Ученые выяснили, почему люди и животные нуждаются во сне

Все многоклеточные живые существа тратят примерно треть своей жизни на сон из-за того, что в это время клетки их мозга проводят масштабные «ремонтные работы» по починке своей собственной ДНК. Это объясняет существование этой странной формы поведения, пишут ученые в журнале Nature Communications.

«Этот процесс можно сравнить с ямочным ремонтом на автострадах. Выбоины и трещины постоянно появляются на дорожном полотне во время движения машин, особенно в час пик, однако чинить их рациональнее всего ночью, когда ремонтным работам никто не мешает», — рассказывает Лиор Аппельбаум (Lior Appelbaum) из университета Бар-Илана в Рамат-Гане (Израиль).

Как сегодня считают ученые, мозг и гормональная система человека и всех остальных животных постоянно вырабатывает два типа сигналов – один из них заставляет организм спать, а другой – не дает ему заснуть. Колебания в силе этих сигналов, порождаемые суточными ритмами, заставляют нас засыпать ночью и просыпаться утром, и нарушения в их работе могут приводить к развитию бессонницы или нарколепсии.

В последние годы биологи находят все больше следов того, что эти сигналы влияют не только на желание поспать, но и на работу многих клеточных систем. В частности, нарушения сна оказались связаны с ускоренным развитием болезни Альцгеймера, быстрым старением всех клеток тела и многими другими серьезными проблемами со здоровьем.

Все эти открытия, как отмечают Аппельбаум и его коллеги, не дают ответа на главный вопрос – что именно происходит в мозге и в других частях организма во время сна. Часть ученых считает, что в это время тело чинит повреждения, а нервные клетки запоминают или отбрасывают накопленную за день информацию, однако ни ту, ни другую теорию строго никто не проверял.

Израильские молекулярные биологи проверили эти идеи и раскрыли реальную причину того, почему нашему мозгу нужен сон, обратив внимание на одну необычную особенность нейронов – их длительная и повышенная активность ведет к накоплению разрывов и других серьезных поломок в их ДНК.

Это заставило ученых предположить, что мозг использует время сна для ускоренной починки подобных повреждений двойной спирали и других процедур по «зачистке» клеток от повреждений. Они проверили, так ли это на самом деле, поменяв геном рыб-зебр таким образом, что концевые участки их хромосом начали светиться.

Дополнительно ученые встроили аналогичные сегменты ДНК в другой набор генов, благодаря чему нейроны начали испускать вспышки света при их активации. И те, и другие модификации позволили израильским исследователям проследить за тем, как отличается работа нервных клеток во время сна и бодрствования.

Как оказалось, хромосомы в нейронах рыб-зебр почти не двигались и оставались в частично «свернутом» состоянии в те времена, когда их обладатель продолжал бодрствовать. Когда рыба засыпала, «размах» движений нитей ее ДНК вырастал почти в два раза, из-за чего хромосомы начинали постоянно менять свою пространственную конфигурацию.

Параллельно происходили два других важных изменения – уровень электрической активности связанных друг с другом групп нейронов заметно падал, а число молекул, участвующих в починке разрывов в геноме, наоборот, достигало необычно больших значений.

Открыв эту необычную взаимосвязь, ученые проверили, что произойдет, если помешать хромосомам двигаться. Для этого они вставили в геном рыб-зебр дополнительные копии гена Lap2B, отвечающего за производство особого белкового «клея», скрепляющего хромосомы, и проследили, как это изменение повлияет на жизнь нейронов.

Эти опыты подтвердили подозрения ученых – блокировка перемещений хромосом резко замедлила починку ДНК и привела к тому, что число повреждений в геноме ночью начало не падать, а расти. Соответственно, сон и связанные с ними процессы внутри нейронов оказались критически важными для их выживания и поддержки работоспособности.

«Несмотря на то, что сон мешает нам воспринимать опасности в окружающей среде, все живые существа, начиная с медуз и заканчивая человеком, нуждаются в подобном периоде покоя для эффективной починки ДНК. Скорее всего, это и есть причина того, почему эта форма поведения возникла в далекой древности и дожила до наших дней», — заключает Аппельбаум.