Что такое «сон» у растений и животных: есть ли разница?

Биологические критерии сна у животных

В нейробиологии состояние сна определяют по набору поведенческих и физиологических признаков. Животное принимает специфическую позу покоя, выбирает безопасное место и перестает активно реагировать на слабые звуки или световые вспышки. При этом сон остается полностью обратимым состоянием. Сильный раздражитель возвращает организм к бодрствованию за доли секунды, чем сон принципиально отличается от комы или наркоза.

У позвоночных животных сон сопровождается сменой ритмов электрической активности мозга, которую фиксируют на электроэнцефалограмме. Выделяют фазу медленного сна с синхронными низкочастотными дельта-волнами и фазу быстрого сна с быстрыми несинхронными ритмами и быстрыми движениями глазных яблок. Состоянием управляет гомеостатическое давление. Чем дольше организм бодрствует, тем сильнее в нервной ткани накапливается метаболит аденозин. Позже это компенсируется восстановительным сном повышенной глубины и длительности.

Во время сна включается глимфатическая система мозга. Астроглиальные клетки уменьшаются в объеме, межклеточное пространство спинномозговой жидкости расширяется примерно на шестьдесят процентов, и поток жидкости вымывает накопленные за день токсичные белки, включая бета-амилоиды. Параллельно синапсы оптимизируются, происходит консолидация памяти и перевод информации из гиппокампа в долговременные отделы коры больших полушарий.

Как устроен ночной покой растений

Растения ночью опускают ветви, прижимают листья к стеблю или сворачивают венчики цветков. Это явление открыли еще во времена античности и назвали никтинастиями, что в переводе с греческого означает ночные движения. В основе процесса лежит изменение тургорного давления, то есть степени наполненности растительных клеток водой.

В сочленениях черешков листьев и у оснований лепестков расположены специализированные моторные органы, подушечки или пульвинусы. Клетки пульвинуса работают как миниатюрные гидравлические насосы. Под действием внутренних сигналов мембранные транспортеры начинают активно перекачивать ионы калия и хлора из цитоплазмы одних клеток в соседние ткани. Вслед за ионами по закону осмоса устремляется вода. Клетки на одной стороне сочленения теряют упругость и сжимаются, а клетки на противоположной стороне раздуваются. В результате черешок листа механически изгибается, заставляя лист опуститься.

Никтинастии часто путают с фототропизмом, но между ними есть принципиальная разница. Фототропизм представляет собой направленный необратимый ростовой изгиб побега к источнику света, вызванный перераспределением гормона ауксина и делением клеток. Никтинастии не требуют клеточного деления и постоянного роста тканей. Это обратимая гидравлическая деформация, способная повторяться ежедневно на протяжении всей жизни побега.

Молекулярные часы растений и животных

Общим фундаментом для поведения растений и сна животных выступают циркадные ритмы. Это автономные суточные колебания биохимических реакций с периодом около двадцати четырех часов. Однако центральный механизм управления этими ритмами у них разный.

У млекопитающих главным водителем ритма служит супрахиазматическое ядро гипоталамуса, объединяющее примерно двадцать тысяч нейронов. Информация о свете попадает туда через рецепторы сетчатки глаза, содержащие пигмент меланопсин. На молекулярном уровне внутри клеток работают пары генов и белков CLOCK и BMAL1, которые стимулируют синтез собственных репрессоров PERIOD и CRYPTOCHROME. Накопление этих репрессоров блокирует работу активаторов, пока белки не распадутся, замыкая суточный цикл.

У высших растений управляющего нервного центра нет, поэтому автономные осцилляторы функционируют практически в каждой отдельной растительной клетке. В качестве рецепторов света выступают фитохромы для красного спектра и криптохромы для синего. Внутренний молекулярный маятник растений формируют белки CCA1, LHY и TOC1. Утренние белки CCA1 и LHY блокируют вечерний ген TOC1, а к закату концентрация утренних белков падает, позволяя белку TOC1 активировать новый круг утренней транскрипции. Часы растений жестко согласованы с фазами фотосинтеза, фиксацией углекислого газа и распределением крахмала.

Эволюционные задачи ночного состояния

Разница в организации живых систем определяет цели, ради которых организмы снижают активность в темное время суток.

• Животные используют сон для регенерации нейронных связей, сортировки информации в памяти и биохимической очистки нервной системы от метаболических отходов бодрствования.
• Растения по ночам переключаются на темновую фазу дыхания, перераспределяют накопленные за день запасы сахарозы и транспортируют их от листьев к корням и плодам.
• Складывание листовых пластинок защищает растения от избыточных теплопотерь путем инфракрасного излучения в открытое ночное небо.
• Смыкание лепестков предотвращает растворение и вымывание пыльцевых зерен конденсатом ночной росы, сохраняя способность цветка к опылению дневными насекомыми.