теория сна

Рисунок 1. Drosophila melanogaster, или же Дрозофила обыкновенная

У древних одноклеточных прокариот состояние бодрствования было нормой, а процесс, похожий на сон появился позже с эволюцией эукариот примерно 2,7 млрд лет назад, в которых митохондрии стали постоянным компонентом клетки. Теперь для большинства эукариот характерны чередующиеся фазы сна и бодрствования. Эволюционные этапы сна можно проследить во временной шкале: началось все с простых прокариотических форм жизни, не нуждающихся во сне. Примерно 150 миллионов лет назад птицы начали проявлять чередование фаз медленного и быстрого сна, а млекопитающие – в том числе и современные люди, около 66 миллионов лет назад окончательно развили обе фазы сна.

В качестве современной аналогии взаимодействия прокариот с эукариотическим организмом можно привести бактерию Wolbachia, которая поселяется внутри клеток дрозофилы (рис. 1) и меняет поведение хозяина, включая влияние на сон. Wolbachia по своему геному и структуре напоминает митохондрию, что подтверждает версию об их общем происхождении.

Другие случаи похожих взаимодействий — инфекция Trypanosoma brucei, вызывающая у людей дневную сонливость и ночное бодрствование. Это также поддерживает эту гипотезу происхождения сна. Любопытно, что среди эукариотических организмов, лишенных митохондрий, таких как Monocercomonoides (рис. 2), нет никаких свидетельств наличия сна.

Рисунок 2. Представител Monocercomoides – организмов, получающих энергию без митохондрий.

Митохондрии играют активную роль в производстве ключевых нейромедиаторов, таких как ГАМК — гамма-аминомасляная кислота, и орнитин — предшественники молекул, регулирующих циклы сна и бодрствования. Кроме того, они вырабатывают предшественник дофамина 3,4-дигидроксифенилаланин — ДОФА, который также влияет на регуляцию сна. Согласно этой теории, эукариоты «приобрели» способность к аэробному дыханию, но взамен стали зависимы от сна. Медленный сон считается «навязанным» эукариотам их эндосимбионтами – живущих внутри них микроорганизмам, то есть митохондриями; а быстрый сон — ответной адаптацией, позволяющей эукариотам с мозгом возвращаться к бодрствованию в ответ на внешние раздражители.

Сон — это состояние, свойственное всем животным, несмотря на факт очевидной уязвимости. Сон создает риск для выживания, но эволюционное давление, которое могло бы устранить его, оказалось недостаточным. Почему же организму необходимо впадать в беззащитное состояние?

Ученые выдвинули шесть главных гипотез о функциях и происхождении сна, хотя ни одна из теорий полноценно не ответила на фундаментальный вопрос о истинной природе сна, они помогают более глубоко оценить важность сна на клеточных и молекулярных уровнях.

1. Теория восстановления предполагает, что сон помогает организму восстановить запасы энергии и обновить клетки после активного бодрствования.
2. Эволюционная теория сна утверждает, что периоды бездействия ночью могли помочь древним животным избежать хищников. Однако этот фактор считается скорее косвенной, а не главной причиной сна.
3. Теория сохранения энергии гласит, что сон позволяет экономить энергию в часы, когда поиск пищи менее продуктивен. Хотя эта теория помогает понять необходимость сна, она совсем не объясняет его природу.
4. Теория пластичности мозга предполагает, что во время сна мозг восстанавливает нейронные сети – особенно в детском возрасте, когда дети спят больше всего. Однако, этот принцип может не работать для всех видов животных – новорождённые дельфины почти не спят в первые недели жизни, что ставит теорию под сомнение.
5. Теория удаления свободных радикалов связывает сон с удалением накопленных за день токсичных свободных радикалов, которые образуются как результат метаболизма, способные повреждать клетки. Но вопрос о том, как и почему возник сон, эта теория тоже не решает.
6. Теория памяти и обучения утверждает, что сон помогает улучшать когнитивные функции: он восстанавливает внимание и способствует консолидации памяти. Но проведённые эксперименты на животных и людях пока не объясняют всех аспектов сна в естественной среде.

Теории о функциях и происхождении сна дополняют друг друга, объясняя отдельные аспекты сна, но пока не предоставляют единого ответа на вопрос, что же такое сон и зачем он возник в ходе эволюции. Новое предположение ученых же старается ответить на вопрос самой природы сна.

Практическое значение исследований возникновения сна заключается в понимании того, как различные фазы сна влияют на функции мозга и организма в целом, что может найти применение в медицине и улучшить терапию бессонницы или расстройство циркадных ритмов. С учетом роли митохондрий и нейромедиаторов в регуляции сна в будущем могут быть разработаны препараты, воздействующие на эти системы и улучшающие сон и восстановительные процессы.

Кроме того, понимание связи между эндосимбиотическими организмами и поведением сна позволяет создавать новые подходы к лечению инфекций и заболеваний, вызванных паразитами, такими как Trypanosoma brucei, изменяющими циклы сна. Также изучение феномена сна у животных с множественными или примитивными структурами мозга может привести к разработке технологий в области искусственного интеллекта и нейроинженерии, где важен переход между состояниями активности и покоя, аналогично фазам медленного и быстрого сна.