Статья опубликована в №43 (март) 2017
Разделы: Биотехнологии, Физика
Размещена 27.03.2017. Последняя правка: 24.12.2018.
Просмотров - 2789

Физические механизмы восприятия гидробионтами биологически важных гидрометеорологических процессов над водоемами

Фролова Наталия Сергеевна

-

Российский государственный гидрометеорологический университет

ассистент кафедры океанологии

Степанюк Иван Антонович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры океанологии РГГМУ.

УДК 639.37+ 557.3

Введение.

Объекты биофизических исследований.

В наших работах (например [6,10,11,12,13]) был установлен бимодальный характер чувствительности ряда гидробионтов к электромагнитным  (ЭМ) полям крайне низкочастотного  (КНЧ) диапазона. В качестве объектов исследования использовались как пресноводные, так и морские гидробионты. Из пресноводных изучались: карповые рыбы Cyprinidae, Carassius auratus и сомики Corydoras aeneus. Исследовавшиеся морские гидробионты представлены как рыбами, так и беспозвоночными: молодь баренцевоморской трески Gadus morhua, баренцевоморские скаты Raja radiate, баренцевоморские мидии MytilusedulisL. и камчатские крабы Paralithodescamtchaticus, переселенные в Баренцево море.
Исследования пресноводных гидробионтов проводились в Российском государственном гидрометеорологическом университете (СПб). Морские гидробионты изучались на лабораторной базе Мурманского морского биологического института (г. Мурманск и пос. Дальние Зеленцы).

Методики биофизических исследований.

Реакции гидробионтов определялись как изменения двигательной активности в полуавтоматическом и в полностью автоматическом (через аналого-цифровой преобразователь и персональный компьютер) режимах. К сожалению, полностью описать методики экспериментов в данной статье не представляется возможным из-за ограничений объема. Кроме того, методики менялись – в первых экспериментах двигательная активность определялась по изменчивости распределения гидробионтов по секциям длинного бассейна, а в последних использовалась автоматическая установка с регистрацией двигательной активности с помощью персонального компьютера. Более подробно эти методики отражены в наших работах [6,10-16].

Результаты.

Характерный пример бимодальной частотной характеристики чувствительности приведен на рисунке 1.
В частотных характеристиках различных исследовавшихся гидробионтов обычно выделяются два частотных участка:  0,5-2 Гц и 6-8 Гц. Первый участок интерпретируется нами  как физиологический, поскольку он обычно соответствует частоте сердечных сокращений (ЧСС) и частоте дыхания (ЧД) у изучавшихся гидробионтов. Второй участок интерпретирован, как геофизический – он не имеет прямых физиологических аналогий у гидробионтов. Из литературных данных также известна «настройка» чувствительности на частоты переменного электрического поля 6-8 Гц у сомиков Istalurus nebulosus Les [17].

Рисунок 1– Интенсивность реакции краба PARALITHODES CAMTCHATICUS при различных частотах воздействия переменным магнитным полем (ПеМП) с индукцией 100 нТл.Доверительные интервалы рассчитаны для доверительной вероятности 0,95.

Такой бимодальный характер чувствительности был выявлен нами также у пресноводных гидробионтов: карповых рыб Cyprinidae, Carassius auratus и сомиков Corydoras aeneus.

Физиологический участок назван условно. У него есть геофизический аналог – так называемые короткопериодные колебания (КПК) при геомагнитных возмущениях (ГМВ). КПК называют еще геомагнитными пульсациями. Диапазон периодов таких пульсаций весьма широк: от 0,2 до 600 с. В геофизике они делятся на регулярные (Pc1÷Pc5) и нерегулярные (Pi1, Pi2). Их источниками считается верхняя атмосфера.
При гидрометеорологических процессах над морем формируются электромагнитные поля в обоих отмеченных диапазонах частот, однако преимущественно в области 6-8 Гц (например [9]).
Все эти данные позволяют уверенно предполагать, что такой бимодальный характер чувствительности имеет некоторый универсальный характер с  возможным усилением той либо иной моды у конкретного вида гидробионтов. На наш взгляд, все это дает возможность гидробионтам получать как фактическую информацию о гидрометеорологических процессах над водоемами, так и предчувствовать приближение таких процессов. При этом влияние ЭМ-полей может являться как негативным (отпугивающим) фактором, дающим возможность избежать гибели, так и положительным, способствующим выживаемости вида в естественных условиях [13,16].

