Текст книги "Подсознание. Великолепная история человечества"

Глава 6. Эволюция сна

Сон – это очень древний процесс. Он эволюционировал, обрел широкое разнообразие психобиологических функций, и сновидения – одна из них. Свойства сна развивались в разное время, в различных эволюционных обстоятельствах. Чтобы определить отправную точку сна, нужно вернуться на 4,5 миллиарда лет назад и представить себе условия, в которых возникли первые самовоспроизводящиеся молекулы.

Планета тогда была вулканической. На ней было довольно много воды, а в атмосфере еще не появился кислород. Первые одноклеточные организмы, датируемые периодом 4,28–3,77 миллиарда лет назад, напоминали бактерии из современных гидротермальных источников[81]81
  «Черные курильщики», гидротермальные источники срединно-океанических хребтов. Многочисленные источники по осевым частям срединно-океанических хребтов. Представляют собой трубообразные формирования высотой в десятки метров; извергают в океаны высокоминерализованную воду температурой 400 ºС под давлением в сотни атмосфер. Прим. ред.


[Закрыть], которые питались окислением железа.

В дневное время теплело, и это облегчало диффузию молекул и ускоряло химические реакции. Испокон веков заход солнца сопровождался понижением температуры и, соответственно, замедлением химических реакций. Это чередование, почти неизменное на протяжении более 1,6 триллиона дней и ночей, – основа поведенческих циклов почти всех форм жизни, когда-либо существовавших на Земле, и связана она с вращением планеты.

За исключением очень глубоко расположенных сред, вся жизнь на планете развивалась в условиях чередования тьмы и света с периодичностью 12 часов. По этой причине почти у всех живых существ обнаруживаются очень схожие циркадные ритмы.

Прошло почти 1,5 миллиарда лет, прежде чем на планете появились первые многоклеточные существа. Это были бактерии, способные к фотосинтезу и образованию клеточных колоний. Предки сегодняшних цианобактерий[82]82
  Синезеленые водоросли, или цианеи – отдел крупных грамотрицательных бактерий, способных к фотосинтезу и выделяющих кислород. Прим. ред.


[Закрыть] распространились по всему океану. Они настолько подняли концентрацию кислорода в атмосфере, что погибла большая часть жизни, существовавшей предыдущие 2,4 миллиарда лет.

Цианобактерии уничтожили почти всех анаэробных существ, и фотосинтез водорослей и растений превратил планету в производителя процветающей за счет солнечной энергии биомассы. Возникла база для эволюции травоядных, а те, в свою очередь, заложили основу для эволюции плотоядных.

Скрытые ритмы

Солнечный свет первоначально был ускорителем химических реакций, а затем стал энергетической основой пищевой цепочки. С определенного момента живые организмы стали использовать его для обнаружения изменений окружающей среды и реагирования на них. У простейших начали развиваться реснички и жгутики, позволяющие двигаться к поверхности воды, к свету, где возможен фотосинтез.

Появились биологические механизмы, способные «включать» и «выключать» поведение в зависимости от наличия освещения. Они диверсифицировались во множество других производных механизмов как на молекулярном, так и на клеточном уровне. Бесчисленные одноклеточные организмы демонстрировали циркадный ритм активности и отдыха.

Американские биологи Майкл Янг (Рокфеллеровский университет), Джеффри Холл и Майкл Росбаш (Брандейский университет) получили в 2017 году Нобелевскую премию по физиологии или медицине за изучение молекулярных механизмов регулирования циркадных ритмов (периода, близкого к 24 часам).

Исследуя мушку-дрозофилу Drosophila melanogaster, ученые показали, что биологические часы включают периодические колебания уровня белков, кодируемых определенной группой генов, мутации которых могут укорачивать, расширять или даже полностью нарушать циркадную периодичность, влияя на поведенческие, физиологические и молекулярные ритмы.

Возникновение периодического покоя у медуз демонстрирует, что мозг для сна не требуется – он может происходить даже в очень примитивной нервной системе. Мелатонин, отвечающий за сон гормон, вырабатывается у человека в первой половине ночи эпифизом (шишковидным телом). По-видимому, мелатонин возник 700 миллионов лет назад. Тогда у животных, напоминающих морских червей, появились клетки, способные улавливать свет. Днем эти животные могли двигаться с помощью ресничек, а ночью – нет.

