Страница:
Вскоре была создана Утришская морская станция ИЭМЭЖ, и объем научных работ значительно расширился. Кроме афалин, стал исследоваться и другой вид дельфинов --так называемые азовки, или морские свиньи, ведущие иной образ жизни, чем афалины. Затем к исследованиям были подключены и ластоногие.
Как известно, сон млекопитающих и птиц состоит из двух отдельных фаз: медленного и быстрого, или парадоксального, снов, которые различаются между собой настолько же сильно, насколько каждая из фаз сна отличается от бодрствования. Когда животное или человек засыпает, вначале наступает медленный сон, который постепенно углубляется. После некоторого периода наиболее глубокого медленного сна происходит резкий переход к парадоксальному сну. Период парадоксального сна завершает цикл сна, длительность которого зависит от размеров животного. У человека, например, он составляет полтора часа. Затем происходит либо пробуждение, либо начинается новый цикл. Именно это циклическое чередование (а не состояние покоя!), выявляемое при регистрации биопотенциалов мозга, и оказывается самой главной характеристикой сна. Так вот, регистрация биопотенциалов дельфинов во время их плавания в воде показала удивительную картину: полушария мозга дельфина отсыпаются по очереди! При этом бодрствующее "дежурное" полушарие, видимо, обеспечивает достаточный уровень активности'.^
оно поддерживает необходимую позу, дает через каждые тридцать-сорок ^^^унд команду на всплывание для очередного дыхательного акта, управляет плаванием по кругу. Сильный внешний стимул приводит к немедленному пробуждению обоих полушарий. Особенно интересно, что засыпание иногда начинается в обоих полушариях одновременно, но глубокий медленный сон наблюдался всегда только в одном из двух полушарий - либо слева, либо справа. Надо сказать, что анатомические связи между полушариями у дельфина достаточно четко организованы. Следовательно, можно предположить, что в мозге дельфина существует какой-то механизм, который активно поддерживает и регулирует смену полушарий во сне. И действительно, когда дельфинам вводили вещества, вызывающие подобие двухполушарного сна, то они вынуждены были просыпаться для каждого дыхательного акта.
Но это было еще не все. Оказалось, что у дельфинов есть только фаза медленного сна: все попытки выявить хотя бы отдельные признаки быстрого, парадоксального сна были безуспешными. По-видимому, у взрослых дельфинов парадоксального сна вообще нет. А ведь до сих пор эта фаза сна обнаруживалась у всех видов теплокровных животных млекопитающих и птиц. Единственным исключением в этом отношении является сон яйцекладущего млекопитающего- австралийской ехидны, у которой также есть только медленный сон, без парадоксального. Однако ехидна-животное во всех отношениях необычное и удивительное, чудом дожившее до наших дней. У всех же других млекопитающих, в ""^м числе у сумчатых, например у "живого ископаемого" - опоссума с его примитивным мозгом, обе фазы сна хорошо выражены и мало отличаются от сна человека.
Получается, таким образом, что в ходе своей адаптации к полностью годному образу жизни, для которой у
дельфинов было достаточно времени (их эволюция насчитывает 50 миллионов лет), эти животные выработали целый ряд специализаций; особую форму тела и скелета; особую кожу, позволяющую пронизывать толщу воды с необычайной легкостью; совершенную систему кровоснабжения и дыхания, дающую возможность глубоко нырять и при необходимости удерживать дыхание; совершенную терморегуляцию; ультразвуковой локатор, сонар, хорошо "видящий" при отсутствии света, и огромный мозг, управляющий этим сонаром; сложную систему звуковой связи, которая дает право говорить о "языке" дельфинов, и другие совершенно удивительные приспособления для жизни в морской среде.
К числу таких приспособлений, позволяющих дельфину дышать во сне, не боясь захлебнуться, относится и уникально организованный сон; медленный сон как бы "раздвоился" по полушариям, а парадоксальный, который в силу некоторых анатомических особенностей мозговых систем, его регулирующих, вероятно, не может "раздвоиться", у взрослых дельфинов вообще исчез.
...Как дельфину удается обходиться без парадоксального сна, ведь, по многочисленным данным, эта фаза является жизненно важным состоянием для других животных? Или, другими словами, чем приходится платить дельфину за отсутствие парадоксального сна? На эти вопросы трудно дать даже предположительный ответ в настоящее время...
Быть может, самыми интересными были опыты по лишению дельфинов сна в течение нескольких суток. Когда наконец им давали отоспаться, то полушария отсыпались по очереди, причем "отдача" сна могла начаться с любого из полушарий. Но самое поразительное происходило, если не давали спать только одному из полушарий, а другое могло отсыпаться вволю. Оказалось, что у каждой половины мозга есть своя
185
собственная потребность во сне, которая не может быть удовлетворена за счет сна другой, как будто бы полушария принадлежат двум разным головам!
Другой факт важный, имеющий общетеоретическое значение,- взаимосвязь между сном и поведением дельфинов. Особенно интересны в этом отношении дельфины-азовки. Эти сравнительно мелкие (до 30-40 килограммов) животные в экспериментальных бассейнах чувствуют себя прекрасно и непрерывно быстро плавают по кругу, причем скорость плавания не снижается во сне. Действительно, если наблюдать только за поведением азовки, то можно прийти к ошибочному выводу, что это животное никогда не спит. С другой стороны, если наблюдать за поведением какой-нибудь двухсоткилограммовой афалины, неподвижно висящей в позе поплавка в небольшом экспериментальном бассейне, то можно подумать, что она непрерывно спит, хотя на самом деле ее сон занимает менее половины времени суток. Таким образом, этологические наблюдения при изучении сна дельфинов, да и других животных, показывают, что потребность во сне не связана с потребностью в физическом отдыхе, как это до сих пор часто думают. Азовки не нуждаются в физическом, телесном отдыхе, однако однополушарный медленный сон занимает у них также около половины времени суток. Следовательно, этот сон выполняет какую-то еще неизвестную жизненно важную функцию по обслуживанию потребностей самого мозга.
Не подтвердилось и предположение Лилли о том, что однополушарный сон связан со сторожевой функцией одного глаза. Опыты показали, что появление нового или необычного предмета в поле зрения смотрящего над водой глаза дельфина, если он открыт, приводит к немедленному пробуждению животного даже в том случае, если этот глаз противоположен "спящему"
полушарию (у дельфинов каждый глаз связан только с одним противоположным ему полушарием, поле зрение каждого глаза-почти 180 градусов). То есть глаз, если он открыт, продолжает видеть и во сне, однополушарный сон для этого не нужен.
Открытие советскими учеными явления чередующегося однополушарного медленного сна у дельфинов вызвало значительный интерес как в нашей стране, так и за рубежом. Недавно его авторам - Л. Мухаметову и А. Супину - выдан диплом на открытие Госкомитетом по изобретениям и открытиям при СМ СССР.
Естественно, возникает вопрос: а как же спят другие водные млекопитающие, в первую очередь ластоногие? На Утришской станции были поставлены опыты с каспийскими тюленями. И оказалось, что тюлени спят всего лишь около трех часов в сутки. И могут спать в разнообразных условиях и позах: на помосте под водой, на поверхности воды, в толще воды и лежа на дне бассейна. Иными словами, далее выяснилось, что сон тюленей - это типичный сон млекопитающего с хорошо выраженными фазами медленного и парадоксального сна, четкой цикличностью - медленный сон всегда строго симметрично и одновременно протекает в обоих полушариях. Если тюлень спит на помосте или на поверхности воды, но так, что его ноздри находятся на воздухе, то он может и не просыпаться для каждого дыхательного акта. Если же ноздри погружены в воду, .то животное просыпается для каждого акта, при необходимости всплывает и выставляет ноздри наружу. В этих случаях тюлень отсыпается урывками во время дыхательных пауз. Таким образом, тюлени демонстрируют другой, менее радикальный вариант приспособления ко сну в воде. Это и не удивительно, если вспомнить, что эволюция ластоногих насчитывает всего 10
пионов лет - раз в пять меньше, чем китообразных. Интересно, что информация от чувствительных нервных окончаний в области ноздрей у тюленя, видимо, продолжает обрабатываться и в глубоком медленном, и в парадоксальном сне: именно это заставляет животное прерывать сон и всплывать для выдоха-вдоха, если ноздри находятся в воде.
Недавно в рамках сотрудничества между Академией наук СССР и Академией наук Кубы академиком В. Соколовым и Л. Мухаметовым была предпринята первая попытка изучения сна американского ламантина (морской коровы). Первые опыты показали, что сон ламантина, видимо, подобен сну каспийского тюленя.
А вот исследование сн^ северного морского котика, проведенное в последнее время на Утришской морской станции Л. Мухаметовым, О. Ляминым и И. Поляковой, преподнесло сюрприз - был обнаружен еще один тип сна.
Котики много времени проводили в неподвижности с закрытыми глазами, однако в основном это было спокойное бодрствование - сон занимал лишь немногим более трети суток. Наряду с обычным для всех млекопитающих двухполушарным медленным сном часть времени сна занимали периоды резко выраженной межполушарной асимметрии, которые, однако, в некоторых деталях существенно отличались от однополушарного сна дельфинов.
Если котик спал на помосте над водой, то периоды асимметричного медленного сна занимали половину времени всего сна, контрастность между полушариями была выражена относительно слабо. Парадоксальный сон, всегда двухполушарный, занимал 20 процентов времени всего сна, как у большинства других млекопитающих, * "°^ числе у человека. Однако если °^^йн доверху заполняли водой, так что животные были вынуждены спать "^ "лаву, то характер сна резко
ся: количество асимметричного медленного сна значительно возрастало, контрастность между полушариями усиливалась, парадоксальный сон подавлялся.
Таким образом, сон морского котика представляет собой третью, как бы промежуточную форму приспособления сна к водному образу жизни. Если котик спит на суше, то его сон напоминает сон наземных млекопитающих, а если в воде - то похож на сон дельфинов, так как котики, подобно дельфинам, обладают регулярным дыханием. Иными словами, котики, которые могут демонстрировать все формы сна - двухполушарный глубокий медленный сон, однополушарный медленный сон и парадоксальный сон,представляют собой уникальную модель для проверки различных теорий нервной и химической регуляции сна.
* * *
Работы по изучению сна морских млекопитающих на Утришской станции продолжаются. Предстоит изучить сон у ряда других представителей этой обширной группы животных, применить некоторые новые методики. Большой интерес представляет изучение сна у детенышей дельфинов и тюленей. Дело в том, что структура сна в раннем возрасте резко отлична от сна взрослого организма - большую часть его занимает так называемый активированный сон, который считается аналогом парадоксального сна взрослых. Наиболее интригующим является вопрос, сохраняются ли остатки этой формы сна у детенышей дельфинов. Ведь у взрослых дельфинов, как указывалось выше, никаких признаков парадоксального сна выявить не удается. Будущие исследования ответят на этот вопрос.
Работы по изучению сна дельфинов и других морских млекопитающих - это не только изучение экзотических животных. Такие исследования представляют значительный общетеоретический и даже практический интерес
186
187
с нескольких точек зрения. Во-первых, как уже говорилось, однополушарный медленный сон дельфинов и котиков - уникальная модель для изучения действия существующих и будущих снотворных лекарств, а также для проверки различных гипотез относительно биохимической регуляции сна. Во-вторых, отсутствие парадоксального сна у взрослых дельфинов - пробный камень для различных теорий назначения парадоксального сна, одного из самых захватывающих вопросов современной физиологии. В-третьих, само существование однополушарного медленного сна во время движения у азовок несовместимо с теориями "сна как отдыха тела" и указывает на то, что сон нужен именно для мозга, причем для каждого из его полушарий (вспомним опыты с лишением сна). Есть и еще один весьма важный аспект, на котором стоило бы остановиться подробнее. Речь идет о взаимосвязи между сном и дыханием, или о регуляции дыхания во сне.
Известно, что во сне, в особенности в глубоком медленном сне, снижается чувствительность дыхательного центра мозга к накоплению углекислоты в крови. Регуляция дыхания ослабляется. Сильно утрируя, можно сказать, что в глубоком медленном сне дыхание "висит на волоске". Крупнейший исследователь сна американский ученый Вильям Демент сказал недавно, что существует вероятность умереть во сне для человека, который кажется, а может быть, и является вполне здоровым. Разумеется, что рассуждение теоретическое, на самом деле пугаться нечего: вероятность такого рода ничтожно мала. Однако она действительно существует, о чем говорит недавно описанное заболевание, название которого можно перевести примерно как "восточный синдром ночного удушья". Это чрезвычайно редкие случаи внезапной смерти во сне здоровых молодых мужчин азиатского происхождения. Предполагается, что в основе
го грозного синдрома лежит какое-то генетическое нарушение, ослабляющее регуляцию дыхания и сердца во сне.
Кроме этого, существует еще одно, к сожалению, чаще встречающееся заболевание, называемое синдромом внезапной смерти младенцев. При этом происходит внезапное прекращение дыхания и остановка сердца во сне у детей на третьем месяце после рождения. Причиной этого предполагаются также какие-то скрытые дефекты регуляции дыхания и работы сердца во сне. Показано, кроме того, что риск внезапно умереть во сне от остановки дыхания и сердца резко возрастает после приема алкоголя, особенно хронического, при передозировке барбитуратов и некоторых других лекарств, при гипоксии в условиях высокогорья и т. д. Изучение физиологии сна морских млекопитающих, представляющее, казалось бы, чисто академический интерес, дает уникальную модель для фармакологических и экспериментальных исследований взаимосвязи между дыханием и сном и, безусловно, окажет большую услугу медицине будущего.
КИТЫ-НЕ САМОУБИЙЦЫ
Почему киты выбрасываются на бе-^ per? Биологи давно ищут ответ на этот^ вопрос. Из всех морских животныхи только у китообразных наблюдается подобное явление. Согласно одной из гипотез у китов проявляется стадное чувство. За вожаком на берег устремляется все стадо. А почему сам вожак решил выброситься? Неясно. К тому же наблюдались случаи, когда большое стадо дробилось на группы, которые
сами по себе выбрасывались на сушу. Другое любопытное предположение связано с тем, что животных поражали неизвестные смертельные заболевания или психические расстройства. Не дожидаясь рокового исхода, они кончали жизнь самоубийством. Но недавние исследования опровергли эти предположения. Обследовав большое количество мертвых китов, ученые установили, что чаще всего причиной смерти служил разрыв сердца, нарушения кровообращения или функции почек. Судя по всему, животные попадают в стрессовое состояние при внезапном изменении направлений морских течений или оказавшись в других непривычных условиях. Ослабев, они уже не могут справиться с прибоем. И он выбрасывает их на берег.
ПИНГВИНЫ-РЕКОРДСМЕНЫ
Пингвины проводят значительную часть времени в море. А как долго они могут находиться, под водой? С какой скоростью 'Хплавают? Ответы на эти вопросы пытались найти полярникифизиологи. Двести пятьдесят раз ученые спускались с аквалангом в холодные глубины, чтобы зарегистрировать максимальное пребывание пингвинов "од водой. Оно оказалось равным 18 минутам и превысило рекорд всех остальных морских птиц и некоторых млекопитающих. Зарегистрирована и ^^^мальная глубина погружения: на пленке сняты пингвины, которые спокойно делают круги у морского дна "а глубине 266 метров. Эти факты вынуждают ученых вновь взяться за изучение систем дыхания и регулирования кровяного давления пингвинов.
ЗАГАДОЧНЫЙ НАУТИЛУС
В Оружейной палате Московского Кремля есть экспозиция изделий из раковин наутилуса. Они напоминают удивительной красоты бокалы нежнейших перламутровых оттенков. Об этих загадочных животных рассказывает доктор геолого-минералогических наук, профессор Палеонтологического института Академии наук СССР В. Шиманский: "Мое первое знакомство с наутилусом было любопытным: в Доме пионеров я увидел необычные распиленные раковины, украшавшие стены "грота". После расспросов я узнал имя и адрес мастера, который здесь работал, и поспешил к нему. Это был специалист по созданию "зимних садов" в богатых особняках. В свое время он внимательно следил за поступавшими в Россию коллекциями и однажды с аукциона купил одну коллекцию из Индии, где было довольно много раковин наутилусов.
Наутилус-это уникальное животное, единственный представитель головоногих моллюсков с наружной раковиной, сохранившийся до наших дней. Является он отдаленным родственником кальмаров, но сейчас эту связь очень трудно проследить. Головоногие с наружной раковиной появились в морях планеты более 500 миллионов лет назад. Некоторые из них имели не спиральную, а прямую раковину, достигали нескольких метров в длину и действительно напоминали небольшие подводные лодки. Тогда эти животные, способные благодаря особому "ракетному аппарату" в передней части тела передвигаться как вперед, так и назад,
188
189
были, вероятно, опасными хищниками. И подумать только - предки наутилуса плавали в теплых морях, существовавших на месте нашего Подмосковья более 300 миллионов лет назад, в юрских морях Донбасса более 1 50 миллионов лет назад. Это выяснено учеными по окаменевшим раковинам, привозимым из экспедиций. На некоторых раковинах можно увидеть "шрамы". В море у наутилусов врагов хватало. Но в случае повреждения раковины наутилус начинал быстро расти, образовывался новый оборот спирали, моллюск дорастал до "пробоины" и "заделывал" ее выделяемым мантией раковинным веществом.
Наутилусы обитают у островов на границе Тихого и Индийского океанов. Сам моллюск в своей раковине занимает жилую камеру. Перед погружением на дно животное заполняет водой другую камеру - балластную. Но есть в раковине и камера со смесью газов. Перед всплытием наутилус нагнетает ее в свои гидростатические "баллоны". Газы делают раковину почти невесомой, и она оказывается на поверхности моря. Внутреннее давление дает животному возможность опускаться на 600-700 метров, где давление воды несколько десятков атмосфер. И раковина выдерживает!
Изучением наутилуса занимаются сейчас ученые разных стран, так как это позволит понять строение и жизнь огромной группы ископаемых головоногих - группы, очень важной для геологов при определении относительного возраста земных пород. И знаете, живой наутилус оказался загадочнее того, которым командовал капитан Немо".
ГОЛУБЬ-ВОДОНОС
Зоологи сумели раскрыть тайну необычного поведения сенегальского голубя. Самки этого особого вида птиц откладывают только два яйца, которые в течение двадцати дней по очереди насиживают оба родителя. До того момента, как голубка отложила яйца, птицам нетрудно было летать к водоему и утолять жажду, но что делать во время высиживания? И как поить птенцов? Природа позаботилась и об этом - роль самца здесь исключительно важна. Пока матери заботятся о птенцах, отцы несколько раз в день собираются в стаи и летят к ближайшему водоему, где в первую очередь купаются. В это время перья у них на животе, имеющие особое строение, наполняются водой. И когда отец возвращается, малыши забираются под его живот и высасывают из перьев воду, которая там задержалась. Со стороны может показаться, будто самец кормит птенцов грудью.
ГНЕЗДО ИЗ ПРОВОЛОКИ
По сообщению Энтони Дэвиса, члена Бомбейского общества естественной истории, в больших городах Индии и Бангладеш вороны стали строить свои гнезда не из веточек деревьев или \
QOCJMMOK, а из проволоки и металлических полос - отходов металлообрабатывающих предприятий. Такие гнеза прочнее, а к тому же темный металл ^оглощает солнечные лучи, и это тепло ^д^ой-то мере помогает при насиживании яиц. Удобно и то, что проволочные гнезда лучше держатся на гладких поверхностях, например на телеграфных столбах.
КРОКОДИЛЫ
ЛУЧШЕ СВОЕЙ РЕПУТАЦИИ
Крокодилы - вовсе не прожорливые существа, немедленно хватающие все живое, что окажется вблизи их страшных челюстей. Это утверждают ученые исследовательского зоологического центра в Хайдарабаде, на юге Индии, потратившие более десяти лет на изучение жизни и привычек крокодилов. По их данным, взрослые крокодилы, весящие около 60 килограммов, поглощают количество пищи, равное их весу, в течение чрезвычайно долгого времени-двух с половиной лет! Двух килограммов пищи хватает им на месяц! Столь скромные потребности в пище никак не вяжутся с легендами о кровожадности крокодилов. Только самки крокодилов становятся агрессивными, когда они во время высиживания потомства караулят гнездо с тремя десятками яиц. Чаще всего крокодилы питаются мелкими рептилиями, птицами и насекомыми. Обвинения рыбаков в том, что крокодилы поглощают огромное количество рыбы, тоже безосновательны. Это подтверждено наблюдениями на реке Чамбал на северо^паде Индии: выпущенные там
реста крокодилов не повлияли на количество рыбы. В Индии снова насчитывается теперь 7000 крокодилов, живущих преимущественно в заповедниках. Когда в 1975 году началась кампания по спасению крокодилов, обреченных на вымирание, их оставалось в стране всего лишь семьдесят экземпляров.
ЧУЖОЙ мозг
Пересадка сердца сейчас уже никого не удивляет. А как насчет мозга? Такие операции вроде бы никто еще не делал. Но проблемой этой ученые занимаются. Например, в Институте общей генетики поставили опыты с перекрестной трансплантацией мозга у зародышей лягушек из двух разных семейств - травяных и шпорцевых. Исследователей интересовало, как после пересадки мозга изменится поведение взрослых лягушек. Дело в том, что травяные лягушки после окончания метаморфозы головастиков всегда выходят из воды на сушу и питаются насекомыми, выбрасывая язык, которым они хватают добычу. А шпорцевые лягушки остаются в воде и едят мотыля, трубочника и других водных обитателей.
В течение четырех лет ученые вели перекрестные пересадки среднего, заднего, а иногда и промежуточного мозга. И вот что выяснилось. Трансплантация мозга от травяных лягушек к шпорцевым была безуспешной: зародыши погибали через пять-семь дней после операции. А вот при обратной пересадке успешными оказались 7,4 процента опытов - в них химерные головастики выживали и превращались во внешне обычных травяных лягушек.
Но 30 процентов из них вели себя необычно - не выходили из воды и не ловили мушек, которых подпускали к ним экспериментаторы. То есть переняли образ поведения шпорцевых лягушек.
Результаты этих опытов еще не совсем однозначны. Но, как говорится, лиха беда начало.
САРАНЧА И ЭВМ
Тысячами движений насекомого во время полета могут управлять всего три нейрона-к такому выводу приходят исследователи из Института эволюционной физиологии и биохимии имени И. М. Сеченова АН СССР. Биологическая ЭВМ насекомого, считают исследователи,- своеобразная модель для новейших типов электронно-вычислительной техники.
Слышны завывания ветра, упругие потоки воздуха ударяют о стенки аэродинамической трубы, они снова и снова пытаются сдвинуть с места маленькое крылатое существо. Но тщетно, саранча (а это именно она помещена в трубу) умело сопротивляется воздушному потоку, в особом ритме работают ее крылья, как бы предугадывая меняющееся направление искусственного ветра.
Х Как предчувствует насекомое эти изменения, как его нервная система управляет сложным полетом? Ответы на эти вопросы поможет дать эксперимент в аэродинамической трубе.
С первыми же струями воздуха закрепленное в трубе насекомое начинает взмахивать крыльями и будет "лететь" на месте, пока не прекратится ветер. Может быть, он и заставляет
саранчу махать крыльями, как заставляет вращаться бумажную вертушку или трепетать полотнище флага? Нет прозрачные крылья вздымаются ритмично, с одинаковой частотой и амплитудой. Но стоит повредить волоски на голове саранчи, и крылья становятся безжизненными.
В специальной камере, позволяющей наблюдать начальные стадии полета спокойно сидит саранча. Сидит недвижимо, словно брошка из серого камня, даже короткие усики не шевелятся. Но вот на одной из стенок камеры начинают работать воздушные сопла, имитирующие ветер. Саранча настораживается, разворачивается навстречу ветру и с поразительной пунктуальностью в тот момент, когда скорость ветра достигает именно 3,5 метра в секунду, подпрыгивает и, используя встречный воздушный поток, пытается набрать высоту. Камера не позволяет ей это сделать. А в естественных условиях стая в миллиарды голов почти одновременно подпрыгивает, набирает высоту и... разворачивается по ветру. Почему по ветру? Да потому, что ветер дует из области высокого давления в область низкого, а именно там идут дожди, зеленеют луга и поля, много еды.
Как известно, сон млекопитающих и птиц состоит из двух отдельных фаз: медленного и быстрого, или парадоксального, снов, которые различаются между собой настолько же сильно, насколько каждая из фаз сна отличается от бодрствования. Когда животное или человек засыпает, вначале наступает медленный сон, который постепенно углубляется. После некоторого периода наиболее глубокого медленного сна происходит резкий переход к парадоксальному сну. Период парадоксального сна завершает цикл сна, длительность которого зависит от размеров животного. У человека, например, он составляет полтора часа. Затем происходит либо пробуждение, либо начинается новый цикл. Именно это циклическое чередование (а не состояние покоя!), выявляемое при регистрации биопотенциалов мозга, и оказывается самой главной характеристикой сна. Так вот, регистрация биопотенциалов дельфинов во время их плавания в воде показала удивительную картину: полушария мозга дельфина отсыпаются по очереди! При этом бодрствующее "дежурное" полушарие, видимо, обеспечивает достаточный уровень активности'.^
оно поддерживает необходимую позу, дает через каждые тридцать-сорок ^^^унд команду на всплывание для очередного дыхательного акта, управляет плаванием по кругу. Сильный внешний стимул приводит к немедленному пробуждению обоих полушарий. Особенно интересно, что засыпание иногда начинается в обоих полушариях одновременно, но глубокий медленный сон наблюдался всегда только в одном из двух полушарий - либо слева, либо справа. Надо сказать, что анатомические связи между полушариями у дельфина достаточно четко организованы. Следовательно, можно предположить, что в мозге дельфина существует какой-то механизм, который активно поддерживает и регулирует смену полушарий во сне. И действительно, когда дельфинам вводили вещества, вызывающие подобие двухполушарного сна, то они вынуждены были просыпаться для каждого дыхательного акта.
Но это было еще не все. Оказалось, что у дельфинов есть только фаза медленного сна: все попытки выявить хотя бы отдельные признаки быстрого, парадоксального сна были безуспешными. По-видимому, у взрослых дельфинов парадоксального сна вообще нет. А ведь до сих пор эта фаза сна обнаруживалась у всех видов теплокровных животных млекопитающих и птиц. Единственным исключением в этом отношении является сон яйцекладущего млекопитающего- австралийской ехидны, у которой также есть только медленный сон, без парадоксального. Однако ехидна-животное во всех отношениях необычное и удивительное, чудом дожившее до наших дней. У всех же других млекопитающих, в ""^м числе у сумчатых, например у "живого ископаемого" - опоссума с его примитивным мозгом, обе фазы сна хорошо выражены и мало отличаются от сна человека.
Получается, таким образом, что в ходе своей адаптации к полностью годному образу жизни, для которой у
дельфинов было достаточно времени (их эволюция насчитывает 50 миллионов лет), эти животные выработали целый ряд специализаций; особую форму тела и скелета; особую кожу, позволяющую пронизывать толщу воды с необычайной легкостью; совершенную систему кровоснабжения и дыхания, дающую возможность глубоко нырять и при необходимости удерживать дыхание; совершенную терморегуляцию; ультразвуковой локатор, сонар, хорошо "видящий" при отсутствии света, и огромный мозг, управляющий этим сонаром; сложную систему звуковой связи, которая дает право говорить о "языке" дельфинов, и другие совершенно удивительные приспособления для жизни в морской среде.
К числу таких приспособлений, позволяющих дельфину дышать во сне, не боясь захлебнуться, относится и уникально организованный сон; медленный сон как бы "раздвоился" по полушариям, а парадоксальный, который в силу некоторых анатомических особенностей мозговых систем, его регулирующих, вероятно, не может "раздвоиться", у взрослых дельфинов вообще исчез.
...Как дельфину удается обходиться без парадоксального сна, ведь, по многочисленным данным, эта фаза является жизненно важным состоянием для других животных? Или, другими словами, чем приходится платить дельфину за отсутствие парадоксального сна? На эти вопросы трудно дать даже предположительный ответ в настоящее время...
Быть может, самыми интересными были опыты по лишению дельфинов сна в течение нескольких суток. Когда наконец им давали отоспаться, то полушария отсыпались по очереди, причем "отдача" сна могла начаться с любого из полушарий. Но самое поразительное происходило, если не давали спать только одному из полушарий, а другое могло отсыпаться вволю. Оказалось, что у каждой половины мозга есть своя
185
собственная потребность во сне, которая не может быть удовлетворена за счет сна другой, как будто бы полушария принадлежат двум разным головам!
Другой факт важный, имеющий общетеоретическое значение,- взаимосвязь между сном и поведением дельфинов. Особенно интересны в этом отношении дельфины-азовки. Эти сравнительно мелкие (до 30-40 килограммов) животные в экспериментальных бассейнах чувствуют себя прекрасно и непрерывно быстро плавают по кругу, причем скорость плавания не снижается во сне. Действительно, если наблюдать только за поведением азовки, то можно прийти к ошибочному выводу, что это животное никогда не спит. С другой стороны, если наблюдать за поведением какой-нибудь двухсоткилограммовой афалины, неподвижно висящей в позе поплавка в небольшом экспериментальном бассейне, то можно подумать, что она непрерывно спит, хотя на самом деле ее сон занимает менее половины времени суток. Таким образом, этологические наблюдения при изучении сна дельфинов, да и других животных, показывают, что потребность во сне не связана с потребностью в физическом отдыхе, как это до сих пор часто думают. Азовки не нуждаются в физическом, телесном отдыхе, однако однополушарный медленный сон занимает у них также около половины времени суток. Следовательно, этот сон выполняет какую-то еще неизвестную жизненно важную функцию по обслуживанию потребностей самого мозга.
Не подтвердилось и предположение Лилли о том, что однополушарный сон связан со сторожевой функцией одного глаза. Опыты показали, что появление нового или необычного предмета в поле зрения смотрящего над водой глаза дельфина, если он открыт, приводит к немедленному пробуждению животного даже в том случае, если этот глаз противоположен "спящему"
полушарию (у дельфинов каждый глаз связан только с одним противоположным ему полушарием, поле зрение каждого глаза-почти 180 градусов). То есть глаз, если он открыт, продолжает видеть и во сне, однополушарный сон для этого не нужен.
Открытие советскими учеными явления чередующегося однополушарного медленного сна у дельфинов вызвало значительный интерес как в нашей стране, так и за рубежом. Недавно его авторам - Л. Мухаметову и А. Супину - выдан диплом на открытие Госкомитетом по изобретениям и открытиям при СМ СССР.
Естественно, возникает вопрос: а как же спят другие водные млекопитающие, в первую очередь ластоногие? На Утришской станции были поставлены опыты с каспийскими тюленями. И оказалось, что тюлени спят всего лишь около трех часов в сутки. И могут спать в разнообразных условиях и позах: на помосте под водой, на поверхности воды, в толще воды и лежа на дне бассейна. Иными словами, далее выяснилось, что сон тюленей - это типичный сон млекопитающего с хорошо выраженными фазами медленного и парадоксального сна, четкой цикличностью - медленный сон всегда строго симметрично и одновременно протекает в обоих полушариях. Если тюлень спит на помосте или на поверхности воды, но так, что его ноздри находятся на воздухе, то он может и не просыпаться для каждого дыхательного акта. Если же ноздри погружены в воду, .то животное просыпается для каждого акта, при необходимости всплывает и выставляет ноздри наружу. В этих случаях тюлень отсыпается урывками во время дыхательных пауз. Таким образом, тюлени демонстрируют другой, менее радикальный вариант приспособления ко сну в воде. Это и не удивительно, если вспомнить, что эволюция ластоногих насчитывает всего 10
пионов лет - раз в пять меньше, чем китообразных. Интересно, что информация от чувствительных нервных окончаний в области ноздрей у тюленя, видимо, продолжает обрабатываться и в глубоком медленном, и в парадоксальном сне: именно это заставляет животное прерывать сон и всплывать для выдоха-вдоха, если ноздри находятся в воде.
Недавно в рамках сотрудничества между Академией наук СССР и Академией наук Кубы академиком В. Соколовым и Л. Мухаметовым была предпринята первая попытка изучения сна американского ламантина (морской коровы). Первые опыты показали, что сон ламантина, видимо, подобен сну каспийского тюленя.
А вот исследование сн^ северного морского котика, проведенное в последнее время на Утришской морской станции Л. Мухаметовым, О. Ляминым и И. Поляковой, преподнесло сюрприз - был обнаружен еще один тип сна.
Котики много времени проводили в неподвижности с закрытыми глазами, однако в основном это было спокойное бодрствование - сон занимал лишь немногим более трети суток. Наряду с обычным для всех млекопитающих двухполушарным медленным сном часть времени сна занимали периоды резко выраженной межполушарной асимметрии, которые, однако, в некоторых деталях существенно отличались от однополушарного сна дельфинов.
Если котик спал на помосте над водой, то периоды асимметричного медленного сна занимали половину времени всего сна, контрастность между полушариями была выражена относительно слабо. Парадоксальный сон, всегда двухполушарный, занимал 20 процентов времени всего сна, как у большинства других млекопитающих, * "°^ числе у человека. Однако если °^^йн доверху заполняли водой, так что животные были вынуждены спать "^ "лаву, то характер сна резко
ся: количество асимметричного медленного сна значительно возрастало, контрастность между полушариями усиливалась, парадоксальный сон подавлялся.
Таким образом, сон морского котика представляет собой третью, как бы промежуточную форму приспособления сна к водному образу жизни. Если котик спит на суше, то его сон напоминает сон наземных млекопитающих, а если в воде - то похож на сон дельфинов, так как котики, подобно дельфинам, обладают регулярным дыханием. Иными словами, котики, которые могут демонстрировать все формы сна - двухполушарный глубокий медленный сон, однополушарный медленный сон и парадоксальный сон,представляют собой уникальную модель для проверки различных теорий нервной и химической регуляции сна.
* * *
Работы по изучению сна морских млекопитающих на Утришской станции продолжаются. Предстоит изучить сон у ряда других представителей этой обширной группы животных, применить некоторые новые методики. Большой интерес представляет изучение сна у детенышей дельфинов и тюленей. Дело в том, что структура сна в раннем возрасте резко отлична от сна взрослого организма - большую часть его занимает так называемый активированный сон, который считается аналогом парадоксального сна взрослых. Наиболее интригующим является вопрос, сохраняются ли остатки этой формы сна у детенышей дельфинов. Ведь у взрослых дельфинов, как указывалось выше, никаких признаков парадоксального сна выявить не удается. Будущие исследования ответят на этот вопрос.
Работы по изучению сна дельфинов и других морских млекопитающих - это не только изучение экзотических животных. Такие исследования представляют значительный общетеоретический и даже практический интерес
186
187
с нескольких точек зрения. Во-первых, как уже говорилось, однополушарный медленный сон дельфинов и котиков - уникальная модель для изучения действия существующих и будущих снотворных лекарств, а также для проверки различных гипотез относительно биохимической регуляции сна. Во-вторых, отсутствие парадоксального сна у взрослых дельфинов - пробный камень для различных теорий назначения парадоксального сна, одного из самых захватывающих вопросов современной физиологии. В-третьих, само существование однополушарного медленного сна во время движения у азовок несовместимо с теориями "сна как отдыха тела" и указывает на то, что сон нужен именно для мозга, причем для каждого из его полушарий (вспомним опыты с лишением сна). Есть и еще один весьма важный аспект, на котором стоило бы остановиться подробнее. Речь идет о взаимосвязи между сном и дыханием, или о регуляции дыхания во сне.
Известно, что во сне, в особенности в глубоком медленном сне, снижается чувствительность дыхательного центра мозга к накоплению углекислоты в крови. Регуляция дыхания ослабляется. Сильно утрируя, можно сказать, что в глубоком медленном сне дыхание "висит на волоске". Крупнейший исследователь сна американский ученый Вильям Демент сказал недавно, что существует вероятность умереть во сне для человека, который кажется, а может быть, и является вполне здоровым. Разумеется, что рассуждение теоретическое, на самом деле пугаться нечего: вероятность такого рода ничтожно мала. Однако она действительно существует, о чем говорит недавно описанное заболевание, название которого можно перевести примерно как "восточный синдром ночного удушья". Это чрезвычайно редкие случаи внезапной смерти во сне здоровых молодых мужчин азиатского происхождения. Предполагается, что в основе
го грозного синдрома лежит какое-то генетическое нарушение, ослабляющее регуляцию дыхания и сердца во сне.