Физические механизмы. ЭМ-поля КНЧ-диапазона, возбуждаемые при различных гидрометеорологических процессах.

ЭМ-поля КНЧ-диапазона возбуждаются как при динамических процессах внутри водоема, так и при аэрофизических процессах в атмосфере над морем. Непосредственно в водоемах могут возбуждаться следующие виды ЭМ-полей.

При движении морской воды в магнитном поле Земли (МПЗ) в результате явления индукции возникает электрическое поле, которое в свою очередь создаёт вторичные магнитные поля, называемое так в отличие от главного магнитного поля Земли – МПЗ [3]. Величина этих полей определяется как напряжённостью МПЗ, так и скоростью потока воды и ее электропроводностью. Такие поля называются магнитогидродинамическими полями (МГДП). К основным источникам МГДП относятся: ветровое волнение, зыбь, приливы и течения.

Напряжённость МГДП, создаваемых волнением, зависит от характеристик волн, а именно, от их высоты, периодов, длин, а для мелких водоёмов – ещё и от проводимости грунта дна. При увеличении высоты и периодов волн возрастают и поля, индуцированные волнением, однако с глубиной они быстро затухают. На глубине равной половине длины волны, амплитуда магнитного поля уменьшается в 23 раза по сравнению со значениями на поверхности [3,8].

Период колебаний МГДП, связанных с течениями, совпадает с периодами колебаний скорости движения воды. Океанские течения генерируют поля с напряжённостью до 100 мкВ/м, которые зависят также и от глубины течения [3]. В работе [5] отмечено, что электрочувствительные гидробионты могут использовать индуцированные электрические поля для поиска путей перемещения во время миграции, а также для ориентации во время суточных перемещений. Кроме того, электрические поля, возникающие при волнении, могут служить источником информации о состоянии водной поверхности.

Однако следует учитывать, что возникающие МГДП быстро затухают с расстоянием, поэтому они не могут объяснить высокую заблаговременность предчувствия гидробионтами биологически опасных гидрометеорологических явлений.

ЭМ-поля приводного слоя атмосферы над морем.

ЭМ-поля приводного слоя атмосферы над морем формируются за счет двух основных причин:

– из-за заряжения поверхности моря распределенными зарядами, формирующимися МГДП [1];

– из-за того, что в приводном слое атмосферы сосредоточены аэроионы, то есть электрически заряженные аэрозоли [3,9] перемещающиеся под воздействием волн.

Первый механизм, рассмотренный в работе [1], вероятно, менее значим для гидробионтов, чем электрические поля волн в воде и порождаемые ими поля  магнитной индукции.

Второй механизм можно считать полностью аэрофизическим. Здесь рассматриваются ЭМ-поля, порождаемые над морем. Они могут регистрироваться как в атмосфере, так и в толще воды. Из таких полей, по-видимому, наибольший интерес для данной работы представляют поля, обусловленные движениями  аэроионов [9].

 Фактически аэроионы представляют собой частицы, в которых много как положительных, так и отрицательных ионов. Соответственно, в приводном слое атмосферы над морем формируется некоторая структура из аэроионов. В условиях волнения происходит постоянный выброс аэроионов в воздух, с последующим их оседанием на поверхности, что позволяет рассматривать приводный слой, насыщенный аэроионами, как «замороженный». Модель приводного слоя представлена на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Модель приводного слоя с «вмороженными» аэроионами.
1 – нейтральная воздушная среда, 2 – положительные аэроионы,
3 – отрицательные аэроионы, 4 – поверхность моря. Из работы [9].

Наличие турбулентных процессов в такой среде во время шторма возбуждает амплитудно-модулированные ЭМ-поля, которые регистрируются как по электрическим, так и по магнитным составляющим. Турбулентные процессы здесь являются детерминированными – при неламинарном обтекании волн ветром формируются вихри в загребневой (подветренной) стороне волн («срывы» вихрей).

