Питер Шпорк - Сон. Почему мы спим и как нам это лучше всего удается

Когда израильский исследователь Перетц Лави задумался над экспериментами Аллена Рехтшафена, не дававшего крысам спать, он пришел к выводу, что крысы погибли в конечном счете от того, что в их организме нарушилась «регуляция и стабильность внутренней среды». Лави подразумевает под этим не только температуру тела, явно вышедшую из под контроля, но и настройку многих других жизненно важных систем, таких как жировой и энергетический обмен веществ и иммунная защита. Температура тела — лишь наиболее явный показатель нарушенного равновесия. «Без сна система разлаживается, что может приводить к смерти», — заключает Лави.

Возможно, крысам не хватало смены сна и бодрствования, задававшей ритм их жизни. Очень многое указывает на то, что едва ли не все живые существа организованы ритмически. В частности, это означает, что за фазами активности у них непременно должны следовать периоды покоя. Очевидно, эти регулярные подъемы и спады помогают организмам сохранять внутреннее равновесие. Ведь для сложных систем, судя по всему, особенно важна возможность время от времени «выключаться». В живом организме идут параллельно бесчисленные процессы, многие взаимно влияют друг на друга и нуждаются в тонком согласовании, и в то же время каждый из них должен постоянно сохранять собственную стабильность.

Нетрудно догадаться, что такая система легко выходит их равновесия, если ее отдельные составляющие начинают играть не по правилам. Поэтому для организмов жизненно важна синхронизация физиологических процессов. И огромную роль в этом играет чередование активности и покоя.

Уже цианобактерии, или сине-зеленые водоросли, — крошечные одноклеточные существа без клеточного ядра, считающиеся одними из первых обитателей Земли, имеют внутренние часы. В определенное время суток они запасают значительно больше углерода, чем в другие часы. Делятся они также преимущественно в одно и то же время. Все их гены активизируются в повторяющемся суточном ритме. Внутренние часы есть у многих других одноклеточных, не говоря уже о растениях и животных. Их биологические хронометры не только служат поддержанию внутренней гармонии, но и помогают приспособиться к астрономически заданной смене дня и ночи.

Итак, можно спорить о том, что появилось первым: сложная живая регулирующаяся система с чередованием подъемов и спадов или организм, способный благодаря встроенным часам достаточно точно предсказывать периодические колебания внешних природных условий. В любом случае именно в этой циклической смене активности и покоя следует, вероятно, видеть природу сна.

Сон — это далеко не только покой. Конечно, для активного днем организма имеет смысл ночной отдых — идет ли речь о человеке, пчеле или бактерии. Но это еще не значит, что ему нужен сон. Многие животные активны круглые сутки, чередуя активность с периодами сна — например, кошки, морские свинки и мыши-полевки, а также черви.

Самое важное свидетельство того, что сон — это не просто заполнение фаз покоя, состоит в его гомеостатической регуляции, то есть в том, что организм старается поддерживать потребность в сне на постоянном уровне: тот, кто долго не спал, вынужден потом наверстывать упущенное и спать дольше, даже в неподходящее время суток. Следовательно, есть нечто, для чего организму недостаточно просто покоя. «Покой не может приспосабливаться к обстоятельствам, а сон может», — говорит Ирен Тоблер.

Итак, чередование покоя и активности — очень древний биологический принцип, который и у современного человека отражается в сравнительно жестком суточном ритме внутренних часов. В какой-то момент эволюции — вероятно, когда появились первые сложные животные, имеющие нервную систему и вынужденные координировать свой рост и работу множества разнообразных органов — к этому ритму добавился сон.

Предпочтительным временем его работы стали заданные биологическими часами периоды покоя. Именно тогда, вероятно, за этим состоянием закрепились многие важные физиологические функции. Так постепенно сложилось то, что мы сегодня называем сном. «Это как с дыханием и речью», — замечает Ян Борн. «Природа соорудила дыхательные пути для дыхания, и лишь потом догадалась использовать их еще и для речи».

Какая из многих функций сна является первичной, то есть исходной и, следовательно, самой важной — не знает никто. Но, судя по всему, сон очень рано включил в свою программу регуляцию баланса между кровообращением и обменом веществ, которая важна, в частности, для поддержания нормальной температуры тела. У позвоночных сложным циклическим процессом обмена веществ ведает мозг со своими придатками, вырабатывающими гормоны, и работающей на бессознательном уровне вегетативной нервной системой. После того, как чикагский невролог Карине Шпигель в 1999 г. доказала, что у здоровых молодых людей, вынужденных обходиться четырьмя часами сна в сутки, уже через неделю наблюдаются болезненные изменения углеводного обмена и гормональной системы, стало окончательно ясно: без сна организм выходит из равновесия. Просто покоя ему недостаточно.

Что делают биологи, если хотят выяснить причину таинственного феномена, функция которого неочевидна из устройства органа или результатов эксперимента? Они сравнивают множество различных существ, у которых наблюдается данный феномен, и ищут закономерности. Именно поэтому лос-анджелесский сомнолог Джером Сигел замерял продолжительность сна у такого количества разных млекопитающих. Его интересовали параллели у сходных видов и различия у несходных.

Обнаружив, что главными факторами, влияющими у млекопитающих на продолжительность сна, являются размер тела и способ питания, он заключил, что сон должен играть большую роль в энергосбережении. Травоядные спят тем больше, чем сами они меньше. У плотоядных млекопитающих такой прямой связи не наблюдается. Зато легко заметить, что они спят, как правило, больше, чем травоядные того же размера. Сигел, конечно, сразу заметил связь с «одним из самых несомненных соотношений в биологии млекопитающих», по его выражению: «у мелких животных высокая скорость обмена веществ; у крупных животных низкая скорость обмена веществ».

Мелкие млекопитающие в принципе затрачивают больше энергии на поддержание температуры тела, у них очень быстрый пульс и высокое кровяное давление — только потому, что такие животные обладают большим отношением поверхности тела к его объему. Очевидно, они должны экономнее обходиться со своими скудными ресурсами. Именно эта экономия достигается, по мнению Сигела, во сне. В самом деле, многие животные затрачивают во сне значительно меньше энергии, чем во время бодрствования: они забираются в теплое укрытие, почти не шевелятся, скорость обмена веществ у них снижается.

Но почему плотоядные и травоядные спят разное количество времени? На это у Сигела есть сразу несколько ответов. Во-первых, растительный корм содержит значительно меньше калорий, чем мясо, поэтому млекопитающим-вегетарианцам приходится проводить больше времени за едой. Кроме того, их способ добывания пищи менее утомителен. Поэтому они экономят не так уж много энергии, когда не ищут корма. Неудивительно, что больше всех в животном царстве спят мелкие хищники, добывающие себе пропитание с большой затратой труда: у летучих мышей продолжительность сна составляет 20 ч в сутки[21].

Тот факт, что сравнительно много спят и крупные хищники, например, львы, Сигел объясняет вторым преимуществом сна: он помогает скоротать время. Дневные животные, бродящие по ночам, или ночные животные, вышедшие на охоту днем, не находят добычи и напрасно подвергают себя опасности. Поэтому сон, «значительную часть суток подавляющий нормальное поведение», приносит огромную пользу и, несомненно, поощрялся в ходе естественного отбора. Когда ничего полезного сделать нельзя, самое полезное — спать.

В конечном счете, идея периодической потребности в отдыхе, поддерживающем внутреннее равновесие, а также целесообразное распределение затрат энергии в зависимости от обмена веществ и способа добывания пищи, ведет к распространенному тезису, что сон служит для отдыха. «На мой взгляд, в основном, поскольку дело касается людей, функция сна — это отдых», — убежденно заявляет Александр Борбели.

«Наша задача — выяснить механизм регуляции сна, — говорит его сотрудник Петер Ахерман. — Если мы будем больше знать о том, как организм управляет необходимой продолжительностью сна, нам станет яснее смысл сна». Во время бодрствования в нашем теле, прежде всего в мозге, накапливается множество веществ, которые там, собственно говоря, не нужны, или вырабатываются клетками и органами как сигналы усталости. Это, с одной стороны, побочные продукты обмена веществ, с другой — сигнальные вещества иммунной системы и нервных клеток, а также гормоны. Сейчас известно около двадцати вырабатываемых в организме веществ, влияющих на потребность в сне. Кроме того, нервные клетки больших полушарий со временем испытывают нарастающую потребность в синхронизации и переходят на медленноволновой рисунок активности, соответствующий легкому и глубокому сну. И только совокупность всех этих факторов приводит к тому, что потребность в сне повышается, и мы ощущаем тем большую усталость, чем дольше продолжается бодрствование.