В основе этой дихотомии и лежала ночная выработка мелатонина. В темноте он стимулирует нейроны, останавливающие движение ресничек. Медленно опускаясь на дно во время ночного покоя и всплывая в бешеном ритме дня, наши таинственные предки воплощали инь и янь солнечного цикла. Сегодня он представляется нам как два основных состояния тела: сон и бодрствование.

Чуть позже, около 540 миллионов лет назад, появились первые структуры, напоминающие глаза. Сегодня зрительные анализаторы есть у всех животных с двусторонней симметрией, имеющих голову и хвост, а также спину и брюхо. У всех них в формировании глаз у зародыша участвуют одни и те же гены. Они очень похожи на гены, регулирующие биологические часы; у позвоночных они задействуют важную группу нейронов, называемую супрахиазматическим ядром.

Этот кластер из примерно 20 тысяч нейронов отвечает за связь между светочувствительными клетками сетчатки и клетками, вырабатывающими мелатонин.

Сигналы о наличии или отсутствии света последовательно трансформируются несколько раз, от фотонов до структурных изменений малых и больших молекул, регулирующих транспорт через трансмембранные каналы.

Каналы, открываясь, пропускают ионы. Это приводит к выбросу химических веществ, которые, в свою очередь, активируют структурные изменения молекул в других клетках, вызывая краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные последствия для всей нервной системы. Несмотря на огромную эволюционную дистанцию между червями и человеком, у нас сохранились многие исходные молекулярные механизмы, в том числе роль мелатонина в регуляции сна.

Сон – это не только отдых

Отдых – вопрос приспособляемости. Он происходит по мере необходимости или возможности. У сна есть начало и окончание, и если времени на полноценный сон не хватает, то его требуется восполнять. Когда осуществляется естественная смена дня и ночи, то суточный цикл обычно завершается за 23 часа 56 минут – свет каждый день перезапускает счетчик. Однако в закрытой среде (в пещерах или лабораториях в порядке эксперимента) люди демонстрируют цикл сна – бодрствования средней продолжительностью 24 часа 11 минут.

Несколько большая продолжительность цикла, наблюдаемая при отсутствии физических подсказок о течении времени, свидетельствует об эволюции механизма: в случае задержки рассвета животное может поспать чуть дольше, не провоцируя своей активностью нападение хищников. Если солнце не торопится вставать, то лучше тихо и спокойно подождать света в норе.

Новшества, которые хорошо себя зарекомендовали, имеют тенденцию сохраняться, распространяться и устаревать. Судя по распространенности сна – как у беспозвоночных, так и у позвоночных, – это чрезвычайно древний механизм. Возможно, он даже предшествовал кембрийскому взрыву, когда возникло большинство групп животных.

Сегодня считается, что возраст рыб составляет 500 миллионов лет. За ними следуют насекомые – им 400 миллионов лет; рептилии – 340 миллионов; млекопитающие – 225 миллионов; птицы – 150 миллионов. Люди вида Homo sapiens появились всего 315 тысяч лет назад.

Мнение ученых относительно того, какие животные спят, а какие нет, за последние десятилетия изменилось. Хорошие и надежные количественные исследования поведения существенно выиграли от появления компьютеров и крошечных точных датчиков движения. Они показали: у пчел, скорпионов и тараканов есть регулярные периоды покоя с низкой чувствительностью к раздражителям.

В силу своей ценности для генетических исследований мушка дрозофила хорошо изучена и в отношении возникновения сна. Тщательные записи ее поведения продемонстрировали определенные циклы активности и покоя. Другое доказательство, что эти мухи спят: за периодом вынужденной депривации сна у них наступает характерный отскок, наблюдаемый и у млекопитающих, то есть налицо последующее компенсаторное увеличение времени сна.

Сомнений в том, что мухи спят, нет, но, по-видимому, анатомического соответствия между частями нервной системы, необходимыми для сна, и областями человеческого мозга, участвующими в его обеспечении, не существует. Тем не менее дрозофилы получают общие с млекопитающими важные когнитивные преимущества сна – мы увидим это ниже.

Простой сон рыб и амфибий

Диспут о том, что у рыб и земноводных нет сна как такового, что у них отсутствует период поведенческого и физиологического покоя, соответствующего какой-либо фиксированной фазе суточного цикла, ведется давным-давно. Рыбы и земноводные действительно отдыхают мимолетно, без предопределенной периодичности – в зависимости от сытости и отсутствия риска нападения хищников.

Этот непредсказуемый покой, зависящий от сиюминутных условий, означает: отдых рыб и земноводных носит характер приспособления. Рыбы часто живут в мутных или глубоких водах – там просто не существует разницы в яркости дня и ночи. Значит, рыбам почти не нужно зрение. Спрятаться от хищников, найти пищу и половых партнеров им помогают запахи и навигация при помощи электромагнитных полей – вот они как раз критически важны.

Те немногие виды рыб, которые уже изучены в лаборатории, продемонстрировали поведение, характерное для сна: периодическое затихание и повышение двигательной активности после введения кофеина; нарушение поведения после лишения сна. Но оно вызывает все-таки не особо сильный стресс и отскок. Рыбы, живущие в коралловых рифах, двигаются без остановки днем и ночью, но предполагается, что они просто способны плавать во сне.

По амфибиям научной информации еще меньше. Американская лягушка-бык, крупное дневное земноводное, демонстрирует циркадные вариации в поведении. Ее реакция на стимуляцию чувств оказалась в покое выше, чем в более активный период. Это позволило предположить, что сон у земноводных подавляется из-за их большей физической уязвимости.

Однако исследование маленькой древесной лягушки (кубинской квакши) Hyla septentrionalis[83]83
  Наиболее ядовитая из квакш. Для человека не опасна. Прим. ред.


[Закрыть] показало: у этого вида сон есть – возможно, из-за того, что кубинская квакша занимает менее опасную экологическую нишу. Никаких признаков быстрого сна ни у рыб, ни у амфибий не зарегистрировано.

Сложный сон наземных позвоночных

В отличие от рыб и земноводных, у пресмыкающихся, птиц, млекопитающих поверхность тела сухая и водонепроницаемая. Эмбрион у них находится в амниотическом пузыре, где достаточно тепла, влаги и питания. Эти приспособления позволяют наземным позвоночным селиться в местах, весьма удаленных от больших и маленьких водоемов.

Суша на нашей планете некогда представляла собой огромный континент – мы называем его Пангея. Водная среда 315 миллионов лет назад кишела жуткими плотоядными позвоночными и беспозвоночными, но обширную твердь уже опробовали первые рептилии. Тогда это был рай изобилия, полный растений и насекомых, – исключение не составляла даже Антарктида.

Судя по окаменелым зубам, найденным в Новой Шотландии (Канада), первые рептилии были насекомоядными и походили на современных ящериц. Первоначально вокруг них отсутствовали хищники, а пищи было вдоволь. Рептилии быстро развились в разные виды и заняли самые различные экологические ниши. Однако для всех был характерен цикл свет – темнота.

Прозрачность воздуха и периодическое обилие света способствовали эволюции все более сложной и мощной зрительной системы у наземных позвоночных. Главное достоинство зрения – способность воспринимать других существ и предметы на расстоянии.

Однако периодическое отсутствие света создает проблему: затрудняет добычу пищи и значительно повышает риск нападения хищников. По сей день почти для всех травоядных наземных позвоночных нормально прятаться с наступлением темноты и собираться вместе на ночной сон. Поэтому, возможно, медленный сон, снижающий скорость метаболизма и существовавший в примитивной форме уже у первобытных рыб и земноводных, развился и у наземных позвоночных – как побочный эффект потребности прятаться от хищников.

Искать пищу, сидя в норе, невозможно, и наземные позвоночные эволюционировали таким образом, чтобы подолгу оставаться неподвижными, снизив температуру тела и расход энергии, а иногда даже достигая состояния оцепенения.

Во сне частота мозговых волн снижается до 50 %, то есть происходит их замедление при одновременном увеличении длины и амплитуды. Мы называем это состояние медленным сном. Способность сохранять все тело в неподвижности эволюционировала вместе с медленным сном, при котором клетки как бы на мгновение замирают, приглушая свою функциональную активность.

Трудно предположить, какие именно события привели к эволюции быстрого сна – фазы, для которой характерны самые яркие сновидения. Какое-то время считалось, что различие между медленным и быстрым сном сформировалось в триасовом периоде (225 миллионов лет назад), когда эволюционировали общие предки всех млекопитающих. Это были ночные насекомоядные, похожие на нынешних мелких грызунов. Гипотеза была основана на предположении, что у пресмыкающихся и птиц нет фазы быстрого сна. Такое мнение преобладало среди экспертов в течение нескольких десятилетий.