 Оси таких вихрей расположены горизонтально. Вихри вовлекает в себя аэроионы приводного слоя (рисунок 2). При этом из-за перемещений поверхности моря при волнении в этом слое формируется знакопеременная зарядовая структура. Движение разделенных зарядов в вихрях, собственно, и создает распределенные по акватории переменные магнитные поля с горизонтально расположенными векторами напряженности.   При этом несущими частотами являются частоты 4-12 Гц с энергетической модой 6-8 Гц, которая совпадает с первой модой «шумановских» резонансов.

Математические модели рассмотренных процессов описаны в работе [9].

По аналогии с инфразвуковым «голосом моря», открытым В.В. Шулейкиным, ЭМ-поле приводного слоя во время шторма можно назвать электромагнитным «голосом моря». ЭМ-поля на указанных частотах способны распространяться на большие расстояния и проникать в воду на большие глубины, что обусловливает возможность получения прогностической информации гидробионтами о приближающемся шторме.

ЭМ-поля облачности.

Важнейшим источником ЭМ-полей КНЧ-диапазона являются конвективные процессы в тропосфере. У конвективных структур присутствуют сильная турбулентность, которая более всего выражена в кучевых мощных облаках (Cucong) и в кучево-дождевых облаках (Cb). В облаках конвективных форм в ходе их развития происходит постепенное накопление зарядов. В результате наличия турбулентных процессов в облаке формируется переменное электромагнитное поле. Если присутствуют очень быстрые турбулентные пульсации, то возникает амплитудно-модулированное ЭМ-поле, где несущей частотой является частота «быстрых» пульсаций, а частотой модуляции – исходное ЭМ-поле. Энергия индуцированного поля в основном сконцентрирована в области между облаком и его отображением. Другими словами, ЭМ-поле облачности при проводящей подстилающей поверхности может регистрироваться только непосредственно под облаком.

Следовательно, рассмотренный процесс напоминает собой то, что происходит в приводном слое атмосферы над морем. Следовательно, и здесь можно говорить об электромагнитном «голосе облака».

Пример регистрации такого ЭМ-поля представлен на рисунке 3, по которому видно, что высокочастотные пульсации, отображаемые в надводном канале, фильтруются слоем воды, и на глубине 10 м запись становится сглаженной.

Рисунок 3 – Амплитудно-модулированное ЭМ-поле при прохождении небольшого кучевого облака над пунктом наблюдений. Из работы [9].

Ситуация значительно меняется при наличии осадков, которые содержат летящие вниз заряженные частицы. В результате регистрируется большое число импульсных сигналов, а средний сигнал от облака снижается. Пример записи прохождения кучево-дождевого облака в сопровождении снегопада из монографии [9] приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Регистрация ЭМ-поля кучево-дождевого облака при снегопаде. Из работы [9].

ЭМ-поля циклонов и фронтальных разделов.

Классически циклоны обычно содержат в своей структуре фронты. К типичным фронтам относятся теплый фронты, холодный фронт и фронты окклюзии, т.е. частично сомкнувшиеся теплый и холодный фронты, а также вторичные фронты, которые возникают в неустойчивых холодных воздушных массах за счёт неоднородного прогрева её подстилающей поверхности в тыловой части циклона. В тыловой части циклона преобладает переменная облачность, кучевые, кучево-дождевые облака с кратковременными осадками и порывистый ветер [7].

Однако фронтальные разделы сопровождают не только циклоны, они ещё проходят и по барическим ложбинам. И в том, и в другом случае фронтальные разделы обязательно содержат облачные структуры, обязательно при этом возбуждаются ЭМ-поля КНЧ-диапазона. Конечно же, здесь есть свои особенности по сравнению с типичными полями облаков, рассмотренными ранее. Так возбуждаемые в зонах фронтов колебания являются не только ЭМ-полями, но и обычными колебаниями, которые называются внутренними гравитационными волнами (ВГВ). Поскольку ВГВ волны распространяются преимущественно вдоль границ раздела в любых стратифицированных средах, то в циклоне они концентрируются в центре образования. В центре циклона ВГВ превращаются в инфразвук, который представляет собой продольные колебания. Именно эти инфразвуковые продольные колебания идут вверх по «трубке» оси циклона, амплитуда их увеличивается из-за падения плотности с высотой. В результате нижняя граница ионосферы подвергается колебаниям, другими словами возникают снова поперечные колебания с периодами ВГВ (5-20 мин). Таким образом, формируются амплитудно-модулированные ЭМ-колебания.

Характеристики распределения мощности таких ЭМ-сигналов в зависимости от расстояния до центра циклона показаны на рисунке 5, заимствованном из работы [9]. Здесь выявлен несимметричный характер распределения – в направлении движения циклона (впереди от центра) мощность существенно выше, чем на таких же расстояниях в тыловой части. То есть формируется направленный характер формируемого поля.

Рисунок 5 – Изменчивость мощности модулирующих вариаций
с периодами ВГВ при прохождении циклона
1 – изменчивость при приближении; 2 – полная изменчивость
(от 900 миль до  – 400 миль). Из работы [9].

В работе [4] изучались ЭМ-поля циклонов в области частот 6-8 Гц без учета амплитудной модуляции колебаниями ВГВ. В отличие от модулированных полей из работы [9] здесь наблюдается ненаправленный характер возбуждаемого поля (рисунок 6).

Рисунок 6 – Изменения средней величины индукции ЭМ-поля на частотах 6-8 Гц от расстояния до центра циклона. Из работы [4].

Оценки  изменчивости ЭМ-поля на частотах 6-8 Гц, выполненные для разных вариантов движения циклона в работе [4], приведены на рисунке 7. Здесь характеристики нормированы на расстояние до центра циклона 100 км.

Рисунок 7 – Нормированные характеристики изменчивости среднего уровня сигнала
ЭМ-поля (СУС ЕЭМП)  на частотах 6-8 Гц по регрессионной модели из работы [4].

Таким образом, рассмотренные особенности ЭМ-полей гидрометеорологических процессов, по нашему мнению, содержат информацию об этих процессах и  являются единственным источником ее получения гидробионтами. Для выявления возможностей восприятия гидробионтами таких ЭМ-полей целесообразно установить закономерности их проникновения в водную толщу для различных водоемов.

Проникновение электромагнитных полей КНЧ-диапазона в водную среду.

В наших задачах преимущественно представляют интерес ЭМ-поля гидрометеорологических процессов на частотах 0,1-2  Гц (КПК) и на частотах 6-8 Гц. Источниками ЭМ-полей первого диапазона считаются процессы в верхней атмосфере, а ЭМ-полей 2-го диапазона – процессы в тропосфере.

ЭМ-поля на частотах 6-8 Гц в соответствии с вкратце описанными механизмами имеют горизонтально располагающиеся векторы магнитного поля. На границе раздела сред воздух–вода горизонтальные составляющие переменного магнитного поля равны между собой [2]. Из-за практически одинаковых значений абсолютной магнитной проницаемости получается также равенство горизонтальных составляющих магнитной индукции.

Расчеты проникновения ЭМ-полей в различные водоемы выполнены нами по известной формуле:

где h – эквивалентная глубина проникновения тока (ЭМ-поля) в массивную проводящую среду;

      ω= 2πf – круговая частота поля;

      γ – удельная электрическая проводимость;

      μ_а –  абсолютная магнитная проницаемость.

На глубинеh ЭМ-поле затухает в e раз. Соответственно, такая глубина называется толщиной скин-слоя.

Расчеты глубины h  выполнены для выделенных выше частот при  различных значениях γ (таблица 1).

Получается, что на интересующих нас частотах толщина скин-слоя превышает сотни метров для большинства водоемов.

Здесь, кроме зависимости от частоты, получена зависимость от удельной электрической проводимости. С увеличением проводимости толщина скин-слоя нелинейно уменьшается.

Обобщенное распределение толщин представлено на рисунке 8.

На рисунке 9 показана изменчивость толщины скин-слоя для пресноводных водоемов. Расчеты выполгнены для значения проводимости 0,1 См/м. Выделенные частоты ЭМ-поля гидромектеорологических процессов здесь могут проникать преимущественно до дна. Например, для озера Байкал (средняя глубина – 730 метров, максимальная – 1640 м).

