Спать надо всем
Сон — это состояние покоя в характерной позе и со сниженной реакцией на раздражители. Сон необходим всем живым существам, но он несовместим с кормлением, миграциями, размножением, поиском укрытий. У наземных млекопитающих на сон приходится от 2 до 20 часов в сутки, они спят на твёрдой поверхности, сохраняя регулярное дыхание. Водным млекопитающим (китообразные, ластоногие) нужно долго находиться под водой, чтобы кормиться, но они должны всплывать для дыхания. Поэтому водная среда исключает продолжительную неподвижность — важный признак сна наземных млекопитающих. Для сна в воде морским млекопитающим нужны поведенческие и физиологические адаптации. Поэтому исследования их сна представляют большой научный интерес. Они важны для понимания природы и функции, а также роли среды обитания в формировании признаков сна.
В начале 1960-х годов американский нейрофизиолог Джон Лилли написал книгу «Человек и дельфин». В ней он высказал несколько гипотез — некоторые из них подтвердились, другие нет. Так, основываясь на наблюдениях, он предположил, что дыхание у дельфинов произвольное, дыхательные акты требуют пробуждения. При этом во время сна дельфины закрывают только один глаз и могут контролировать состояние окружающей среды. Уже ближе к концу 60-х в Америке провели несколько коротких регистраций электрической активности мозга (электроэнцефалография) во время сна у дельфина гринды. Электроэнцефалограмма двух полушарий оказалась необычно асинхронной. Но потребовалось ещё 10—20 лет исследований, чтобы понять природу этого состояния.
В Советском Союзе изучением сна дельфинов и других морских млекопитающих занималась группа учёных в Институте проблем экологии и эволюции имени А. Н. Северцова РАН под руководством Льва Мухарамовича Мухаметова. В начале 1970-х годов для исследования сна дельфинов были организованы экспедиции на Чёрное море, в район мыса Большой Утриш. У дельфинов обнаружили необычную форму сна, которую назвали однополушарным медленноволновым сном. В таком состоянии у дельфина одна половина мозга спит, а другая бодрствует — сон в полушариях развивается по очереди и сочетается с движением. Это даже было оформлено в СССР как научное открытие («Явление однополушарного медленноволнового сна в мозге позвоночного животного (дельфина)», № 266 от 5 марта 1974 г. — Прим. ред.).
Для исследования морских млекопитающих в 1974 году неподалёку от Новороссийска была создана Утришская морская станция. Я на станцию попал после окончания биофака МГУ. Всего за месяц до распределения я неожиданно познакомился со Львом Мухарамовичем, и он предложил мне поработать лаборантом. Здесь было несколько направлений исследований дельфинов, одно из них наше — сравнительно-физиологическое исследование сна. И я остался работать.
Когда Лев Мухарамович с коллегами впервые увидели, что, по данным электрополисомнографии, одно полушарие у дельфинов находится в состоянии сна, а другое — бодрствования, они какое-то время не верили этому, полагая, что в записях есть помехи (артефакты). Даже несмотря на результаты исследований на дельфине гринде, о которых они знали, всё выглядело слишком необычно. Примерно год они не публиковали данные, перепроверяли, и только в 1975 году вышла первая статья на русском языке, посвящённая однополушарному сну дельфинов.
Когда я начал работу на станции, в 1982 году, уже был исследован сон у двух видов дельфинов — черноморской афалины и азовки. Примерно за год до этого Лев Мухарамович с коллегами исследовали сон у каспийского тюленя — полуводного млекопитающего, которое спит и на суше, и в воде. Оказалось, что у него нет однополушарного сна, каспийский тюлень спит в неподвижном состоянии, как наземные млекопитающие, двумя полушариями одновременно. А в воде тюлени спят, задерживая дыхание на несколько минут, при этом могут погружаться под воду. Коллеги из США к этому времени исследовали сон двух других видов настоящих тюленей — серого тюленя и детёнышей северного морского слона. Сон у всех настоящих тюленей был очень похожим. В зоопарках их наблюдали лежавшими неподвижно на дне бассейнов по десять—пятнадцать минут.
Мы исследовали сон в общей сложности у более 20 видов водных млекопитающих и не только на станции в Утрише, но и в экспедициях. Выяснилось, что все пять исследованных видов зубатых китов (гринда, афалина, азовка, амазонский речной дельфин и белуха) спят примерно одинаково — однополушарным сном. Билатерального, или симметричного сна, как у наземных млекопитающих, у них нет. У афалины и белухи также была установлена чёткая связь: открытый во время однополушарного сна глаз противоположен бодрствующему полушарию, закрытый — спящему.
Сон китообразных
Изначально существовало две основные гипотезы на тему, зачем китообразным нужен однополушарный сон. Первая — чтобы двигаться во время сна и дышать. Бодрствующее во время сна полушарие позволяет китообразным сохранять движение, что невозможно, когда спит весь мозг, как у наземных млекопитающих. Такой сон называется билатерально-симметричным. Во время сна наземные млекопитающие неподвижны, для движения им необходимо проснуться. В то же время мы установили, что некоторые китообразные могут спать неподвижно в толще воды или опускаясь на дно. При этом сон у них тоже однополушарный. Кстати, популярная гипотеза Лилли о «сознательном» дыхании у дельфинов до сих пор не имеет экспериментального подтверждения.
Вторая гипотеза — однополушарный сон позволяет китообразным контролировать состояние окружающей среды с помощью открытого глаза, чтобы избегать хищников и сохранять контакт с другими особями, например, матери следить за детёнышем. Для этого им приходится жертвовать сном в другом полушарии. На сегодняшний день экспериментально доказана только эта гипотеза.
Одна из загадок сна дельфинов — есть ли у них быстрый сон, или REM-сон (от английского Rapid Eye Movement — быстрые движения глаз). Эта стадия обнаружена у всех наземных млекопитающих и птиц. Во время REM-сна у них регистрируются частые вздрагивания глаз, развивается атония, дыхание и сердцебиения становятся нерегулярными, нарушается терморегуляция. Однако мозг у животных активен, как в бодрствовании. Поэтому такое состояние также называется парадоксальным сном, по предложению известного французского физиолога Мишеля Жуве. Считается, что REM-сон нужен для развития мозга, как минимум на ранних этапах онтогенеза, а также он необходим для поддержания когнитивных процессов, особенно памяти. В то же время эти данные были получены в лабораторных условиях. У диких животных в природе REM-сон может отсутствовать по несколько дней (например, у африканских слонов, а также у некоторых ластоногих).