Российский биолог Лямин рассказал, как ученые разгадали сны морских слонов

Уникальные исследования помогут лучше понять природу сна человеческого

Вы жалуетесь на недосып? Расскажите об этом морскому слону, который спит всего по два часа (!) в сутки. Об итогах международного уникального эксперимента по изучению сна этого вида тюленей рассказал один из его участников – российский исследователь из Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова, кандидат биологических наук Олег ЛЯМИН.

Морские слоны на лежбище (справа – с «шапочкой»). Фото: Jessica Kendall-Bar. NMFS 23188.

Для чего ученые изучают сон животных? Чтобы ответить на многие вопросы про сон человека. Олег Лямин – ведущий в России специалист по сну диких животных, известный во всем мире. Мы познакомились пять лет назад, когда он вернулся из Южно-Африканской республики, где отлавливал «земных» слонов в национальном парке Чобе и крепил на них датчики движений (акселерометры), чтобы узнать особенности сна этих гигантов. Долгие годы биолог также изучал сон морских млекопитающих на Утришской морской научной станции ИПЭЭ им. А.Н. Северцова РАН, недалеко от Новороссийска. Под руководством другого крупного ученого Льва Мухаметова они исследовали сон дельфинов, белух, касаток. Именно этой группе принадлежит открытие однополушарного сна китообразных и морских котиков, а также исследования сна моржей, ламантинов и многих других млекопитающих. Однако сны тюленей и, в частности, морских слонов, обитающих у берегов Калифорнии, долгое время оставались для ученых загадкой.

По словам Лямина, еще в конце 1970-х годов, когда американцы изучали поведение северных морских слонов (Mirounga angustirostris) во время миграций в Тихом океане, на которые приходится у них по 7 месяцев в году, было понятно, что эти животные – «профессиональные» ныряльщики. Они могут не появляться на поверхности больше часа и погружаться на глубины более 1 км. Чтобы запастись воздухом они выныривают на считанные минуты. Большую часть дня у них занимает процесс поиска и поедания рыбы, которой требуется очень много, чтобы удовлетворить потребность огромного организма весом до нескольких тонн. Но когда же они спят?

Справка «МК».

Дельфины-афалины и касатки обычно ныряют на 150-200 метров и могут обходиться без воздуха только в течение 5-7 мин минут.

Справка «МК».

Тюлени накапливают кислород «впрок» во время коротких подъемов на поверхность при помощи гипервентиляции легких, то есть делают много вдохов за короткое время.

Проблемой сна морских слонов заинтересовалась в 2016 году команда зоологов и нейробиологов, которую собрала Джессика Кендалл-Бар (Jessica M. Kendall-Bar) из Института океанографии Скриппс (США).

— Как начались ваши исследования?

— Джессика еще студенткой приезжала к нам на Утриш, интересовалась нашими исследованиями, помогала, готовилась. Потом, когда начинала проект, предложила мне принять участие в исследованиях сна морских слонов в океане. Не скрою, мне все это казалось из области фантастики… В итоге же нам удалось неинвазивными методами (с поверхности кожи) зарегистрировать электроэнцефалограмму коры головного мозга (ЭЭГ) тюленей, частоту их сердечных сокращений (ЭКГ), мышечный тонус (миограмму), а также параметры двигательной активности и глубины погружений при нырянии.

Схема расположения электродов и регистратора на северном морском слоне. Оригинальный рисунок опубликован в журнале Science.

– Расскажите подробнее, как это удалось?

– На первом этапе в эксперименте участвовало 13 молодых тюленей, возрастом больше года и длиной около полутора метров. Их отобрали на большом лежбище слонов в заливе Монтерей. Большой проблемой для нас было установить на них датчики и закрепить так, чтобы их не закоротило и не смыло водой. И, конечно, заставить все это работать.

– Это были какие-то специальные электроды для записи показаний через толстый слой подкожного жира?

– Они были обычные, накожные, которые используются при регистрации электрической активности мозга у человека, но сам способ регистрации пришлось усовершенствовать, настраивая их на работу. Джессика перед тем, как прикрепить их к телу первого морского слона, испытывала их… на себе, – пыталась спать с ними в воде (улыбается). Надо отметить, что водная среда ей не чужда, – она серьезно увлекается подводным плаванием.

Главной проблемой была защита датчиков от воды и механических воздействий. Электроды клеили на кожу головы временно усыпленному тюленю, а сверху приклеивали резиновую основу – как минимум 2 слоя материала, из которого изготавливают гидрокостюмы. Получалась такая шапочка.

– Что за клей вы использовали?

– Примерно тот, которым склеивают детали костюмов аквалангистов. Этот клей может держаться в воде по несколько месяцев. Слой резины с электродами можно быстро снять. Все остальное отваливалось во время линьки животного.

– Сколько в общей сложности было датчиков и приборов на теле каждого морского слона перед выпуском в океан?

– Одних только электродов было 20. Прибавьте к ним еще датчики движения (акселерометры) и GPS-трекеры. Каждый слон был похож на огромный плавающий компьютер (улыбается).

– Для чего надо было определять мышечный тонус и регистрировать работу сердца?

– Чтобы зарегистрировать сам сон, а также фазу парадоксального или REM-сна, во время которого тонус мышц падает до нуля, сердечный ритм становится редким и нерегулярным, а мозг при этом активен, как в бодрствовании! Именно на REM-сон приходится большая часть наших сновидений. При этом он более глубокий, делает животных уязвимыми. Но он, тем не менее, для чего-то нам нужен, если он есть почти у всех млекопитающих, за исключением дельфинов.

Кстати, регистратор активности мозга, мышечного тонуса и работы сердца изготавливал для нас наш соотечественник Алексей Высоцкий, который долгое время живет и работает в Цюрихе. Для прибора мы сделали герметичный корпус, который крепили на спине животного клеем также, как электроды. К прибору проводами подключали все электроды.

– Итак, что же вы выяснили?

Карта мест сна северных морских слонов. Разным цветом показано среднее время сна морских слонов в каждой точке Тихого океана. Оригинальный рисунок опубликован в журнале Science.

– Мы узнали, что морские слоны спят, заныривая под воду на глубину до 377 метров. Это не удивительно, поскольку у поверхности на глубинах от 100 до 200 метров они могут стать легкой добычей акул и касаток. Во время погружения они последовательно засыпают сначала медленноволновым, а потом парадоксальным, RЕМ-сном. Две стадии сна характеризовались разными позами: во время медленного сна морские слоны плавно погружались в «нормальном» положении (спиной вверх), – человеку непосвященному могло бы показаться, что слон тонет. С началом RЕМ-сна, который характеризуется атонией (полным отсутствием тонуса скелетных мышц) и мышечными вздрагиваниями, они переворачивались на спину, кружась при этом по спирали и напоминая падающий лист. Диаметр такой «спирали RЕМ-сна» постепенно уменьшался. На один нырок для сна приходилось в среднем 20 минут.

– И тюлень все это время находился без воздуха?

– Да, по сути, большую часть времени его организм испытывал жесткую гипоксию (по крайней мере, в нашем представлении). Затем животные просыпались и всплывали к поверхности воды для дыхания на несколько минут, а после снова заныривали. Нырки для сна, чередовались с нырками для кормления рыбой, кальмарами, и последних нырков было во много раз больше. И так 7 месяцев в году.

В итоге, сопоставив параметры движения, позы, профиль движения и глубину погружения у нескольких сотен слонов, мы рассчитали, что средняя продолжительность сна у этих животных в океане в период миграций длительностью в 7 месяцев составляет в среднем всего 2 часа в сутки. Кстати, по GPS-координатам, мы установили их любимые места для сна и составили специальную карту, которая пригодится тем, кто занимается природоохранной деятельностью.

Возвратившись на лежбище (морские слоны всегда возвращаются туда, откуда они отправились в путешествие), они «вернули» нам все дорогостоящие датчики. К слову, стоимость оборудование на одном животном сопоставима со стоимостью нового бюджетного автомобиля.

Освободившись от научного оборудования, наши трудяги проваливались в сон и предавались ему по 11 часов в сутки, то есть, в 5 раз больше, чем это происходило в океане.

– Они словно отсыпались за долгие месяцы странствий…

– Похоже на то.

– Может ли это исследование каким-то образом ответить на вопросы, касающиеся человеческого сна?

– Полученные данные, которые мы на днях опубликовали в журнале Science  – это еще один пример гибкости и многообразия сна животных, а также его зависимости от внешних факторов и условий обитания. Мы теперь достаточно хорошо понимаем, как млекопитающие спят в воде. Китообразные и морские котики – половиной мозга в движении и сохраняют постоянный контроль за тем, что происходит вокруг во время их сна. Морские слоны и другие тюлени – спят всем мозгом, как и мы, но задерживают дыхание, выключаются, и прячутся на глубине, а в нужное время просыпаются. Новые данные важны для фундаментальной науки, для понимания функций сна, которые, на самом деле, нам не до конца ясны.

– Как же непонятны? Сон нужен для того чтобы набраться сил.

– Да, классическая точка зрения рассматривает сон как восстановительный процесс для всего организма, другая, не менее популярная, гласит, что сон нужен для когнитивных процессов (больше спишь – мозги будут лучше работать). Расскажите про это морским слонам, морским котикам и дельфинам! В условиях максимального напряжения, связанного с необходимостью постоянно нырять, искать корм, потом, всплыв, отдышаться за 2-3 минуты перед следующим нырком… При этом нельзя забывать про хищников, которые подстерегают у поверхности воды! Вы думаете, что вы устаете в конце рабочей недели? Вспомните в эти минуты про морских животных! (улыбается).

– Если разгадаем, как им удается быть настолько работоспособными, сможем меньше спать и не уставать?

– Мы приходим к пониманию, что каждое животное, включая человека, приспособилось спать именно в тех условиях, в которых живет. Сон неотделим от среды обитания. Он же помогает животному выжить. Морским слонам, морским котикам и дельфинам понадобилось миллионы лет, чтобы научиться спать, так, как они спят. Сегодня миллионы людей жалуются на проблемы со сном – страдают бессонницей, дневной сонливостью. Кислородное голодание (гипоксия) нарушает работу мозга, часто необратимо, как в случае инсультов… Безусловно, способность морских слонов жить в условиях дефицита сна и устойчивость их мозга к недостатку кислорода заслуживает самого серьезного внимания и исследований.

Источник: www.mk.ru