Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
https://wos-scopus.com
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №37 (сентябрь) 2016
Разделы: Биотехнологии, Физика, Науки о Земле
Размещена 29.09.2016.

Возможности управления поведением гидробионтов путем использования электромагнитных полей КНЧ-диапазона

Фролова Наталия Сергеевна

-

Российский государственный гидрометеорологический университет

ассистент кафедры океанологии

Степанюк Иван Антонович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры океанологии РГГМУ; Зимин Алексей Вадимович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры океанологии РГГМУ; Хотченков С.В., Нестерова (Трунина) Т.В.: инженеры РГГМУ.


Аннотация:
В работе приводятся и анализируются результаты экспериментов по поведению ряда гидробионтов в неоднородных переменных магнитных полях (ПеМП) и в неоднородных электрических полях (ПеЭП) крайне низкочастотного диапазона (КНЧ). Выявлены реакции «отпугивания» на некоторых «активных» частотах, а также реакция «привлечения». Оценивается возможность создания технологий управления поведением гидробионтов в реальных условиях их жизнедеятельности, в особенности – технологий создания электромагнитных «барьеров», препятствующих передвижению гидробионтов в нежелательных направлениях.


Abstract:
The results of the experiments on some fish behaviour in the heterogeneous alternating magnetic and electrical fields of extremely low-frequency band are analyzed in the scientific research. The fish reactions of «deterrence» and «attraction» on active frequencies have been determined. The authors have tried to estimate an opportunity to create some technologies of the fish behaviour control in the real-life conditions. The special attention has been paid to creating of the electromagnetic «barriers» preventing from fish moving in the undesirable directions.


Ключевые слова:
гидробионты; поведение; отпугивание и привлечение; электромагнитные поля; управление поведением; электромагнитные барьеры.

Keywords:
fish; behaviour; «deterrence» and «attraction»; electromagnetic fields; behaviour control; electromagnetic barriers.


УДК 639.37+ 557.3

Введение.

Проблема управления активностью гидробионтов назрела из-за интенсивного развития аквакультуры. В последнее время удалось выяснить, что многие гидробионты (рыбы и беспозвоночные) воспринимают переменные электричепские (ПеЭП) и  переменные магнитные поля (ПеМП) крайне низких частот (КНЧ) – например [2,3,4,5,8]. При этом выявилось, что существуют частотные «окна» – зависимость реакций от частоты носит двухмодальные характер. Первое из «окон» соответствует области физиологических частот – частоте дыхания (ЧД) и частоте сердечных сокращений (ЧСС). Второе регистрируется в области 6-8 Гц, что соответствует «шумановским резонансам». Это окно названо нами геофизическим, поскольку с указанными частотами преимущественно связана генерация ПеМП многими биологически важными гидрометеорологическими, а в общем случае – геофизическими, процессами [6].

Естественно полагать, что отмеченные «окна» чувствительности являются для гидробионтов физиологически необходимыми. Выяснение того, какое из «окон» является информативным, формирующим ту либо иную поведенческую реакцию,  необходимо для поиска путей и возможностей управления поведением.

Решение проблемы управления поведением нужно, например, для «отпугивания» хищных животных от выращиваемых в условиях садковых фермерских хозяйств. Ведь некоторые хищные рыбы могут разрывать сетное ограждение садков. Это особенно важно в теплых морях, где для выращивания широко распространенной форели необходимы подводные садки, располагающиеся ниже термоклина. Вторая, не менее важная задача ближайшего времени – управление миграцией гидробионтов. В частности, сейчас становится актуальной проблема создания некоторых барьеров для вселенных на баренцевоморский шельф камчатских крабов.

На наш взгляд, наиболее перспективным путем управления является использование электромагнитных полей КНЧ-диапазона. Именно этот путь позволяет использовать очень малые мощности управляющих полей при достаточно высокой эффективности.

Для выяснения вопросов, какие из частот являются отпугивающими, а какие – привлекающими, необходима постановка специальных экспериментов. 

Методика проведения экспериментов и анализ результатов.

Эксперименты по выявлению реакций «отпугивания» и «привлечения» проводились нами с различными видами гидробионтов. Вначале наибольший интерес вызывали электрочувствительные животные, в частности – баренцевоморские скаты Raja  radiata. Это хищные животные, которые питаются, например, мальками камбалы. При искусственном выращивании камбалы на некоторых участках акваторий становится необходимым создание барьеров, препятствующих скатам проникнуть на такие участки.

Неоднородное электрическое поле создавалось в продольном бассейне размерами 4,5х0,7х0,8 м. Бассейн делился наружными метками на три секции (рисунок 1), а неоднородное электрическое поле создавалось парой электродов, размещенных в секции 3. Эксперименты проводились при различных напряженностях электрического поля (значения указаны на рисунке). Каждый эксперимент проводился в течение 24 часов (12 часов – контроль, 12 часов – воздействие). Отсчеты местоположения скатов производились через каждые 15 мин.

При напряженности 10 мкВ/см секция 3 теряет свою «привлекательность», которая фиксировалась в контроле, но периодически посещается. Увеличение напряженности приводит к отпугиванию животных от этой зоны. Особенно это видно при напряженности 40 мкВ/см.

Более подробно эти наши результаты изложены в работах [3,7].

 Реакция скатов Raja  radiata на предъявление ПеЭП частотой 7 Гц. Ось ординат – число посещений скатами каждой из зон, цифры у основания  гистограмм – номер зоны, белый столбец – контроль, черный – опыт.

Рисунок 1. Реакция скатов Raja  radiata на предъявление ПеЭП частотой 7 Гц.
Ось ординат – число посещений скатами каждой из зон, цифры у основания  
гистограмм – номер зоны, белый столбец – контроль, черный – опыт.

Создание барьеров из ПеЭП в открытом море является довольно непростой, но решаемой, задачей. Однако скаты Raja radiata оказались чувствительными не только к электрическому полю, но и к переменному магнитному полю на частоте 7 Гц. Частотные характеристики чувствительности к ПеЭП и к ПеМП приводятся в работе [7].

Одновременно выявлено, что в условиях действия ПеЭП с частотой 7 Гц возрастает двигательная активность скатов в 1,5 – 2,0 раза.

Воздействие на зону 3 электрическим полем иных частот (0,01¸7 Гц) позволило выявить следующее (рисунок 2). Поля в диапазоне 1¸3 Гц оставляют  животных практически безразличными к воздействию.  В то же время частоты в диапазоне 0,1¸1,0 Гц привлекают  животных  в зону 3 (положительный коэффициент асимметрии),  что подтверждает известные данные о биологическом значении этого диапазона для поиска пищи [2]. В этом диапазоне находится частота дыхания мальков камбалы. На частотах выше 5 Гц зону 3 скаты избегают (коэффициент асимметрии отрицательный).

 
Изменчивость коэффициента асимметрии А посещаемости зоны 3 при различных частотах воздействующего ПеЭП.

Рисунок 2. Изменчивость коэффициента асимметрии А
посещаемости зоны 3 при различных частотах воздействующего ПеЭП.

На рисунке приведены данные по изменчивости коэффициента асимметрии А при различных частотах воздействия. Коэффициент  рассчитывался по известной формуле.

формула

где – длина ряда (типичное значение в выполненных опытах n=60);
–  оценка математического ожидания;

S – среднее квадратическое отклонение.

Для менее электрочувствительных рыб (молодь трески) эксперименты проводились в том же бассейне. Но при этом дополнительно проводился заключительный контроль. Регистрация распределения рыб по секциям также велась с интервалом 15 мин в течение 18 часов (6 часов – контроль, 6 часов – воздействие, 6 часов – заключительный контроль.

На рисунке 3 показан результат эксперимента при воздействии ПеЭП частотой 7 Гц. Однозначно наблюдается реакция избегания зоны 3 с действующим в этой зоне ПеЭП. Однако, в отличие от скатов, такая реакция у трески наблюдается при повышенных напряженностях поля в зоне 3 – порядка 100–150 мкВ/см.