Рисунок 8 –Толщина скин-слоя для некоторых морей РФ при различных частотах ЭМ-поля.
Обозначения: 1– Балтийское море; 2 – Азовское море; 3 – Каспийское море;
4 – Черное море; 5 – Белое море; 6 – Баренцево море (прибрежные воды).

Рисунок 9 – Толщина скин-слоя в пресноводных водоемах при различных частотах ЭМ-поля.

Выводы.

В результате выполненного анализа получается следующее.

1. Гидробионты (морские и пресноводные), находясь внутри водной толщи, способны получать информацию о процессах над поверхностью водоема.
2. Источниками информации не может служить инфразвуковой «голос моря», поскольку он не проникает в водную толщу.
3. Источником информации не могут служить вариации гидростатического давления, возникающие при ветровом волнении. Эти вариации, как известно, могут наблюдаться лишь на глубинах, не превышающих половину длины волны. А большинство гидробионтов свободно перемещается по вертикали, т.е. изменения гидростатического давления для них «привычны».
4. Источником информации не могут служить вариации атмосферного давления – они чрезвычайно малы для условий водной толщи.
5. Источником информации не может служить освещенность, особенно в  северных морях.

В соответствии с этим можно обоснованно полагать, что единственным надежным источником информации о процессах над морем служат  ЭМ-поля КНЧ-диапазона, возбуждаемые при таких процессах. Эта информация особенно важна дли животных, обитающих в зонах литорали и ближней сублиторали, поскольку позволяет им избежать возможной гибели в период шторма.

1. Бычков B.C., Жмур В.В., Лапшин В.Б, Об электромагнитных эффектах при колебании заряженной поверхности моря // Геомагн. и аэроном. 1979. XIX. № 4. С. 762-764.
2. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля.– М.: Энергия, 1968.– 488 с.
3. Доронин Ю.П., Степанюк И.А. Электромагнитное поле океана.– СПб.: Изд. РГГМИ, 1992.– 90 с.
4. Зимин А.В. Электромагнитные поля при гидрометеорологических процессах и оценка их влияния на отдельные виды гидробионтов : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 11.00.11. - Санкт-Петербург, 2000. - 130 с. : ил.
5. Муравейко В. М., Электросенсорные системы животных. – Апатиты: Изд. Кольского филиала АН СССР, 1988. – 106 с.
6. Муравейко А.В., Степанюк И.А., Муравейко В.М., Фролова Н.С. Эффекты влияния электромагнитных полей в области «шумановских резонансов» на активность гидробионтов. //Вестник МГТУ. – 2013. – Т.16, №4. – С.764-770.
7. Позднякова В.А. Практическая авиационная метеорология: Учеб. пособие. – Екатеринбург: Уральский УТЦ ГА, 2010. – 113 с.
8. Сочельников В.В. Основы теории естественного электромагнитного поля в море.–Ленинград : Гидрометеоиздат, 1979.– 216 с.
9. Степанюк И.А. Электромагнитные поля при аэро- и гидрофизических процессах.– СПб: Изд. РГГМУ, 2002.–214 с.
10. Степанюк И.А., Муравейко В.М. ЭМ-поле резонатора Земля-ионосфера как синхронизатор внутренней ритмики гидробионтов //Ученые записки Таврического национального университета им. В.И.Вернадского. Серия «Биология. Химия».– 2002.– Т.15(54).– № 1.– С. 73-76.
11. Степанюк И.А., Муравейко В.М. Переменное естественное электромагнитное поле резонатора Земля-ионосфера как фактор биорегуляции морских животных //Физиология морских животных: Сборник научных работ.– Апатиты: Изд. Кольского филиала АН СССР, 1989. – С. 89–90.
12. Фролова Н.С. Изменение активности гидробионтов в условиях действия электромагнитных полей гидрометеорологического и геофизического происхождения [Текст] // Поведение рыб: труды V всероссийской конференции, 8-9 ноября, 2014, Борок, Россия: Костромской печатный дом, 2014. – C.273-281.
13. Фролова Н.С., Степанюк И.А. Электромагнитные поля гидрометеорологических процессов как фактор экологии гидробионтов //Sci-article.ru. Биология, Физика, Науки о Земле (электронный ресурс: http://sci‐article.ru), №35 (июль) 2016.– С. 84-95.
14. Фролова Н.С., Степанюк И.А., Муравейко В.М., и др. Восприятие баренцевоморскими мидиями переменных магнитных полей //Sci-article.ru. Биология, Биотехнологии, Физика, Науки о Земле (электронный ресурс: http://sci‐article.ru), №35 (июль) 2016.– С. 126-132.
15. Фролова Н.С., Степанюк И.А., Муравейко В.М., и др. Возможности управления поведением гидробионтов путем использования электромагнитных полей КНЧ-диапазона //Sci-article.ru. Биотехнологии, Физика, Науки о Земле (электронный ресурс: http://sci‐article.ru), №37 (сентябрь) 2016.– С. 188-196.
16. Фролова Н.С., Степанюк И.А., Муравейко В.М., и др. Геомагнитная активность и уловы баренцевоморских гидробионтов (на примере семги и трески) //Sci-article.ru. Биология, Биотехнологии, Физика, Науки о Земле (электронный ресурс: http://sci‐article.ru), №37 (сентябрь) 2016.– С. 162-172.
17. Peters R.S., Buwalda R.J.A. (1972). Frequency response of the electroreceptors (“small pit organs”) of the catfish, Istalurus nebulosus Les / J. comp. Physiol..– N 79.– P. 29–38.

Рецензии:

28.03.2017, 7:23 Исаева Акмарал Умирбековна
Рецензия: Проблема, изучаемая авторами статьи актуальна,т.к. до настоящего времени нет обоснованных версий получения гидробионтами информации о гидрометеорологических (ГМ) процессах. Согласно мнению авторов, источником информации для них могут служить только эффекты, сопутствующие ГМ-процессам, путем возбуждения при этих процессах электромагнитных (ЭМ) полей крайне низкочастотного (КНЧ) диапазона. В результате проведенных исследований, авторами статьи выполнен анализ механизмов возбуждения ЭМ-полей при биологически важных ГМ-процессах и рассчитаны глубины проникновения таких полей в водную толщу различных водоемов. Достоверность результатов исследований сомнений не вызывает, ввиду статистической обработки полученных данных, полученных в течение многолетних исследований. В то же время, хотелось бы отметить следующее: 1. Название статьи "Физические механизмы восприятия гидробионтами биологически важных гидрометеорологических процессов над водоемами" носит обширный характер, в то время как в статье рассматривается реакция только таких пресноводных гидробионтов как карповые рыбы Cyprinidae, Carassius auratus и сомики Corydoras aeneus. 2. Для оценки методологии экспериментов целесообразно было бы материал статьи структурировать и включить раздел "Объекты и методы исследований", что позволило бы найти ответы на ряд вопросов к этому разделу. 3. Для сравнительного анализа авторских результатов исследований с зарубежными аналогами необходимо, на мой взгляд, рассмотреть несколько последних зарубежных публикаций по теме исследований. В случае уникальности исследований данный факт было бы целесообразно акцентировать. Заключение: представленная статья выполнена в области биофизических исследований способностей организмов-гидробионтов и представляет научный интерес. С учетом замечаний, рекомендуется к публикации.

30.03.2017, 7:39 Исаева Акмарал Умирбековна
Рецензия: Спасибо! Желаю дальнейших творческих успехов! А.Исаева

13.04.2017, 10:06 Мирмович-Тихомиров Эдуард Григорьевич
Рецензия: Цикл работ авторов, предшествующий представленной к публикации в данном журнале статье, на столько широк и фундаментален, что эта статья у рецензента не вызывает претензий и не создаёт препятствий к положительной рецензии. Рецензент значительную часть своей научной жизни посвятил исследованиям ионосферы и других космо- геофизических явлений электромагнитного характера, в части из которых доказывал невозможность проникновения ионосферно-магнитных эффектов (и возмущений этих полей) в глубоководную среду (своеобразный вариант скин-эффекта). Поэтому для него утверждения о "всемогуществе" крайне-низкочастотного резонатора "Земля-ионосфера" в управлении гидробионтами и другими процессами в толще воды являются серьёзным испытанием на восприятие нового в научных исследованиях электромагнитных полей. Рецензент безусловно рекомендует к печати эту работу.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий