На первый взгляд между фруктовыми мушками, осьминогами, птицами и людьми нет ничего общего. Одни живут на суше, другие — в воде. Одни летают, другие передвигаются по земле. Одни позвоночные, другие — нет. Эти существа развивались обособленно, и их общие предки находятся далеко-далеко друг от друга в эволюционной цепочке. Но у них есть одна фундаментальная особенность: они видят сны.
Почти все существа спят, хотя некоторые споры возникают по поводу одноклеточных организмов вроде инфузории-туфельки. Но никто толком не знает почему. Долгие годы исследователи обсуждают теории о том, что сон полезен для памяти, роста и обучения — и ясно, что людям сон нужен, чтобы нормально функционировать — но на самом деле известно не так уж и много. «Сон — это большой черный ящик», — говорит нейробиолог из Университета штата Вашингтон Маркос Фрэнк. Фрэнк сравнивает сон с загадочным органом: очевидно, что он существует и жизненно важен для здоровья животных, но его точная функция и механизмы, контролирующие его, до сих пор неизвестны.
Еще более загадочно то, что у одних видов, кажется, только одно состояние сна, во время которого их мозг относительно спокоен, а у других — два: спокойное и активное. У людей период, когда мозг активизируется, называется сном с быстрым движением глаз (REM). В это время мы видим сны и нам труднее всего проснуться.
Долгое время ученые не наблюдали эту более глубокую, активную фазу сна у земноводных или рептилий. Поэтому до недавнего времени считалось, что она развилась позже в истории — у общих предков птиц и животных. Но в 2016 году активный сон был зафиксирован у ящериц. Затем в 2019 году это состояние было описано у каракатиц, а в марте этого года группа ученых из Бразилии опубликовала в iScience статью, в которой быструю фазу сна идентифицировали у осьминогов. Эти головоногие моллюски эволюционировали за много веков до появления существ, имеющих общих предков с птицами и людьми. «Здесь общий предок невозможен», — говорит Фрэнк. Теперь ученые задаются вопросом: это состояние сна более распространено, чем они первоначально предполагали, или развилось у разных видов в разное время, как крылья и умение летать возникли отдельно у насекомых, летучих мышей и птиц (явление, называемое конвергентной эволюцией).
Если ученые смогли бы понять, как именно естественный отбор вызвал эту адаптацию и сохранение кодирующих ее генов, то стало бы яснее, какую функцию выполняют сновидения для центральной нервной системы и почему сон вообще важен. «Что сон означает для животных?» — вопрошает соавтор статьи и директор Института мозга Федерального университета Риу-Гранди-ду-Норти Сидарта Рибейро.
Первый шаг в изучении того, как спят животные — выяснить, когда они на самом деле спят. Это сложнее, чем кажется. «Представьте, что вы были на Марсе и нашли организм, — говорит Фрэнк. — Как узнать, спит он или нет?»
Млекопитающим ученые могут вживлять электроды в мозг, чтобы отслеживать, как вспыхивают их нейроны. Но у осьминогов особая центральная нервная система. Вместо одного мозга, контролирующего ее, у них в «руках» восемь ганглиев, которые часто действуют независимо друг от друга.
Вместо того, чтобы использовать для определения состояния сна осьминогов инвазивный метод, вроде прикрепления детекторов, ученые изучили некоторые их поведенческие характеристики. Сильвия Медейрос, аспирантка и ведущий автор исследования, протестировала пороги активации животных. Три из четырех осьминогов в лаборатории получали визуальный стимул — видео с движущимися крабами. Четвертый получал вибрационный стимул в виде легкого постукивания по резервуару. Медейрос хотела посмотреть, как быстро они отреагируют на раздражители, когда бодрствуют. Затем она проверила их, когда они казались неактивными, и измерила их реакции. Более медленная реакция означала, что они спали крепче.
Команда также настроила на спящих животных камеры, чтобы наблюдать за изменениями рисунков на их коже, которые дают подсказки об активности мозга. Бодрствуя, осьминоги меняют цвет во время ухаживаний, когда дерутся за территорию и когда прячутся от хищников. Эти изменения всегда происходят в ответ на то, что происходит вокруг. «Мы обнаружили, что во сне это изменение цвета не связано с тем, что происходит в тот же момент в окружающей среде», говорит Медейрос. Вместо этого осьминоги демонстрировали фантастические узоры, не имевшие ничего общего со стимулами реального мира, такими как близость других существ или необходимость маскироваться. Поскольку двигательные нейроны мозга контролируют эти изменения кожного рисунка, возможно, что эти закономерности возникают из-за сновидений.
Например, в работе группы описывается состояние, названное «пятьдесят на пятьдесят»: осьминоги демонстрировали поразительный рисунок, когда одна половина животного была полностью белой, а другая — полностью черной. Этот рисунок обычно появляется во время ухаживания или драки за территорию. Поскольку было очевидно, что спящие животные не участвуют в этих действиях, исследователи задались вопросом, видят ли они сны об этих сценариях и транслируют ли их на своей коже. Но у команды есть оговорка: осьминоги в тот момент не находились в самом глубоком сне, поэтому возможно, этот градиент означает, что животные засыпают.
Несмотря на то, что исследование группы включало всего четыре осьминога, что может показаться небольшой выборкой, это нормально для такого рода исследований, говорит Тереза Иглесиас, изучающая поведение животных в Институте науки и технологий Окинавы. Она была ведущим автором исследования каракатиц в 2019 году. Иглесиас уверена в надежности результатов, потому что поведение животных было последовательным: у трех осьминогов время реакции было одинаковым, в зависимости от того, насколько они бодрствовали. (Один осьминог был исключен из результатов теста на активацию по техническим причинам.) Все четверо изменили цвет во время активного сна.
По словам Иглесиас, появляются «все более веские доказательства» того, что головоногие действительно видят сны. Во время эксперимента с каракатицами ей не удалось выяснить, когда животные полностью спят. Их пороги активации были непостоянными. После нескольких недель записи она решила просмотреть видеозаписи, чтобы найти другие индикаторы, которые могли бы дать ключ к разгадке. Именно тогда она заметила изменения кожи. Как и у осьминогов, эти рисунки не совпадали ни с чем, что происходило во внешнем окружении животных. «Мы наблюдаем нейронную активность кожи», — говорит она.
Обнаружение этого поведения — первый шаг к его пониманию, но Иглесиас предупреждает, что нельзя сказать, будто мы знаем, что воспринимает животное. По ее словам, как только вы выйдете за рамки количественных наблюдений, «наступит более сложная часть — вопросы. Что они думают? Что они чувствуют? О чем переживают? Это большой скачок».
Сновидения головоногих могут быть не совсем такими, как у людей. Бразильская команда обнаружила, что активная фаза сна у осьминогов длится меньше минуты, что молниеносно быстро по сравнению с часом, который могут провести в фазе быстрого сна люди. Более длинный цикл быстрого сна дает человеческим сновидениям сложные и запутанные сюжеты, полные характеров и символики. Если осьминоги действительно видят сны, то они, по мнению Медейрос, скорее всего очень короткие, вроде видеоклипа или гифки. Иглесиас говорит, что сны каракатиц могут быть еще короче.
Несмотря на то, что состояние активного сна непродолжительное, оно может быть опасным. Животные уязвимы, когда крепко спят. Они могут не услышать приближения хищника, а в случае осьминога сон может испортить маскировку, поскольку кожа реагирует на то, что ему снится.
Исследователи считают, что такое опасное поведение могут себе позволить только те, кто имеет какое-то эволюционное преимущество. Рибейро предполагает, что активный сон может быть временем для взаимодействия различных областей мозга и укрепления нейронных связей на основе того, что животное испытало или узнало за день. Также во время сна воспоминания перемещаются из кратковременного хранилища в долговременное. Он отмечает, что птицы щебечут свои песни во время активного сна. «Может быть, быстрый сон необходим для обработки памяти во всех областях мозга, — говорит Рибейро. — Это пригодится животным со сложным, многосоставным мозгом». Он отмечает, что у плодовой мушки, которая проявляет признаки активного сна, мозг небольшой, но у него много частей, которые, возможно, нуждаются в коммуникации. Так же, как люди, мыши и птицы, плодовые мушки переживают цикл сна, когда их мозг очень активен — почти так же активен, как во время бодрствования — но они все равно не реагируют на визуальные стимулы и крепко спят.
Возможно, что и многие другие животные видят сны, хотя мы об этом и не знаем. Иглесиас отмечает, что люди ищут активный сон, который похож на наш собственный, с таким поведением, как быстрое движение глаз и снижение порога активации. Но то, что животные ведут себя иначе, не означает, что они не переживают что-то подобное — мы просто еще не знаем, на что обращать внимание.
Медейрос и Рибейро уже планируют новые исследования, чтобы проверить, помогает ли сон осьминогам сохранять информацию и изучать новые задачи, и вынудит ли их лишение сна одной ночью спать больше в следующую. Эта информация поможет понять, похож ли сон осьминога на человеческий или он выполняет другую функцию. Но мы, возможно, никогда не узнаем, видят ли сны осьминоги, дрозофилы и птицы. «Есть один организм, который определенно видит сны, — говорит Фрэнк. — Это люди. Потому что они об этом рассказывают».