Однако состояние высокой активности мозга при минимальной активности тела, которое до недавнего времени считалось исключительным свойством млекопитающих, сегодня выявлено у нескольких видов птиц и рептилий и задокументировано.

Какое-то время велись споры по поводу существования фазы быстрого сна у ехидны, странного насекомоядного млекопитающего из Австралии и Новой Гвинеи. У ехидны есть защитные иглы и хоботок, предназначенный для извлечения из земли и укрытий муравьев, термитов, червей и личинок.

Предполагаемое отсутствие быстрого сна у этого вида было бы не более чем курьезом, но ехидна принадлежит к отряду Monotremata – примитивных млекопитающих с некоторыми признаками рептилий, например отсутствием плаценты и размножением посредством откладывания яиц. Но если быстрый сон отсутствует у животных, ближайших к общему предку млекопитающих, то он, возможно, развивался у млекопитающих, птиц и рептилий независимо?

Более поздние электрофизиологические исследования продемонстрировали наличие быстрого сна и у ехидны, и у другого однопроходного животного – утконоса. Он способен проводить в этом состоянии 8 часов в день – это самый продолжительный быстрый сон, когда-либо наблюдавшийся среди всех видов.

У страуса – птицы, больше всего напоминающей предка всех птиц, режим сна очень схож с режимом сна утконоса. Полученные данные подтверждают гипотезу о едином происхождении быстрого сна, характерного для наземных позвоночных. Таким образом, отделение медленного сна от быстрого могло произойти за 75 миллионов лет до триаса, в каменноугольный период, когда предки земноводных и рептилий вторглись на сушу.

Конец спящих драконов

Если вышеизложенное верно, то весьма вероятно, что динозавры – разнообразного размера рептилии, господствовавшие на планете 230 миллионов лет назад, – спали и видели сны так же, как современные птицы, их ближайшие потомки. Это был циклический сон со скорым, нерегулярным чередованием медленного и быстрого сна.

Артефактов, которые могли бы подтвердить эту гипотезу, конечно же, не существует. Однако в западном Китае были обнаружены останки двух троодонтидов, пернатых динозавров начала мелового периода, филогенетически близких к птицам. Окаменелости имели позу спящей птицы – с подогнутой шеей, со спрятанной под передней конечностью-пракрылом головой. Казалось, смерть настигла их во сне.

Возникает соблазн предположить, что быстрый сон сыграл значимую роль в господстве динозавров на планете. Присутствие фазы быстрого сна у столь разных видов свидетельствует о наличии очень важной физиологической выгоды. Какую функцию мог выполнять быстрый сон? Какие факторы естественного отбора повлияли на его формирование?

Согласно одной любопытной гипотезе, быстрый сон появился как подготовка к пробуждению. Действительно, после длительного периода низкой активности, характерной для медленного сна, во время быстрого сна электрическая активность коры головного мозга поднимается почти до уровня бодрствования. Основной аргумент в пользу этой гипотезы состоит в том, что у людей, пробужденных от медленного сна, обнаруживаются сенсорные, двигательные и когнитивные нарушения, исчезающие лишь через несколько минут.

Кроме того, естественное пробуждение обычно происходит после быстрого сна, что позволяет предположить: он действует как посредник между медленным сном и бодрствованием. Можно представить, какую фору давала организму возможность проснуться сразу в состоянии боевой готовности!

Еще факт: быстрый сон важен для настройки правильного взаимодействия между мышечными клетками и нейронами в процессе развития. Активация двигательной коры мозга во время быстрого сна стимулирует короткие мышечные сокращения по всему телу, что позволяет калибровать движения и действия даже у новорожденных задолго до того, как они начнут выполнять их в реальном мире.

Остается представить, какие преимущества быстрый сон подарил динозаврам. Могло ли это состояние способствовать экологической гегемонии крупных рептилий на протяжении 170 миллионов лет? Какую роль играл быстрый сон в упорной борьбе за выживание динозавров во время их долгого господства? Тема увлекательная, хотя и неминуемо спекулятивная.

Дело в том, что 66 миллионов лет назад динозавры оказались стерты с лица земли, и наличие или отсутствие у них фазы быстрого сна тут совершенно ни при чем. По невероятному стечению обстоятельств в то место, где сегодня находится полуостров Юкатан (Мексика), упал астероид[84]84
  Это лишь одна из гипотез. Ведущей сегодня считается гипотеза вытеснения крупных рептилий – из-за появления мелких и всеядных млекопитающих, а также исчезновения привычной кормовой базы в связи с естественной эволюцией и сменой растительности. Прим. науч. ред.


[Закрыть], и это полностью изменило порядок жизни на Земле.

Падение на мелководье со скоростью 72 тысячи километров в час камня диаметром 10–15 километров и массой от 1012 до 1014 тонн вызвало огромный выброс токсичных газов. Астероид попал в местность с большими залежами гипса – богатого серой минерала. Возникшие сейсмические толчки и усиление вулканической активности спровоцировали интенсивное изменение климата. Выбросы газа были настолько велики, что толстый слой облаков закрыл солнце на месяцы, а возможно, и на годы.

Взрыв от падения астероида был в 10 миллиардов раз мощнее атомной бомбы, уничтожившей Хиросиму. После невероятного жара пришла глубокая, продолжительная зима. Фотосинтез на суше и в воде был нарушен. Из-за этих перемен, произошедших за короткое время, погибли 75 % всех существовавших видов животных и растений. Исчезли все динозавры, кроме тех, что стали предками птиц, а также бесчисленные виды млекопитающих, рыб, моллюсков, растений и даже планктона.

Если бы астероид упал чуть раньше или чуть позже, он бы попал на глубоководье, и последствия оказались бы куда менее разрушительными. Вновь вращение Земли вокруг своей оси оказало решающее влияние на эволюцию жизни на ее поверхности!

Кризис – это возможность

В конце мелового периода наблюдались широкомасштабное расселение оставшихся видов и ускоренная диверсификация морфологических признаков групп животных, переживших катастрофу.

Виды, ранее теснившиеся в экологических нишах с конкурентами и явными врагами, вдруг оказались на разных уровнях пищевой цепочки и даже на ее вершине – все крупные хищники исчезли[85]85
  Это был долгий эволюционный, а не одномоментный процесс. В это время существовали звероящеры, а также множество видов пернатых динозавров. Прим. науч. ред.


[Закрыть]. В новых эволюционных обстоятельствах появилось множество новых видов млекопитающих, птиц, ящериц и рыб. Приматы и китообразные, две группы млекопитающих с большими когнитивными способностями, после вымирания динозавров распространились по всему миру.

Падение температуры после захода солнца означает, что ночная активность рептилиям почти недоступна: им необходимо внешнее тепло, чтобы, согревшись, запустить метаболизм. Именно способность генерировать тепло позволила млекопитающим занимать экологические ниши в ночное время даже при больших колебаниях температуры внешней среды в разное время года.

Сравнение поведения почти 2500 видов млекопитающих позволяет предположить, что сугубо дневные привычки у них возникли только после вымирания динозавров, с появлением обезьянообразных приматов – 50–30 миллионов лет назад. Необходимость сохранять тепло во время сна способствовала эволюции поведения: особи стали собираться в группы на ночной сон. Это типично для млекопитающих и птиц и сейчас, особенно в холодном климате.

Появление внутреннего контроля за выработкой тепла благоприятствовало быстрому сну, поскольку для его возникновения необходимо поддерживать температуру тела на подходящем уровне. Например, у ехидны быстрый сон наблюдается только при температуре внешней среды около 25℃.

Эволюция быстрого сна сопровождалась почти полным расслаблением мышц – это позволяет поддерживать высокую корковую активность без последствий в виде движений тела. Почти полное расслабление тела во время быстрого сна влечет повышенную яркость сновидений. Животное при этом не просыпается и не совершает нежелательных движений, которые могут привлечь хищников.

Длительный быстрый сон млекопитающих

Одно из основных различий в паттернах быстрого сна у разных видов позвоночных связано с его продолжительностью. У рептилий и птиц циклы сна короткие, а быстрый сон длится всего несколько секунд; у млекопитающих он часто тянется десятки минут, а у некоторых видов – по часу и более. Как правило, суточное количество быстрого сна обратно пропорционально массе тела, поэтому у мелких животных оно обычно больше. Но если исключить из анализа параметр массы тела, то мы увидим тесную корреляцию быстрого сна со степенью незрелости организма на момент рождения.

Для относительно зрелых к моменту рождения животных, таких, как овцы и жирафы, вскоре после рождения демонстрирующих довольно высокую самостоятельность, характерно небольшое количество быстрого сна (всего около часа в день). У относительно незрелых на момент рождения млекопитающих, таких как люди и утконосы, отмечается очень длительный быстрый сон, особенно на ранних этапах жизни.

Человеческий детеныш не может сам себя кормить, передвигаться, защищаться и чиститься. Детеныш утконоса не может даже регулировать свою температуру без контакта с матерью. Что любопытно: и человеческие младенцы, и новорожденные утконосы проводят в фазе быстрого сна около восьми часов в сутки.

У новорожденных млекопитающих, которые еще не открыли глаза, высокий уровень электрической активности (вызванный большим количеством быстрого сна) препятствует атрофии мозга из-за отсутствия стимуляции. Важная роль быстрого сна в развитии эмбриона и во внеутробном обучении состоит в регуляции работы тех генов, которые используются нейронами для поддержания и модификации своих связей.

Быстрый сон играет центральную роль в развитии плода и новорожденного, особенно у тех животных, которые при рождении менее зрелые и нуждаются в значительной модификации, чтобы достичь взрослой фазы. Незрелость в начале жизни – это недостаток: хрупкость детеныша вынуждает родителей постоянно о нем заботиться. Однако в долгосрочной перспективе эта характеристика становится большим преимуществом – особь, избежавшая в детстве смертельных опасностей и имевшая возможность повзрослеть под надзором хороших опекунов, научится оптимизировать жизнедеятельность в своей экологической нише, получит разнообразный опыт и навыки.

Как мы увидим ниже, быстрый сон играет решающую роль в консолидации обучения в долгосрочной перспективе. Для всех, кому нужно многому научиться, он жизненно важен.

Умение плавать, летать, способность мигрировать

Адаптация млекопитающих, птиц и земноводных к водной и воздушной средам и к миграциям связана с глубокими изменениями характера сна. Морские слоны, путешествующие между Аляской и Калифорнией, проводят в воде до восьми месяцев, не имея возможности отдохнуть на твердой земле. Во время миграции эти животные периодически ныряют на глубину более 270 метров. Во время таких погружений они перестают плыть и просто опускаются в глубину, грациозно вращаясь, вероятно, во сне. Это круговое движение позволяет морским слонам значительно снизить скорость, с которой они погружаются на дно Тихого океана.

В 13 тысячах километров от Сейшельских островов проводились эксперименты по отслеживанию морских черепах. Их оснастили устройствами для регистрации времени и глубины погружения. Оказалось, черепахи надолго уходят под воду без перерыва на дыхание: погружения достигают 20 метров в глубину и 50 минут по продолжительности.

Датчики на челюстях рептилий показали, что во время этих глубоких погружений черепахи перестают совершать движения ртом и перекачивать воду, что необходимо им для восприятия окружающей среды на запах. Полученные результаты свидетельствуют, что морские черепахи спят под водой прямо посреди Индийского океана.

Стратегия сна на глубине – вопрос адаптации. Силуэты животных, плавающих близко к поверхности, хорошо видны хищникам, подплывающим снизу. Кроме того, поверхность воды ограничивает возможности побега добычи.

Поскольку эволюцией (как продуктом случайного стечения обстоятельств) нельзя управлять, она часто приводит к совершенно разным решениям одних и тех же проблем.

В отличие от морских слонов и сейшельских черепах, китообразные – собственно киты и дельфины – не спят, погрузившись в воду, а демонстрируют однополушарный сон: они способны спать каждым полушарием мозга попеременно. Это позволяет им пребывать в постоянном движении, периодически поднимаясь к поверхности для вдоха.

У этих животных отсутствует быстрый сон, но наличествует достаточно высокая электрическая активность мозга, обеспечивающая постоянную двигательную активность. Считается доказанным, что ее достаточно для удовлетворения компенсации отсутствия быстрого сна.

Возможно, для китообразных однополушарный сон – единственный способ поспать, но у птиц эпизоды однополушарного сна перемежаются с двухполушарными, которые включают в себя быстрый сон. Высокий риск и энергозатраты, связанные с миграцией на большие расстояния, могут привести к неожиданным вариантам адаптации.

Белолобые воробьи ежегодно летают за 4 тысячи километров с Аляски до Калифорнии. В течение миграционного периода они демонстрируют сокращение сна почти на 70 %, причем даже когда заперты в клетках и летать не могут. Любопытно, что в этот период у них не наблюдается поведенческих особенностей, типичных для тех, кого лишили сна.

Генетически и гормонально запрограммированные на впечатляющую дальнюю ежегодную миграцию, белоголовые воробьи в этот период просто пропускают сон и не выказывают никаких признаков того, что у них его нет.

Несколько десятилетий назад было предложено объяснить возможность полетов, которые длятся дни и даже недели без перерыва, однополушарным сном. Группа ученых под руководством этолога Нильса Раттенборга из Института орнитологии Макса Планка опубликовала в 2016 году первое свидетельство однополушарного сна во время полета.

Совместно с коллегами из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Цюрихского университета Раттенборг имплантировал небольшие электронные устройства в черепа фрегатов – морских птиц, гнездящихся на Галапагосских островах. Датчики регистрировали движения головы и мозговые волны, создаваемые электрической активностью в черепной коробке, называемые электроэнцефалографическими (ЭЭГ).

У фрегатов самая большая площадь поверхности крыльев по отношению к массе тела среди птиц. Они могут парить над океаном в течение нескольких недель. Когда ученые изъяли свои устройства, то гипотеза подтвердилась: за 10 дней фрегаты пролетели около 3 тысяч километров, ни разу не приземлялись и чередовали длительные периоды бодрствования с коротким сном.

В течение дня птицы сохраняли бдительность и активно добывали пищу, но, как только солнце садилось, они набирали высоту и на несколько минут впадали в состояние однополушарного сна, паря на восходящих воздушных потоках. Птицы постоянно держали открытым один глаз и поворачивали голову так, чтобы смотреть по направлению движения.

Спать опасно

Кроме обеспечения возможности оставаться в движении, однополушарный сон, по-видимому, вызван еще и необходимостью проявлять высокую степень бдительности для защиты от хищников. Команда Раттенборга записала мозговые волны во время сна у двух групп из четырех уток. Птиц выстроили в шеренги. Две средние оказались в более безопасном положении, так как были прикрыты с обеих сторон. У крайних птиц прикрытым оказался только один бок – следовательно, они были в меньшей безопасности.

Результаты показали существенное увеличение продолжительности однополушарного сна у крайних животных, потенциально более уязвимых для хищников. Причем в каждом эпизоде открытый глаз, как правило, находился с незащищенной стороны. Птицы, помещенные исследователями в середину, демонстрировали нормальный сон в обоих полушариях головного мозга.

Обилие хищников в Африке к югу от Сахары и длительные миграции накладывают жесткие ограничения на млекопитающих и в африканских саваннах. Наказание за слишком долгий сон – потеря потомства или даже жизни.

Оснастив хоботы слонов актиметрами[86]86
  Прибор для оценки спонтанной двигательной активности. Прим. ред.


[Закрыть] – небольшими устройствами, непрерывно регистрирующими движения, – южноафриканские этологи подтвердили, что эти животные спят стоя, всю ночь активно защищая детенышей. Взрослые слоны спят фрагментарно и всего два часа в сутки.

Среди павианов социально доминирующие животные более бдительны, и у них меньше эпизодов расслабленного сна. Это позволяет предположить, что сон сокращается под воздействием социального давления.

Исторические упоминания о человеческом сне в древности и Средневековье, состоявшем из двух последовательных фаз ночью, сходятся с наблюдением того же явления у современного населения, проживающего в сельской местности без электрического света. Справедливо ли то же самое для обществ охотников и собирателей?

Чтобы исследовать этот вопрос, ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе снабдили актиметрами охотников-собирателей из Танзании, Намибии и Боливии. К удивлению ученых, сон у этих людей имеет одну ночную фазу с продолжительностью, очень похожей на сон взрослых в промышленных мегаполисах.

Однако другое исследование охотников-собирателей в Танзании показало, что взрослые в группе почти никогда не спят одновременно: если старики ложились спать и просыпались раньше, то молодые засыпали и вставали позже. Таким образом, в любой момент бодрствовало не менее трети группы.

Поскольку пожилые обычно спят меньше молодых, из исследования можно заключить: на дедушках и бабушках наших предков лежало основное ночное дежурство, необходимое для снижения риска нападения хищников. Короткий, поверхностный и гибкий сон охотников-собирателей позволяет тонко уловить изменения в окружающей среде, риски и возможности. Охотники не просиживают часы в офисе, у них нет графика пахоты или уборки урожая, но они должны быть очень внимательны к любым изменениям природных ритмов.