Что слепая рыба может рассказать нам о сне?
Почти все животные, изученные на сегодняшний день, спят. Широко распространено мнение, что сон критически важен для выживания, однако функции сна остаются неясными. Мексиканские пещерные рыбы несколькими способами приспособились к жизни в пещерах, но они также эволюционировали, чтобы спать меньше, чем рыбы, обитающие на поверхности. Эти рыбы используются учеными для изучения того, как сон регулируется в зависимости от окружающей среды. В этой статье описаны различные эксперименты, которые можно провести с пещерными рыбами для изучения сна, и почему эти эксперименты могут быть полезны для людей. Результаты этих экспериментов позволяют предположить, что на различия во сне влияет вещество под названием гипокретин. Подобные эксперименты помогают исследователям лучше понять, как сон эволюционировал с течением времени, и разработать методы лечения людей, страдающих от расстройств сна.
Введение
Сон - это почти универсальное поведение, которое было определено у самых разных животных - от медузы до человека. Ученые регулярно используют животные модели, такие как плодовые мушки, зебрафиши и мыши, а также сложные инструменты для изменения генов, чтобы изучить, как мозг регулирует сон. Эти исследования показали, что гены и нейроны (нервные клетки), контролирующие сон, схожи у всех видов животных, что позволяет предположить, что сон имеет древнюю функцию, которая имеет решающее значение для выживания. Несмотря на эти открытия, функция сна остается малоизученной. Один из главных вопросов для ученых - понять, как сон эволюционирует в различных условиях, и почему одним видам, например слонам, требуется всего несколько часов сна в день, а другие, например броненосцы, спят почти весь день [ 1 ].
Вопросы эволюции часто можно решить, выявив животных, которые сильно отличаются от других, например, нуждающихся в чрезмерном или ограниченном количестве сна, и изучив гены, которые играют роль в этих различиях. Простые животные, такие как маленькие рыбки, часто используются в исследованиях поведения, поскольку их небольшой размер облегчает проведение экспериментов. Мексиканская пещерная рыба (научное название Astyanax mexicanus) особенно полезна для изучения эволюции поведения, поскольку разные популяции этой рыбы резко отличаются по поведению от обитающих в реках поверхностных рыб того же вида. Эти рыбы существуют в виде по меньшей мере 29 безглазых популяций, обитающих в пещерах, и в виде безглазых поверхностных рыб, живущих в реках Мексики и Южного Техаса (рис. 1) [ 2 ]. Обитающие в пещерах популяции, вероятно, являются поверхностными рыбами, которые оказались в ловушке в пещерах, что привело к изменению их внешнего вида и поведения. Несмотря на то, что они обитают в совершенно разных пещерах, пещерные популяции приобрели много одинаковых характеристик. Некоторые из этих особенностей обусловлены различиями в строении и деятельности мозга, которые эволюционировали, чтобы помочь пещерным рыбам лучше справляться с пещерной средой. Одно из интересных различий между пещерными и живущими на поверхности популяциями мексиканских пещерных рыб заключается в количестве сна у каждой популяции. Пещерные рыбы спят значительно меньше, чем поверхностные [2]. Поскольку все популяции относятся к одному виду, они
Жизнь в пещере
Есть несколько очевидных различий между реками и пещерами, в которых обитают разные популяции A. mexicanus. Пожалуй, самое очевидное - это отсутствие света в пещерах, которые скрыты от солнечных лучей. Постоянная температура в пещерах и отсутствие солнечного света препятствуют росту растений, которые обычно составляют нижнюю часть пищевой цепи. Двумя основными источниками питания в пещерах, вероятно, являются помет летучих мышей и питательные вещества, которые заносятся в пещеры во время сезонных наводнений [ 3 ].
Недостаток света оказывает еще одно существенное влияние на обитателей пещер: глаза не особенно полезны. Мы полагаем, что, когда рыбы впервые попали в пещеры, те, у кого глаза были меньше, имели больше шансов выжить и произвести потомство, поскольку маленькие глаза помогали им экономить энергию. Через много поколений выживание рыб с меньшими глазами в конце концов привело к появлению рыб, у которых полностью отсутствуют функциональные глаза [2]. Мексиканские пещерные рыбы и другие организмы, потерявшие глаза таким образом, полагаются на другие органы чувств, такие как обоняние, вкус или ощущение потока воды. Ученые задаются вопросом, влияет ли потеря глаз и изменения в других органах чувств, сопровождающие потерю глаз, на количество сна, необходимого пещерным рыбам.
Почему пещерные рыбы спят меньше?
Наша способность доказать или опровергнуть эту гипотезу ограничена отсутствием полного представления о естественной среде обитания рыбы. В лаборатории рыбу выращивают в постоянных, контролируемых условиях, которые сильно отличаются от условий реки или пещеры. В лаборатории рыбу содержат в стандартных аквариумах с освещением в течение 10 часов каждый день. Хотя содержание обоих видов рыб в одинаковых условиях необходимо для экспериментов по сравнению поверхностных и пещерных обитателей, эта процедура может не отражать естественную среду обитания животных. По этой причине ученые организуют экспедиции в пещеры, чтобы собрать данные о том, как меняются со временем температура и уровень питательных веществ. Эти эксперименты затруднены, поскольку пещеры изолированы и часто труднодоступны. Кроме того, измерение поведения во время сна в дикой природе представляет особую сложность. В ходе недавней экспедиции мы собрали образцы воды из нескольких пещер и сравним ДНК в воде, что расскажет нам о животных и растениях, обитающих в каждой пещере. Используя информацию, полученную в пещерных экспедициях, ученые смогут лучше понять значение результатов лабораторных исследований и разработать новые эксперименты, чтобы проверить влияние конкретных факторов окружающей среды, таких как наличие пищи или температура, на эволюцию различных моделей сна у поверхностных и пещерных рыб.
Какие методы мы можем использовать для изучения сна у пещерных рыб?
Ученые часто выявляют различия в работе мозга, используя сложные способы наблюдения за ним. Один из них - использование флуоресценции, то есть химических веществ, излучающих свет, для маркировки участков мозга с определенными типами нейронов. По сути, ученые берут флуоресцентный ген (обычно из медузы) и с помощью специальных методов вырабатывают его в определенных типах нейронов у рыб. Эта техника заставляет целевые нейроны светиться под специальным микроскопом. Затем ученые могут искать различия в размере, форме или количестве нейронов у рыб, обитающих в пещерах и на поверхности. Такие различия между популяциями нейронов могут дать ключ к разгадке того, как мозг регулирует поведение рыб. Например, мы использовали флуоресценцию для мечения нейронов, вырабатывающих гипокретин, небольшой белок, который предотвращает сон. Мы обнаружили, что в мозге пещерных рыб больше нейронов, вырабатывающих этот пептид, чем в мозге поверхностно обитающих рыб (рис. 3) [ 6 ]. Эти данные свидетельствуют о том, что гипокретин, возможно, эволюционировал для сокращения сна у пещерных рыб.
Поскольку пещерные и поверхностные рыбы так похожи, сравнение их геномов (всех их генов) - это мощный способ выявить гены, которые могут контролировать различные виды поведения, например сон. Выявив интересующий ген, ученые могут использовать специальные методы для удаления, изменения или вставки генов в эмбрионы рыб, чтобы создать генетически модифицированных животных [ 7 ]! Например, эти методы использовались для уменьшения количества гипокретина в мозге пещерных рыб, что привело к увеличению количества сна [6]. Однако тот же эксперимент с рыбами, обитающими на поверхности, не дал никакого эффекта. Эти данные подтверждают возможность того, что гипокретин участвует в различиях сна пещерных и наземных рыб.
Ученые также могут разводить обитающих в пещерах рыб с обитающими на поверхности, чтобы получить гибридных рыб, которых интересно изучать. Эти рыбы отличаются по внешнему виду и продолжительности сна. Протестировав каждую рыбу на предмет сна, а затем секвенировав ее геном - этот процесс называется картированием локусов количественных признаков, - ученые могут определить области генома (а иногда и отдельные гены), которые регулируют сон [ 8 ]. Например, если ученый протестирует 2 000 рыб и большинство из них, которые не спят, имеют определенный ген, этот ген будет идентифицирован как потенциально способствующий сну. Затем этот ген можно будет изучить более подробно, чтобы выяснить, как он влияет на сон.
Еще один мощный метод изучения сна у пещерных рыб - скрининг лекарств. Рыб купают в различных лекарствах, чтобы попытаться найти препараты, способные заставить пещерных рыб больше спать.
В совокупности эти методы изучения сна пещерных рыб помогут нам понять, почему пещерные рыбы спят меньше, чем поверхностно обитающие. Хотя мы многое узнали о различиях во сне между этими двумя видами рыб, нам предстоит еще много работы!
