої секунди життя здатні ходити, а через півгодини-годину починають бігати.

Чемпіон серед ссавців по тривалості сну – коала. Вони проводять в країні Дрімаючхи евкаліптів до 22 годин на добу.
Найкоротший сон зафіксований у жирафа. Він витрачає на це приємне заняття всього 2 години на добу, і дробить їх на короткі відрізки по 5-15 хвилин.

Найдовше без сну здатні обходитися касатки. Перший рік після народження вони не сплять зовсім. Мабуть, встигають виспатися наперед під час ембріонального розвитку.

До речі кажучи, у дельфінів (до яких відносяться косатки) є цікава особливість. Їх півкулі мозку сплять по черзі. Схожа картина була описана вище у птахів, але ця адаптація з ними ніяк не пов’язана, а вийшла в ході паралельної еволюції.

Дельфіни – водні тварини, але дихають поверхневим повітрям. Під час нічного відпочинку дельфін повинен кожні 2-5 хвилин спливати до поверхні, щоб оновити повітря в легенях. Якби він заснув повністю – на обидві півкулі одночасно, то просто потонув би. Тому дельфіни вимикають то одну то іншу половину мозку, в той час як протилежна контролює спливання і занурення.

В цілому, це все факти про сон у тварин, якими я хотів поділитися з Вами сьогодні. На карті наших і не наших сновидінь є ще багато білих плям, які вимагають нових досліджень, методів і підходів. Але з часом все буде вивчено.

Сподіваюся, читачам було цікаво.

Дякую за увагу, мої теплокровні.

Рей Ленс.