Кроме этого, существует еще одно, к сожалению, чаще встречающееся заболевание, называемое синдромом внезапной смерти младенцев. При этом происходит внезапное прекращение дыхания и остановка сердца во сне у детей на третьем месяце после рождения. Причиной этого предполагаются также какие-то скрытые дефекты регуляции дыхания и работы сердца во сне. Показано, кроме того, что риск внезапно умереть во сне от остановки дыхания и сердца резко возрастает после приема алкоголя, особенно хронического, при передозировке барбитуратов и некоторых других лекарств, при гипоксии в условиях высокогорья и т. д. Изучение физиологии сна морских млекопитающих, представляющее, казалось бы, чисто академический интерес, дает уникальную модель для фармакологических и экспериментальных исследований взаимосвязи между дыханием и сном и, безусловно, окажет большую услугу медицине будущего.
КИТЫ-НЕ САМОУБИЙЦЫ
Почему киты выбрасываются на бе-^ per? Биологи давно ищут ответ на этот^ вопрос. Из всех морских животныхи только у китообразных наблюдается подобное явление. Согласно одной из гипотез у китов проявляется стадное чувство. За вожаком на берег устремляется все стадо. А почему сам вожак решил выброситься? Неясно. К тому же наблюдались случаи, когда большое стадо дробилось на группы, которые
сами по себе выбрасывались на сушу. Другое любопытное предположение связано с тем, что животных поражали неизвестные смертельные заболевания или психические расстройства. Не дожидаясь рокового исхода, они кончали жизнь самоубийством. Но недавние исследования опровергли эти предположения. Обследовав большое количество мертвых китов, ученые установили, что чаще всего причиной смерти служил разрыв сердца, нарушения кровообращения или функции почек. Судя по всему, животные попадают в стрессовое состояние при внезапном изменении направлений морских течений или оказавшись в других непривычных условиях. Ослабев, они уже не могут справиться с прибоем. И он выбрасывает их на берег.
ПИНГВИНЫ-РЕКОРДСМЕНЫ
Пингвины проводят значительную часть времени в море. А как долго они могут находиться, под водой? С какой скоростью 'Хплавают? Ответы на эти вопросы пытались найти полярникифизиологи. Двести пятьдесят раз ученые спускались с аквалангом в холодные глубины, чтобы зарегистрировать максимальное пребывание пингвинов "од водой. Оно оказалось равным 18 минутам и превысило рекорд всех остальных морских птиц и некоторых млекопитающих. Зарегистрирована и ^^^мальная глубина погружения: на пленке сняты пингвины, которые спокойно делают круги у морского дна "а глубине 266 метров. Эти факты вынуждают ученых вновь взяться за изучение систем дыхания и регулирования кровяного давления пингвинов.
ЗАГАДОЧНЫЙ НАУТИЛУС
В Оружейной палате Московского Кремля есть экспозиция изделий из раковин наутилуса. Они напоминают удивительной красоты бокалы нежнейших перламутровых оттенков. Об этих загадочных животных рассказывает доктор геолого-минералогических наук, профессор Палеонтологического института Академии наук СССР В. Шиманский: "Мое первое знакомство с наутилусом было любопытным: в Доме пионеров я увидел необычные распиленные раковины, украшавшие стены "грота". После расспросов я узнал имя и адрес мастера, который здесь работал, и поспешил к нему. Это был специалист по созданию "зимних садов" в богатых особняках. В свое время он внимательно следил за поступавшими в Россию коллекциями и однажды с аукциона купил одну коллекцию из Индии, где было довольно много раковин наутилусов.
Наутилус-это уникальное животное, единственный представитель головоногих моллюсков с наружной раковиной, сохранившийся до наших дней. Является он отдаленным родственником кальмаров, но сейчас эту связь очень трудно проследить. Головоногие с наружной раковиной появились в морях планеты более 500 миллионов лет назад. Некоторые из них имели не спиральную, а прямую раковину, достигали нескольких метров в длину и действительно напоминали небольшие подводные лодки. Тогда эти животные, способные благодаря особому "ракетному аппарату" в передней части тела передвигаться как вперед, так и назад,
188
189
были, вероятно, опасными хищниками. И подумать только - предки наутилуса плавали в теплых морях, существовавших на месте нашего Подмосковья более 300 миллионов лет назад, в юрских морях Донбасса более 1 50 миллионов лет назад. Это выяснено учеными по окаменевшим раковинам, привозимым из экспедиций. На некоторых раковинах можно увидеть "шрамы". В море у наутилусов врагов хватало. Но в случае повреждения раковины наутилус начинал быстро расти, образовывался новый оборот спирали, моллюск дорастал до "пробоины" и "заделывал" ее выделяемым мантией раковинным веществом.
Наутилусы обитают у островов на границе Тихого и Индийского океанов. Сам моллюск в своей раковине занимает жилую камеру. Перед погружением на дно животное заполняет водой другую камеру - балластную. Но есть в раковине и камера со смесью газов. Перед всплытием наутилус нагнетает ее в свои гидростатические "баллоны". Газы делают раковину почти невесомой, и она оказывается на поверхности моря. Внутреннее давление дает животному возможность опускаться на 600-700 метров, где давление воды несколько десятков атмосфер. И раковина выдерживает!
Изучением наутилуса занимаются сейчас ученые разных стран, так как это позволит понять строение и жизнь огромной группы ископаемых головоногих - группы, очень важной для геологов при определении относительного возраста земных пород. И знаете, живой наутилус оказался загадочнее того, которым командовал капитан Немо".
ГОЛУБЬ-ВОДОНОС
Зоологи сумели раскрыть тайну необычного поведения сенегальского голубя. Самки этого особого вида птиц откладывают только два яйца, которые в течение двадцати дней по очереди насиживают оба родителя. До того момента, как голубка отложила яйца, птицам нетрудно было летать к водоему и утолять жажду, но что делать во время высиживания? И как поить птенцов? Природа позаботилась и об этом - роль самца здесь исключительно важна. Пока матери заботятся о птенцах, отцы несколько раз в день собираются в стаи и летят к ближайшему водоему, где в первую очередь купаются. В это время перья у них на животе, имеющие особое строение, наполняются водой. И когда отец возвращается, малыши забираются под его живот и высасывают из перьев воду, которая там задержалась. Со стороны может показаться, будто самец кормит птенцов грудью.
ГНЕЗДО ИЗ ПРОВОЛОКИ
По сообщению Энтони Дэвиса, члена Бомбейского общества естественной истории, в больших городах Индии и Бангладеш вороны стали строить свои гнезда не из веточек деревьев или \
QOCJMMOK, а из проволоки и металлических полос - отходов металлообрабатывающих предприятий. Такие гнеза прочнее, а к тому же темный металл ^оглощает солнечные лучи, и это тепло ^д^ой-то мере помогает при насиживании яиц. Удобно и то, что проволочные гнезда лучше держатся на гладких поверхностях, например на телеграфных столбах.
КРОКОДИЛЫ
ЛУЧШЕ СВОЕЙ РЕПУТАЦИИ
Крокодилы - вовсе не прожорливые существа, немедленно хватающие все живое, что окажется вблизи их страшных челюстей. Это утверждают ученые исследовательского зоологического центра в Хайдарабаде, на юге Индии, потратившие более десяти лет на изучение жизни и привычек крокодилов. По их данным, взрослые крокодилы, весящие около 60 килограммов, поглощают количество пищи, равное их весу, в течение чрезвычайно долгого времени-двух с половиной лет! Двух килограммов пищи хватает им на месяц! Столь скромные потребности в пище никак не вяжутся с легендами о кровожадности крокодилов. Только самки крокодилов становятся агрессивными, когда они во время высиживания потомства караулят гнездо с тремя десятками яиц. Чаще всего крокодилы питаются мелкими рептилиями, птицами и насекомыми. Обвинения рыбаков в том, что крокодилы поглощают огромное количество рыбы, тоже безосновательны. Это подтверждено наблюдениями на реке Чамбал на северо^паде Индии: выпущенные там
реста крокодилов не повлияли на количество рыбы. В Индии снова насчитывается теперь 7000 крокодилов, живущих преимущественно в заповедниках. Когда в 1975 году началась кампания по спасению крокодилов, обреченных на вымирание, их оставалось в стране всего лишь семьдесят экземпляров.
ЧУЖОЙ мозг
Пересадка сердца сейчас уже никого не удивляет. А как насчет мозга? Такие операции вроде бы никто еще не делал. Но проблемой этой ученые занимаются. Например, в Институте общей генетики поставили опыты с перекрестной трансплантацией мозга у зародышей лягушек из двух разных семейств - травяных и шпорцевых. Исследователей интересовало, как после пересадки мозга изменится поведение взрослых лягушек. Дело в том, что травяные лягушки после окончания метаморфозы головастиков всегда выходят из воды на сушу и питаются насекомыми, выбрасывая язык, которым они хватают добычу. А шпорцевые лягушки остаются в воде и едят мотыля, трубочника и других водных обитателей.
В течение четырех лет ученые вели перекрестные пересадки среднего, заднего, а иногда и промежуточного мозга. И вот что выяснилось. Трансплантация мозга от травяных лягушек к шпорцевым была безуспешной: зародыши погибали через пять-семь дней после операции. А вот при обратной пересадке успешными оказались 7,4 процента опытов - в них химерные головастики выживали и превращались во внешне обычных травяных лягушек.
Но 30 процентов из них вели себя необычно - не выходили из воды и не ловили мушек, которых подпускали к ним экспериментаторы. То есть переняли образ поведения шпорцевых лягушек.
Результаты этих опытов еще не совсем однозначны. Но, как говорится, лиха беда начало.
САРАНЧА И ЭВМ
Тысячами движений насекомого во время полета могут управлять всего три нейрона-к такому выводу приходят исследователи из Института эволюционной физиологии и биохимии имени И. М. Сеченова АН СССР. Биологическая ЭВМ насекомого, считают исследователи,- своеобразная модель для новейших типов электронно-вычислительной техники.
Слышны завывания ветра, упругие потоки воздуха ударяют о стенки аэродинамической трубы, они снова и снова пытаются сдвинуть с места маленькое крылатое существо. Но тщетно, саранча (а это именно она помещена в трубу) умело сопротивляется воздушному потоку, в особом ритме работают ее крылья, как бы предугадывая меняющееся направление искусственного ветра.
Х Как предчувствует насекомое эти изменения, как его нервная система управляет сложным полетом? Ответы на эти вопросы поможет дать эксперимент в аэродинамической трубе.
С первыми же струями воздуха закрепленное в трубе насекомое начинает взмахивать крыльями и будет "лететь" на месте, пока не прекратится ветер. Может быть, он и заставляет
саранчу махать крыльями, как заставляет вращаться бумажную вертушку или трепетать полотнище флага? Нет прозрачные крылья вздымаются ритмично, с одинаковой частотой и амплитудой. Но стоит повредить волоски на голове саранчи, и крылья становятся безжизненными.
В специальной камере, позволяющей наблюдать начальные стадии полета спокойно сидит саранча. Сидит недвижимо, словно брошка из серого камня, даже короткие усики не шевелятся. Но вот на одной из стенок камеры начинают работать воздушные сопла, имитирующие ветер. Саранча настораживается, разворачивается навстречу ветру и с поразительной пунктуальностью в тот момент, когда скорость ветра достигает именно 3,5 метра в секунду, подпрыгивает и, используя встречный воздушный поток, пытается набрать высоту. Камера не позволяет ей это сделать. А в естественных условиях стая в миллиарды голов почти одновременно подпрыгивает, набирает высоту и... разворачивается по ветру. Почему по ветру? Да потому, что ветер дует из области высокого давления в область низкого, а именно там идут дожди, зеленеют луга и поля, много еды.