Реакция молоди трески на предъявление ПеЭП частотой 7 Гц.

Рисунок 3. Реакция молоди трески на предъявление ПеЭП частотой 7 Гц.
Ось ординат – число посещений скатами каждой из зон, цифры у основания
гистограмм – номер зоны; слева К – контроль, О – опыт, справа К – заключительный контроль

В лабораторных условиях также проводились эксперименты по воздействию неоднородным переменным магнитным полем (ПеМП). В качестве подопытных гидробионтов были использованы карповые рыбы Cyprinidae возрастом 2-3 года. Эксперименты проводились на специальной установке (рисунок 4), содержащей продольный бассейн 1, установленный в электрически незамкнутых бронзовых подвесках 2, прикрепленных к опорной станине. Наверху станины размещались направляющие 3, по которым перемещался основной соленоид 4 с помощью роликов 5. Режим перемещения задавался реверсивным электродвигателем (на рисунке не показан) с переключаемым коэффициентом передачи. Бассейн наружными метками был разделен на 4 одинаковые секции. Соленоидом 4 задавалось либо однородное, либо «надвигающееся» ПеМП (имитация приближения циклона). Неоднородные ПеМП создавались с помощью колец Гельмгольца, устанавливаемых поперек одной из секций бассейна (на рисунке не показаны).

Соленоид и кольца Гельмгольца подсоединялись к отдельным генераторам крайне низких частот. Эксперименты проводились как при сочетании полей различных частот, так и с использованием только лишь неоднородного поля.

Рыбы для экспериментов содержались в отдельном аквариуме (на рисунке – справа), питались стандартным кормом. Перед экспериментом группа 10-12 особей переносилась в бассейн 1 и выдерживалась не менее 20 мин для адаптации.
Лабораторная установка для экспериментов с карповыми рыбами (Cyprinidae).

Рисунок 4. Лабораторная установка для экспериментов с карповыми рыбами (Cyprinidae)

На рисунке 5 показан пример воздействия полем, которое для рыб является нежелательным (7 Гц). Это поле соответствует основному максимуму поля приближающегося циклона [7].

Реакции карповых рыб Cyprinidae при воздействии переменным магнитным полем (частота f=7 Гц, индукция B=50 нТл). 1– контроль, 2 – действие ПеМП, 3 – второй контроль (последействие ПеМП). Магнитное поле воздействует на правую секцию.

Рисунок 5. Реакции карповых рыб Cyprinidae при воздействии переменным магнитным полем
(частота f=7 Гц, индукция B=50 нТл). 1– контроль, 2 – действие ПеМП, 3 – второй контроль (последействие ПеМП).
Магнитное поле воздействует на правую секцию

Т.е. при необходимости электромагнитное поле с такой частотой может использоваться для создания барьеров.

Обычно карповые рыбы выращиваются в открытых бассейнах. Необходимость создания барьеров возникает, если в какой-то группе обнаружено заболевание.

На других частотах, кроме «физиологической» частоты примерно 1 Гц  (ЧД и ЧСС), реакция на предъявление неоднородного ПеМП может быть названа практически безразличной. Для примера на рисунке 6 показана реакция на предъявление ПеМП частотой 0,3 Гц как при такой же индукции (50 нТл), так и при повышенном значении (150 нТл).

Реакции карповых рыб Cyprinidae при воздействии переменным магнитным полем (частота f=0,3 Гц, индукция B=50 нТл и 150 нТл). 1– контроль, 2 – действие ПеМП, 3 – второй контроль (последействие ПеМП) Магнитное поле воздействует на правую секцию.

Рисунок 6. Реакции карповых рыб Cyprinidae при воздействии переменным
магнитным полем (частота f=0,3 Гц, индукция B=50 нТл и 150 нТл).
1– контроль, 2 – действие ПеМП, 3 – второй контроль (последействие ПеМП)
Магнитное поле воздействует на правую секцию

На той же установке (рисунок 4) проводились эксперименты с воздействием переменным электрическим полем. При этом в правой секции устанавливались поперек бассейна пластины электродов. Однако результаты оказались неинтересными. Реакция рыб Cyprinidae наблюдалась при слишком больших напряженностях ПеЭП – до 3-7 В/м в зависимости от частоты [1].

