[Прелесть биологии] Биологические часы и их часовщики
Цикл "В чем прелесть биологии" направлен на то, чтобы рассказать о прекрасных гранях этой науки, которые не только удивляют и заинтересовывают, но и помогают нам каждый день. И хотя за несколько веков активного развития науки мы уже научились расшифровывать геномы животных, лечить тяжелые заболевания, создавать вакцины и многому другому, биология для нас все еще полна тайн и нерешенных вопросов. К таким малоизученным направлениям относится, например, сон.
Сон – это один из самых загадочных процессов нашего организма, а вопросы "Как и почему мы спим именно ночью?" или "Как тело знает когда засыпать и устает в одно и то же время?" до сих пор не находят конкретных ответов. В этой статье мы бы хотели немного углубиться в тему сна и биологических часов, которые контролируют наши привычки в течение всей жизни.
Природа сна
Прежде чем углубиться в регуляцию сна человеческим организмом, необходимо понять природу самого сна. Сон делится на две фазы: медленный (NON-REM) сон и быстрый (REM) сон. В свою очередь, медленный сон подразделяется еще на три стадии: N, N и N.
Английская аббревиатура REM обозначает Rapid Eye Movement, что переводится как "быстрые движения глаз".
Процесс засыпания начинается с фазы медленного сна, а именно N. На этом этапе засыпания мозг человека начинает создавать θ-волны (тета-волны), заметно проявляющиеся на электроэнцефалограмме (ЭЭГ). Данные волны представляют собой нервные импульсы, генерируемые мозгом человека, которые затем регистрируются специальным медицинским оборудованием.
Первый этап известен своими гипнагогическими галлюцинациями (слово "гипнагогия" означает промежуточное состояние между сном и явью), иными словами, галлюцинациями мозга, появляющимися на границе сознательного и бессознательного состояний. Подобные галлюцинации можно испытать после долгого путешествия поездом, когда по прибытии на "твердую землю" все равно чувствуется качание и слышны звуки колесных пар. Часто случается, что во время этого этапа полусонные люди откликаются на свое имя или вовсе просыпаются из-за померещившегося звонка в дверь, а также происходит то самое чувство падения во сне. Это не что иное, как гипнагогический рывок, происходящий в результате непроизвольного подергивания мышц.
На втором этапе медленного сна на ЭЭГ наблюдается больше тета-волн с проявляющимися К-комплексами, за которыми следуют так называемые “сонные веретена” (рис. ). Эти виды волн показывают резкую ритмическую активность мозга, которая подавляет когнитивные функции, участвующие в восприятии окружающей среды, в частности тактильные ощущения и звуковое восприятие. Помимо этого, волны К-комплекса свидетельствуют о том, что процессы консолидации памяти, иначе говоря объединения и сохранения опыта и знаний, полученных в течение дня, происходят именно во второй фазе медленного сна. Таким образом, именно благодарю сну наши дневные приключения не уходят в небытие, а запоминаются и иногда используются как материал для будущих сновидений.
Во время последней стадии медленного сна на ЭЭГ можно с легкостью опознать дельта-волны (рис. ). На данном этапе мозговые волны редкие и медленные, а значит мозговая активность сильно снижена, и внешние раздражители с трудом могут разбудить человека в таком состоянии. Примечательно, что именно в этот период часто наблюдается способность говорить во сне, а всем известное явление лунатизма тоже происходит в этой фазе медленного сна.
Быстрый сон (REM), или же парадоксальный сон, характеризуется быстрыми движениями глаз под веками. А в чем же собственно сам парадокс? Он заключается в полном параличе скелетных мышц в состоянии с наибольшей мозговой активностью. Таким образом эволюция позаботилась о людях, чтобы те не смогли совершить неосознанных поступков во время особо яркого сна или жуткого кошмара. Тем не менее сбои случаются всегда. Так, во время перехода в первую фазу медленного сна случаются сонные параличи. Сонный паралич – это состояние, когда человек сознательно уже проснулся, но из-за специфического паралича мышц не способен двигаться. Сам паралич осуществляется тормозящими нейромедиаторами (гамма-аминомасляной кислотой и глицином), которые связываются с ионными каналами в мышцах, тем самым препятствуя их сокращению.
Вовсе неудивительно, что это физиологическое явление нашло свое отражение во многих религиях и верованиях, объясняющих сонный паралич сидящими на груди мифическими существами (рис. ).
За одну ночь человек проходит в среднем циклов быстрого и медленного сна. Один такой цикл длится около минут, при этом после трех фаз медленного сна вновь наступает фаза N, а потом только фаза быстрого сна. Длина каждой фазы крайне индивидуальна и находится под влиянием множества самых разнообразных факторов, таких как возраст, работоспособность нервной системы и даже наследственность.
Нельзя не упомянуть, что быстрый REM-сон занимает большую часть времени перед самим пробуждением. В этот период электрическая активность мозга походит на состояние бодрствования, а сам человеческий организм переносит различные нагрузки. На фоне изменения секреции гормонов надпочечников проявляется аритмия и резкие скачки артериального давления, а также увеличивается частота дыхания и усиливается мозговое кровоснабжение. Кроме этого, именно в этой необычной фазе сна человеку открывается мир грез и сновидений, поэтому, чтобы запомнить недавно увиденный сон, нужно проснуться прямо во время фазы REM-сна.
Циркадные ритмы
Живые организмы обладают внутренними механизмами синхронизации, называемые биологическими часами, которые ритмически регулируют работу клеток, тканей и органов. Этот биологический механизм именуется циркадианным (циркадным) ритмом (от лат. circa «около, кругом» + dies «день»).
На данный момент тема циркадных ритмов очень актуальна в мировом научном сообществе. В году американские ученые Майкл Росбаш, Майкл Янг и Джеффри Холл были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине как раз за изучение молекулярных механизмов, ответственных за регуляцию циркадных ритмов.
Несмотря на то, что изучение циркадных ритмов является довольно молодым направлением исследований, еще в году Жан-Жак де Меран обнаружил их существование благодаря ежедневным движениям листьев Mimosa pudica (Мимоза стыдливая). Он дал следующее определение: "Биологические часы наделяют живой организм внутренней временной организацией. Это временной шаблон изменения физиологии или поведение, не зависящее от изменения окружающей среды".
"Как это не зависящее от изменения окружающей среды?! Свет же влияет на сон и бодрствование!", – первая мысль, которая приходит в голову после прочтения этого определения.
Чтобы исследовать зависимость циркадных ритмов от света, Жан-Жак де Меран решил поместить Мимозу стыдливую в полную темноту (рис. ). К большому удивлению, растение продолжало "спать" и "бодрствовать" (открывать листья днем и закрывать ночью) так же, как днем и ночью при воздействии света. Помимо этого, французский ученый заметил интересное свойство циркадных ритмов – возможность "сброса" (обновления) цикла. На примере помещенной в темноту Мимозы стыдливой это означает, что растение циркадный цикл, но период самого цикла может постепенно отходить от фактического цикла день-ночь, тем самым теряя синхронизацию с реальным миром.
В естественной среде цикл устанавливается ежедневной сменой дня и ночи благодаря действию фоторецепторов синего света и фитохрома, которые участвуют в регуляции экспрессии многих генов в организме человека. Таким образом, наличие дневного света и необязательно для работы внутренних часов, но все же оно сильно облегчает эту работу и является своего рода маяком в непонятном мире сна и бодрствования.
Биологические часы животных
Вернемся к животным, к которым мы, собственно, и относимся. Кроме сна, процессов, регулируемых биологическими ритмами, очень много, начиная от времени наибольшей продуктивности и заканчивая секрецией гормона кортизола и изменением артериального давления.
Чтобы удостовериться в том, что биологические часы значительно влияют на нашу физиологию и не зависят от внешних факторов, был поставлен эксперимент. Один молодой человек жил в квартире с закрытыми окнами без телефона и часов. Всё, что помогло бы определить время суток, было убрано из квартиры. Он мог включать и выключать свет, готовить еду, спать и заниматься другими повседневными делами, но вся его деятельность была полностью основана на внутреннем физиологическом чувстве времени. Результаты эксперимента показаны на Рис. а.
Этот график показывает закономерности изменения пяти дистанционно контролируемых функций в течение первых дней жизни без знания внешнего времени. Как видно, цикличность этих процессов – заслуга наших циркадных ритмов. Астронавты и подводники особенно благодарны природе за такой дар.
Перейдем поближе к самой теме. Что же отвечает за проявление сна в определенное время суток? В первую очередь, у млекопитающих всем этим заведуют супрахиазменные ядра (СХЯ), которые расположены напротив зрительного перекреста в гипоталамусе (рис. ). Ядра гипоталамуса – это те же нейроны, которые сконцентрированы в группы по специализации их функций. Как же люди узнали, что они имеют такую значимую роль?
Потрясающий опыт продемонстрировал значимость СХЯ. Исследователи уничтожили супрахиазматические ядра у группы генетически нормальных хомячков. Позже они вставили в мозг каждого хомяка СХЯ, взятые у мутантного хомяка, который проявлял необычный -часовой период активности. Когда у хомяков отсутствовали СХЯ, их циркадные ритмы активности тоже не проявлялись. После того, как хомяки получили заменяющие СХЯ, они снова установили циркадные ритмы, но период ритмов был необычными и коротким, как у мутанта.
Нервные связи от глаз у млекопитающих предоставляют СХЯ информацию о ежедневном цикле свет-тьма в окружающей среде. Интересно, что датчики света, ответственные за это, являются специализированными светочувствительными клетками, которые используют фотопигмент меланопсин, а не фоторецепторы (йодопсин колбочек и родопсин палочек) остальной части зрительной системы.
Гормон сна
Хотя СХЯ – главный и наиболее изученный центр управления циркадными ритмами, это не единственное анатомическое место циркадного контроля. Значимую роль в регуляции всего этого играет эпифиз, шишковидная железа, которая располагается в четверохолмии среднего мозга. А если быть еще точнее, то эпифиз секретирует гормон мелатонин, синтезируемый из аминокислоты триптофана. У млекопитающих, согласно современным данным, шишковидная железа не является независимо ритмичной. Эпифиз выделяет мелатонин в циркадном ритме из-за контроля со стороны СХЯ.
Этот гормон-часовщик начинает выделяться в вечернее время, а пик производства приходится на - часа ночи. Когда первые лучи солнца попадают нам на глаза, уровень мелатонина резко снижается и остается на одном уровне до наступления вечернего времени. Из-за того, что концентрация мелатонина полностью совпадает со временем нашего сна, мелатонин также часто называют гормоном сна.
С возрастом мелатонин вырабатывается все меньше и хуже, поэтому очень часто бабушки и дедушки просыпаются в - утра. Пожилым людям и людям с бессонницей нередко прописывают мелатонин, так как он помогает "настроить" наши внутренние биологические часы. Также, путешественники советуют брать его с собой в поездки, в которых преодолеваются несколько часовых поясов, ведь джетлаг – это тоже нарушение циркадных ритмов, а мелатонин поможет вам быстро приспособиться к новой среде.
Заключение
Вот так наши знания о сне и циркадных ритмах постепенно накапливались и продвигались от простого наблюдения за растениями до изучения молекулярных процессов. Исследовать сон и циркадные ритмы, как и все процессы, напрямую контролируемые мозгом, довольно непросто, но это делает их изучение только более интересным и интригующим. Совершенствуя прежние техники и открывая совершенно новые методы исследований, ученые каждый день улучшают наше понимание того, как устроен живой мир, и используют эти знания для улучшения нашего существования. В этом и заключается прелесть биологии.
Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.
Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова.