Берндт Хайнрих - Зима: Секреты выживания растений и животных в самое суровое время года

В начале 1950-х годов ученые выделили два типа сна. Один – это «быстрый» сон (сон БДГ, или REM, от rapid eye movement – «быстрые движения глаз»), который связан со сновидениями и также называется «глубоким». Другой тип называют фазой медленного сна, «неглубоким», или «обычным», сном. У людей эти два типа сна изучали, измеряя электрические волны на поверхности черепа. Электрическую активность мозга отмечают на электроэнцефалограмме (ЭЭГ) вдоль оси времени. Наиболее изучены с помощью ЭЭГ ритмы головного мозга человека, обезьяны и кошки. У них наблюдаются переходы между очень разными картинами волн в состоянии бодрствования и четырех условных фазах, которые предположительно отражают глубину сна. При этом в состоянии бодрствования амплитуда напряжения очень низкая, в то время как частота высокая (8–13 колебаний в секунду), а для фазы глубокого сна характерны волны с высокой амплитудой и низкой частотой. Если понаблюдать картину ЭЭГ во время сна в течение ночи, окажется, что в ней периодически снова возникают волны с низкой амплитудой, похожие на те, что наблюдаются в период бодрствования. Именно в течение этих периодов возникают быстрые движения глаз, а также нередко учащается сердцебиение, меняется рисунок дыхания, и сокращаются мышцы. В это время животное видит сон.

В процессе спячки у животных не наблюдается картина ЭЭГ, характерная для сна. Когда температура тела падает и животное входит в оцепенение, электрическая активность мозга постепенно снижается и в конце концов сходит на нет, как будто животное мертво. Однако, несмотря на отсутствие спонтанной активности в мозге (Lyman and Chatfield, 1953), животное должно быть способно порождать хотя бы какую-то электрическую активность в нервной системе, иначе оно не сможет проснуться.

В сотрудничестве с нейробиологами Крейгом Хеллером и Сержем Дааном Барнс записал электроэнцефалограммы сусликов, когда те погружались в спячку и выходили из нее. При погружении в спячку у суслика возникала картина, характерная для сна, а затем, по мере того как животное охлаждалось, волны исчезали, и рисунок становился похож на ЭЭГ человека, мозг которого считался бы мертвым. Однако, проведя в оцепенении около месяца и разогревшись с помощью дрожи, суслики в течение большей части дня демонстрировали картину ЭЭГ, соответствующую у человека фазе «быстрого» сна со сновидениями. Что же, животные просыпались, чтобы поспать или посмотреть сны? И если так, зачем им это нужно? А зачем спим мы? Это одна из еще неразгаданных больших загадок биологии, вероятно связанная с тем, как мозг собирает, изменяет, удаляет и хранит воспоминания [25] Существует мнение, что такие периодические пробуждения позволяют предотвратить атрофию мышц. – Прим. науч. ред. .

Есть некоторая ирония в том, что у зимоспящего животного развилась удивительная способность при отрицательной температуре тела, которая в обычных условиях характерна для него только зимой, пробуждаться, чтобы поспать. Если бы животным не нужно было просыпаться, они могли бы оставаться в оцепенении до весны и экономить много энергии. Поскольку этого не происходит, можно заключить, что за длительное оцепенение или депривацию сна пришлось бы платить слишком высокую цену.

Возможно, спячка арктического суслика содержит в себе разгадку тайны о том, зачем мы спим, а также решение некоторых медицинских проблем, например при инсульте. У суслика в спячке с трудом можно обнаружить сердцебиение. Сложно сказать, живо ли животное или мертво, когда температура тела у него ниже точки замерзания воды. В этом подобном смерти состоянии оцепенения животное напоминает холодный комок, а в его мозг поступает лишь тоненькая струйка крови. Если из-за тромба или разрыва сосуда останавливается приток крови к какой-то части мозга у человека, клетки в ней почти сразу гибнут, потому что им постоянно нужны кислород и глюкоза, обычно поступающие благодаря непрерывному кровотоку. Гипоксия (недостаток кислорода) – главное вредоносное последствие инсульта, а вот суслик в спячке от нее не страдает. Метаболизм его мозга поставлен на паузу, так что нехватка кислорода и питания не наносит большого вреда. Может быть, животные разогреваются, чтобы снабдить мозг кислородом?

Исходно в состоянии спячки метаболизм замедляется просто в связи с падением температуры тела. Люди, попавшие в автоаварию и потерявшие сознание во льду, если их мозг сразу охлаждается, тоже могут пережить длительную гипоксию. Но в организме суслика протекают и активные метаболические процессы, а в тканях мозга синтез белков остается подавленным, даже когда животное разогревается до 37 °C. Недавно ученые также получили интересные данные о том, что при гибернации суслики и черепахи накапливают в мозге в пять раз больше аскорбиновой кислоты (витамина C) по сравнению с человеком. Когда суслик выходит из спячки, уровень витамина C возвращается к нормальным показателям за несколько часов. Есть предположение, что это вещество, мощный антиоксидант, защищает мозг при резком поступлении кислорода в организм после долгого кислородного голодания.

Барнс заинтересовался спячкой, потому что хотел выяснить, что лежит в основе явлений, а не руководствовался практическими прикладными задачами. Многие другие ученые исследуют спячку арктического суслика не из чисто научного интереса, а в связи с клиническими вопросами. Они пытаются понять, как регулируется приток крови, а вместе с ней кислорода и глюкозы к мозгу, чтобы лечить пострадавших от инсульта, при котором клетки гибнут в первую очередь из-за нехватки кислорода в мозге. Они выясняют, как животному в спячке удается сохранить крепкими кости, хотя оно целые месяцы остается неактивным, почему в его крови так медленно образуются тромбы и зачем накапливать такое гигантское количество витамина C в мозговой и спинномозговой жидкости. Подозреваю, что, по мере того как биология становится все более прикладной наукой, больше финансирования будут получать исследования, связанные с подобными вопросами – например как освоить спячку, – в ущерб тем, что проводятся для удовлетворения любопытства. Это печально и недальновидно.

В северном елово-пихтовом лесу завывает ветер, а кажется, что ревет прибой, хотя термометр стабильно показывает –20 °C, а то и –30 °C. На мне шерстяные штаны, два свитера, ветровка, шерстяная шапка, перчатки с подкладкой, шерстяные носки и непромокаемые ботинки. Пальцы коченеют, стоит только снять перчатки. Для выживания одежда необходима даже днем. Холод здесь перестает быть чем-то абстрактным. Как удается поддерживать температуру тела около 43–44 °C корольку, который проводит на улице целые дни и ночи, а по размеру не больше моего большого пальца? Его температура примерно на 3 °C выше, чем обычно у птиц. Стоит также добавить, что это на 6–7 °C выше, чем у здорового человека – люди при такой температуре обычно умирают от перегрева.