Обеспечивать такие значения напряженности в реальных условиях довольно трудно, преимущественно – из-за «электродного» эффекта (сосредоточения электрического поля вблизи токоподающих электродов).

Эксперименты с переменными электрическим и магнитным полями проводились также в естественных условиях обитания. Изучалось поведение  радужной форели (Salminogairdnery).Погружная экспериментальная установка (малый садок) была изготовлена из диэлектрических материалов. Размеры малого садка составляли: 2,2´0,6´0,6 м. Он был разделен метками на 4 секции. Установка помещалась рядом с садковым хозяйством (Палкина губа Баренцева моря), т.е. при этом сохранялись естественные условия выращивания.

В садке в одной из секций устанавливались листовые электроды для создания неоднородного электрического поля ПеЭП, а также снаружи – изолированные от воды кольца Гельмгольца для создания неоднородного магнитного поля ПеМП.

Эксперименты проводились по схеме «контроль-опыт-контроль» с отсчетами расположения рыб в секциях через каждые 30 с. Общая длительность каждого эксперимента –  3 часа (1 час - первый контроль, 1 час – воздействие, 1 час – второй контроль). Эксперименты проводились в течение 15 дней на дискретных частотах 0,1 Гц; 0,5 Гц; 0,8 Гц; 1 Гц; 2 Гц; 3 Гц; 5 Гц; 7 Гц; 7,5 Гц; 8 Гц; 10 Гц; 15 Гц; 20 Гц; 30 Гц; 50 Гц; 60  Гц; 100 Гц. Всего было проведено 65 экспериментов: 35 – по воздействию магнитным полем и 30 – по воздействию электрическим полем. Дополнительно ежечасно фиксировались следующие параметры окружающей среды: температура воды, соленость воды, рН, подповерхностная освещенность, облачность, ветер. Кроме того, за исследуемый период были получены данные о геомагнитной обстановке.

Наиболее интересные результаты получились при воздействии ПеМП частотой 7,5 Гц (рисунок 7).

Реакции форели Salmino gairdnery при воздействии переменным магнитным полем (частота f=7,5 Гц, индукция B=200 нТл). 1– контроль, 2 – действие ПеМП, 3 – второй контроль (последействие ПеМП) Магнитное поле воздействует на правую секцию.

Рисунок 7. Реакции форели Salmino gairdnery при воздействии переменным магнитным полем (частота f=7,5 Гц, индукция B=200 нТл).
1– контроль, 2 – действие ПеМП, 3 – второй контроль (последействие ПеМП). 
Магнитное поле воздействует на правую секцию.

На рисунке 8 показаны обобщающие результаты. Для выделения особенностей поведения при воздействии по отношению к контролю рассчитывались разности коэффициентов асимметрии распределений. Максимумы реакций получаются на частотах 2 Гц и 7,5 Гц. Последействие сохраняется на период до 1 часа.

Распределение разности асимметрий в зависимости от частоты воздействия. Индукция ПеМП 200нТл.

Рисунок 8. Распределение разности асимметрий в зависимости от частоты воздействия. Индукция ПеМП 200 нТл.

Здесь значения коэффициентов асимметрии рассчитывались не по гистограммам посещаемости одной секции, как на рис. 2, а по гистограммам распределения рыб по секциям. Поэтому положительные значения разности соответствуют «уходу» рыб из секции, на которую действовало ПеМП.

На воздействующих частотах можно отметить эффекты «последействия». Это видно как на рисунке 7, так и на рисунке 8. Также можно отметить, что рыбам практически безразлично воздействие на частотах от 0,1 Гц до 1 Гц, а также в диапазоне свыше 10 Гц (рисунке 8).

Выводы.

  1. Из полученных экспериментальных данных следует, что воздействие на «активных» частотах переменного магнитного поля малой индукции (50-200 нТл) для изучавшихся рыб является преимущественно «неприятным» и они стремятся уйти из зоны воздействия. Наличие «привлекающих» частот выявлено лишь для скатов Raja  radiata при воздействии ПеЭП.
  2. Наиболее интересно создавать «барьеры» с использованием переменного магнитного поля на частотах 6-8 Гц. Технологии создания таких полей достаточно большой пространственной протяженности для морских условий в настоящее время вполне реальны.
  3.  Создание «барьеров» с использованием переменных электрических полей для большинства изучавшихся рыб существенно менее перспективно по сравнению с ПеМП. Тем более, что технологии создания ПеЭП наталкиваются на проблему «электродного эффекта» – стягивания поля в зону электродов. 

Библиографический список:

1. Баландина Н.Л. Роль и особенности учет космогеофизических экологических факторов в рыбопромысловых технологиях.¬– Дисс…канд. физ.-мат. наук.– СПб, 2005.Специальность 25.00.28 – океанология,139 с.
2. Муравейко В. М., Электросенсорные системы животных. – Апатиты: Изд. Кольского филиала АН СССР, 1988. – 106 с.
3. Муравейко В.М., Степанюк И.А. Электромагнитные поля циклона и их действие на рыб // Сигнализация и поведение рыб.– Апатиты: Кольский филиал АН СССР, 1985.– С. 19–24.
4. Муравейко А.В., Степанюк И.А., Муравейко В.М., Фролова Н.С. Эффекты влияния электромагнитных полей в области «шумановских резонансов» на активность гидробионтов [Текст]. //Вестник МГТУ. – 2013. – Т.16, №4. – С.764-770.
5. Степанюк И.А., Баландина Н.Л. Геомагнитные возмущения как фактор экологии гидробионтов //Геофизические процессы и биосфера.– 2005.– Т.4, № 1.– С. 76-80.
6. Степанюк И.А. Проблема мониторинга электромагнитных полей КНЧ-диапазона в тропосфере и гидросфере Земли.– СПб.: Изд-во РГГМУ, 2014 .– 220 с.
7. Степанюк И.А. Электромагнитные поля при аэро- и гидрофизических процессах.– СПб.: Изд-во РГГМУ, 2002.– 214 с.
8. Степанюк И.А., Фролова Н.С. Способность рыб предчувствовать опасные гидрометеорологические явления [Текст]. //Морской вестник. – 2012. – № 1(41).–С.61-63.




Рецензии:

30.09.2016, 8:32 Ивлев Виктор Иванович
Рецензия: Статья может быть опубликована. Однако следует обратить внимание на то, что что переменное электрическое поле обязательно порождает переменное магнитное поле и наоборот. Автор ничего не говорит об их разделении в эксперименте.

06.10.2016 0:00 Ответ на рецензию автора Фролова Наталия Сергеевна:
Мы благодарны рецензенту за представление статьи к публикации в журнале. Рецензентом высказано замечание: «Однако следует обратить внимание на то, что переменное электрическое поле обязательно порождает переменное магнитное поле и наоборот. Авторы ничего не говорят об их разделении в эксперименте». Расчеты индуцируемых полей, естественно, выполнялись, но в статье не приводятся. Эффекты индукции в таких объемах (лабораторные установки) очень слабые. При воздействии ПеМП на столь низких частотах, даже для поля с индукцией сотни нТл электрическое поле не превышает десятых долей мкВ/см. Это, конечно, не должно приниматься во внимание, поскольку восприятие таких значений напряженности возможно лишь при наличии у животных специальных органов электрорецепции, например, ампул Лоренцини. У гидробионтов, с которыми проводились опыты по воздействию ПеМП, таких органов нет. В опытах с воздействием электрическим полем при напряженностях до 150 мкВ/см на границах зоны воздействия магнитная индукция составляет десятые и даже сотые доли нТл, что также не может приниматься во внимание. С уважением, авторы.

11.10.2016, 8:18 Смольникова Фарида Харисовна
Рецензия: Статья представленная к публикации актуальна, приведены экспериментальные исследования. Статья оформлена по требованиям и рекомендуется к публикации.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх