Читать онлайн «Рассказывают ученые». Страница 59

Объектом исследований в нашей лаборатории были крысы. Сон у крыс короткий, от 15 до 30 минут, но в общей сложности они спят довольно много. После максимального по продолжительности сна мозг крысы исследовался биохимически.

В стволе мозга наряду с другими есть два скопления нейронов, два ядра - супраоптиче-ское и красное. Исследовали нейроны и гли-альные клетки этих ядер. При стрессовых состояниях из супраоптического ядра выделяются белки гормоны, поступающие в общий кровоток организма. Эти вещества оказывают влияние на активность гипофиза и всей эндокринной системы. Красное ядро тоже обладает высокой интенсивностью белкового обмена, но несет другие функции. Оно не имеет отношения ни к стрессовым состояниям, ни ко сну, а связано со спинным мозгом, мозжечком и корой головного мозга.

Было установлено, что у крыс в естественном сне идет накопление гистоноподобных белков и рибонуклеиновых кислот в клетках глии супраоптического ядра, причем за 10 - 20 минут сна их накапливается на 20 30 процентов больше по сравнению с бодрствованием. В нейронах этого ядра при сне накапливаются рибонуклеиновые кислоты. В то же время в нейронах красного ядра содержание белков несколько снижается.

При лишении крыс быстрого сна результаты получились неожиданные и очень интересные. В то время, когда наступает фаза быстрого сна, падает тонус скелетных мышц. Расслабление начинается с мышц шеи и затем охватывает все мышцы тела. Если крысу посадить на небольшую (5x5 см) площадку, выступающую над водой на 3 - 4 сантиметра, то животное окунет мордочку в воду или даже свалится в нее, как только перейдет в фазу быстрого сна. Очутившись на площадке снова, крыса через некоторое время опять уснет. Сон всегда начинается с медленного сна. Через некоторое время наступит быстрый сон, и все повторится сначала.

Лишение крыс быстрого сна привело к резкому падению уровня белков и в нейронах, и в глиальных клетках мозга. В нейронах оно вызывало количественно даже более резкие изменения, чем лишение обеих фаз сна. Если эксперимент с лишением быстрого сна продолжался более суток, содержание белка в клетках мозга несколько повышалось, затем стабилизировалось, но не достигало исходного уровня. Он восстанавливался лишь тогда, когда животному давали спать в быстром сне.

Аналогичные результаты были получены, когда исследовались другие отделы мозга.

Теменная область коры больших полушарий суммирует сигналы, поступающие в мозг, и образует часть регуляторной системы, определяющей целостное поведение животного. Деятельность этих областей коры отображает общий уровень активности всего головного мозга. В Институте нейрокибернетики Ростовского университета для исследования белкового обмена был использован электрофизиолого-цитохимичеокий метод. По записи электрической активности мозга можно было точно установить, в какой фазе сна находится животное, и с помощью специального устройства, вживленного в мозг, быстро взять на анализ кусочек ткани. (Животное при этом не ощущало боли и не просыпалось.) Метод обеспечивал быструю фиксацию ткани, ее хорошую сохранность и проводился в условиях свободного поведения животного. Анализ подтвердил результаты предшествовавших опытов - при Лишении быстрого сна резко снижалось содержание белка в клетках мозга.

Значение белков в клетках мозга многообразно и определяется уникальными свойствами каждой из 20 аминокислот, входящих в состав белковой молекулы. Широкие функциональные возможности белковых молекул зависят от способности к изменению их конфигурации в ответ на воздействие. Эти изменения обратимы, то есть после того, как воздействия закончатся, молекула белка возвращается в первоначальное состояние. Белки и вся синтезирующая их система играют первостепенную роль в процессах возбуждения, торможения, запоминания и других сторонах многообразной функции нервной системы. Между функциональной сложностью отделов нервной системы и содержанием в них белков имеется определенная зависимость: выше содержание белков в больших полушариях головного мозга, меньше в его подкорковых областях и еще меньше - в спинном мозге. При лишении фаз быстрого сна больше страдали нейроны мозга. Для глиаль-ных клеток оказался более необходимым медленный сон.

Получены и другие интересные результаты изучения биохимии медленного сна. Так, только при медленном сне у людей происходит значительное поступление из гипоталамуса в кровь гормона роста. Эта закономерность не изменяется ни при каких нарушениях смены циклов сна в течение суток. Выход гормона роста в общий кровоток организма говорит об усилении биосинтеза белков в периферических тканях организма. Таким образом, фаза медленного сна нужна для восстановления органов тела, а быстрый сон - для восстановления работоспособности мозга.

Чем выше организовано животное, чем лучше развита его нервная система, тем больше оно нуждается в быстром сне. Рыбы вообще не спят. У них - две формы отдыха: обездвижен-ность с потерей или сохранением мышечного тонуса. У амфибий также нет сна. Его заменяет обездвиженность с сохранением тонуса мышц. У рептилий (пресмыкающихся) можно наблюдать нечто похожее на медленный сон, у крокодилов - наиболее высокоразвитых среди них намечается что-то вроде небольших периодов фаз быстрого сна. У птиц уже хорошо выражен и медленный и быстрый сон (последний, правда, занимает лишь один процент сна) и наблюдается еще одно состояние во сне, которое есть у более примитивных животных - каталепсия (оцепенение). Если у крыс в быстром сне идет накопление белков и рибонуклеиновых кислот в нейронах и глии супра-оптического ядра, то у кур при каталепсии этого нет, содержание белка в клетках мозга у них даже падает. Обездвиженность животных - это отдых пассивный в биохимическом отношении. А быстрый сон - это активный процесс обмена веществ в клетках мозга.

В свое время известный советский биохимик А. В. Палладии указывал, что состояние сна не подразумевает бездеятельности головного мозга и что его активность при этом может и не ослабляться, а направляться на восстановление его функциональной работоспособности. При сне включается механизм повышения обмена глюкозы и других богатых энергией веществ. Причем уровень их использования не менее высокий, чем в бодрствовании.

При длительном полном лишении сна снижается активность окислительных процессов и падает синтез АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), необходимый для обеспечения энергией всех реакций, проходящих в клетках. При лишении быстрого сна содержание свободного гликогена снижается. Более чем на 50 процентов повышается содержание аммиака. Возможно, аммиак является одним из факторов, вызывающих утомление мозга. Нарушения сна могут приводить к заметным сдвигам обмена аминокислот - к торможению биосинтеза белков. При приеме снотворных (так называемых барбитуратов) естественный ритм сна нарушается. Эти снотворные снимают фазы быстрого сна со всеми вытекающими отсюда последствиями, всей суммой нарушений биохимических реакций в клетках мозга.

Попробуем подвести итог сказанному выше. Возможно, в нейрохимическом отношении сон нужен прежде всего для своеобразного ремонта именно белковых структур в клетках нервной ткани, для перестройки тех белковых молекул, которые повреждаются при функциональной активности в течение длительного бодрствования. Это прежде всего нерастворимые структурные белки синаптических мембран нейронов. Структурные белки изменяются, и затрудняется проводимость через синапсы, возникает утомление. При сне они восстанавливаются, и утомление исчезает. Это ответ на вопрос (правда, пока еще неполный и неокончательный): для чего нужен сон?

В. В. Меншуткин,

доктор биологических наук

Математика подтверждает эволюцию

Издавна люди разделили изучение природы на отдельные области знания различные науки. В каждой из наук есть, в свою очередь, почти бесчисленные подразделения на узкие отрасли. И это необходимо, так как при современном объеме информации один не может познать все. Природа же не знает такого разделения - в ней все взаимосвязано. И пока человек не осознает этой связи между различными явлениями природы, он не сможет ею разумно управлять.

Ныне биология стала объединяться с другими науками, казалось бы от нее далекими, - физикой, астрономией, математикой. И это тоже необходимо, чтобы осмыслить закономерности природы.

Тем исследователям, которым посчастливилось одновременно и в достаточной мере знать и математику, и биологию, удалось создать так называемые математические модели биологических процессов. Математические модели оказались одним из интереснейших и увлекательнейших методов познания закономерностей живой природы и обобщения знаний.

Одним из первых математическую модель создал в 1910 г. англичанин Росс. Она отражала динамику зараженности малярийным плазмодием. Позже, в 1918 г., наш соотечественник Ф. И. Баранов создал математическую модель, в которой использовались простейшие дифференциальные уравнения. Модель Ф. И. Баранова описывала динамику численности рыб. Постепенно модели усложнялись и совершенствовались, становились настолько громоздкими, что исследовать их практически было невозможно до тех пор, пока в 1964 г. почти одновременно канадские ученые Лар-кин, Хоустон и мы для решения моделей применили цифровую электронно-вычислительную машину.