[Прелесть биологии] Биологические часы и их часовщики

Все статьи из цикла "В чем прелесть предмета" ‌‌
Другие статьи из цикла "В чем прелесть биологии":‌‌‌‌
  Биология эгоизма‌‌
  Секреты микоризы
  Наркотики в нашей жизни
  Метаболический путь глюкозы
  Ось "кишечник-мозг"

Цикл "В чем прелесть биологии" расскажет о прекрасных гранях науки о жизни, способных не только удивить и завлечь, но и помочь нам каждый день. И хотя за несколько веков старательного изучения жизни мы уже научились расшифровывать целые геномы и лечить редкие заболевания, создавать вакцины и даже новые организмы, биология все еще полна тайн и нерешенных вопросов. Одной из главных тайн познания биологии остается сон.

Сон – это один из самых загадочных процессов нашего организма, а вопросы как и почему мы спим именно ночью, как тело знает когда засыпать, почему человек устает в одно и то же время до сих пор не находят точных ответов. В этой статье мы углубимся в тему сна и подробно расскажем о биологических часах и их часовщиках, скрытых от наших глаз.

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\(1\), N\(2\) и N\(3\).

Английская аббревиатура REM обозначает Rapid Eye Movement, что переводится как "быстрые движения глаз".

Процесс засыпания начинается с фазы медленного сна, а именно N\(1\). 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. \(2\)). 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. \(3\)). 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 наибольшей мозговой активности. Таким образом эволюция позаботилась о людях, чтобы те не смогли совершить неосознанных поступков во время особо яркого сна или жуткого кошмара. Но сбои случаются всегда. Так, во время перехода в первую фазу медленного сна происходят 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. \(4\)).

За одну ночь человек проходит в среднем \(5\) циклов быстрого и медленного сна. Один такой цикл длится около \(90\) минут, при этом после трех фаз медленного сна вновь наступает фаза N\(2\), 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 проявляются 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 \(2017\) 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 "юность" циркадных ритмов как направления исследований, еще в \(1729\) году Жан-Жак де Меран обнаружил их существование благодаря ежедневным движениям листьев Mimosa pudica (Мимозы стыдливой). "Биологические часы наделяют живой организм внутренней временной организацией. Это временной шаблон изменения физиологии или поведение, не зависящее от изменения окружающей среды" - вывод Жан-Жака Мерана о столь необычном явлении.

"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. \(5\)). К большому удивлению, растение продолжало "спать" и "бодрствовать" (открывать листья днем и закрывать ночью) так же, как ночью и днем 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 имеет собственный циркадный цикл, чей период 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. Таким образом, дневной свет необязателен для работы внутренних часов, но все же он сильно облегчает их работу и является своего рода маяком в непонятном мире сна и бодрствования.

Биологические часы животных

Вернемся к животным, к которым мы 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. \(5\)а .

График показывает закономерности изменения пяти дистанционно контролируемых функций в течение первых \(15\) дней жизни без знания внешнего времени. Как видно, цикличность этих процессов – заслуга наших циркадных ритмов, и астронавты и подводники особенно благодарны природе за такой уникальный 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. \(6\)). Ядра гипоталамуса – это те же нейроны, которые сконцентрированы в группы по специализации. Как же люди узнали, что они имеют играют такую важную роль?

Невероятный 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 \(20\)-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, идущие от глаз млекопитающих, предоставляют СХЯ информацию о ежедневном цикле свет-тьма в окружающей среде. Интересно, что датчики света, ответственные за восприятие дня и ночи, являются специализированными светочувствительными клетками, которые используют фотопигмент меланопсин, а не фоторецепторы (йодопсин колбочек и родопсин палочек) остальной части зрительной системы.

Гормон сна

Хотя СХ является главным и наиболее изученным центром управления циркадными ритмами, это не единственное анатомическое место циркадного контроля. Значимую роль в регуляции сна и бодрствования играет эпифиз, шишковидная железа, расположенная в четверохолмии среднего мозга. Эпифиз секретирует гормон мелатонин, синтезируемый из аминокислоты триптофана. У млекопитающих, согласно современным данным, шишковидная железа не является независимо ритмичной. Эпифиз выделяет мелатонин согласно циркадному ритму под контролем СХЯ.

Этот гормон-часовщик начинает выделяться в вечернее время, а пик производства приходится на \(2\)-\(3\) часа ночи. Когда первые лучи солнца попадают 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 сна, мелатонин так же часто называют гормоном сна.

С возрастом мелатонин вырабатывается все меньше и хуже, поэтому очень часто пожилые люди просыпаются в \(5\)-\(6\) утра. Им и больным бессоницей нередко прописывают мелатонин, так как он помогает "настроить" наши внутренние биологические часы. Так же путешественники советуют брать его с собой в поездки, в которых преодолеваются несколько часовых поясов, ведь джетлаг – это тоже нарушение циркадных ритмов, а мелатонин поможет быстро приспособиться к новой среде.

Заключение

Вот так знания человека о сне и циркадных ритмах постепенно накапливались и продвигались от простого наблюдения за растениями до изучения глубинных молекулярных процессов. Исследовать сон и циркадные ритмы, как и все процессы, напрямую контролируемые мозгом, довольно непросто, но это и делает их изучение только интереснее. Совершенствуя прежние техники и открывая совершенно новые методы исследований, ученые каждый день расширяют наше понимание устройства живого мира, и используют эти знания для лучшей жизни всего человечества. Биология точно связующий мост между наукой и самой жизнью, и в этом есть ее чарующая прелесть!

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.