Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Срочные публикации в журналах ВАК и зарубежных журналах Скопус (SCOPUS)!



Научные публикации в научно-издательском центре Аэтерна


Статья опубликована в №67 (март) 2019
Разделы: Биотехнологии
Размещена 04.03.2019. Последняя правка: 07.03.2019.
Просмотров - 225

Особенности двигательной активности баренцевоморской трески (анализ лабораторных экспериментов)

Степанюк Иван Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Российский государственный гидрометеорологический университет

профессор кафедры океанологии

Емелина Антонина Владимировна, научный сотрудник, Мурманский морской биологический институт


Аннотация:
Рассматриваются результаты автоматической непрерывной многосуточной регистрации движений баренцевоморской трески (возраст 3,5 года). Анализируются рассчитанные периодограммы активности для различных условий в фоновом режиме. Установлен суточный (не приливной) период активности. Выявленные более короткие периоды не являются гармониками суточного периода. Установлено влияние переменного магнитного поля (частота 8 Гц) на активность. Методами фрактального анализа оценивается детерминированность двигательной активности.


Abstract:
The results of automatic continuous multi-day registration of Barents cod movements (age 3.5 years) are considered. The calculated periodogram analyses of the activity for various conditions in the background. The daily (not tidal) period of activity is established. The shorter periods revealed are not harmonics of the daily period. The influence of an alternating magnetic field (frequency 8 Hz) on the activity is established. Methods of fractal analysis are used to assess the determinism of motor activity.


Ключевые слова:
треска баренцевоморская; двигательная активность; автоматическая регистрация; ритмика активности; влияние переменного магнитного поля; детерминированность; фрактальный анализ

Keywords:
Barents sea cod; motor activity; automatic registration; activity rhythm; influence of alternating magnetic field; determinism; fractal analysis


УДК 639.37+ 557.3 

Введение.   Поскольку треска является одним из важнейших объектов промысла в Баренцевом море, то интерес к ее жизнедеятельности весьма актуален. В нашей предыдущей работе [5] рассматривалась связь между уловами трески и солнечной активностью СА (числами Вольфа). Показано, что в пределах 11-летнего цикла СА уловы трески возрастом 4-6 лет характеризуются такой же периодичностью, но со смещением по фазе на те же 4-6 лет. Сделан вывод, что численность популяции определяется воздействием СА на начальной стадии развития (икра и личинки). Также отмечается, что СА не может являться непосредственно действующим фактором, а только индикатором. Наиболее реальным физическим фактором, связанным с СА, предполагается геомагнитная возмущенность.

В более ранних наших работах [2,3] описаны эксперименты с молодью баренцевоморской трески, при которых проводилось воздействие на рыб неоднородным переменным электрическим полем. Установлено, что при этом наиболее эффективна частота  переменного поля 7-8 Гц.

Однако с взрослыми особями подобные эксперименты не проводились. Также не изучалась биоритмика их активности.

В данной работе анализируются результаты длительных многосуточных экспериментов по изучению двигательной активности (ДА)  баренцевоморской трески при автоматической регистрации с помощью персонального компьютера (ПК). В экспериментах использовались рыбы возрастом 3,5 года. Кормление осуществлялось креветками примерно в 13-14 часов. Эксперименты проводились с 09.11. до 07.12. (в начале полярной ночи) в условиях г. Мурманска (ММБИ Кольского научного центра РАН).

Методика проведения экспериментов. Эксперименты выполнялись с помощью лабораторной установки (рис.1), описанной в нашей работе [4], и содержащей бассейн 1 с рыбой  и систему регистрации ДА. Система содержит узел кинематики 2 (упругая нить, прикрепленная к плавнику рыбы, и шкивы), тензопреобразователь 3, к которому прикреплена нить, аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП) и персональный компьютер 5 (ПК). В данной работе для определения влияния переменного магнитного поля на ДА рыбы установка дополнительно содержала соленоид 6, создающий вертикальную составляющую вектора индукции, и генератор крайне низких частот 7.

При длительной  (до 3-х суток) регистрации в фоновом режиме выявлялась суточная изменчивость  ДА. Внутрисуточная биоритмика определялась по более коротким рядам данных. Дискретность регистрации ДА на ПК составляла 60 с.

  

1.png 

Рисунок 1 – Функциональная схема экспериментальной установки



Методики обработки результатов. Обработка данных проводилась с использованием статистических пакетов «Mesosaur» и «Excel». Ограничения по длительности рядов (до 3-х суток через 60с) обусловлены возможностями пакета «Mesosaur. Фильтрация рядов осуществлялась полосно-пропускающим фильтром Поттера с удалением трендовой составляющей и эффектов дискретизации. Оценки детерминированности процессов проводились с использованием оригинального пакета «Herst», который позволял рассчитывать фрактальную размерность через коэффициент Херста H.   Как известно, фрактальная размерность определяется как D=2-H. Процесс детерминирован, если коэффициент H>0,5, а если он меньше 0,5, то процесс считается хаотичным [6].

 Биоритмика двигательной активности. На рис.2 показан фрагмент автоматической регистрации ДА трески за двое суток. Наглядно видна внутрисуточная изменчивость активности, при этом проявляется кратковременное увеличение ДА во время кормления 1. Ночной спад активности редко проявляется как полное «засыпание», иногда возникают «вспышки» активности 2.

Следует также обратить внимание на импульсные выбросы регистрируемых сигналов. В соответствии с описанным принципом регистрации они означают быстрое перемещение животного в бассейне. Какие-либо закономерности импульсных «выбросов» установить не удалось. Также можно отметить спад активности 3 – он обусловлен кратковременным воздействием переменного магнитного поля с 15:30 до 16:05 (частота поля 8 Гц, индукция 1000 нТл).

Для выявления биоритмики двигательной активности необходим спектральный анализ. После процедуры фильтрации производились расчеты периодограмм. При этом отдельно определялись  длиннопериодные и короткопериодные составляющие.

  

2.png 

Рисунок 2 – Фрагмент автоматической регистрации ДА на ПК

 

Детерминированность процесса двигательной активности оценивалась через коэффициент Херста. На рис. 3 приведен пример такой оценки по данным эксперимента с 09:31 30 ноября по  08:59 3 декабря.

3.png 


Рисунок 3 – Изменения коэффициента Херста при длительном

эксперименте с 30.11. по 03.12. Окно расчета – 40 мин, шаг – 10 мин.

 

Здесь можно видеть, что процесс ДА преимущественно детермирнирован (H>0,5) с отдельными непродолжительными сбросами в «хаос» (10-20 мин). Причем, такой сброс в «хаос» более характерен для ночного времени суток.  

Анализ длиннопериодной биоритмики (рис.4) позволяет выделить суточный ритм активности (пояснение: «недостаток» 10-ти минут до «целых» суток обусловлен лишь автоматическим выбором периодов при расчете). Тем самым, ритмика рыб в естественных условиях, видимо, никак не могла сформироваться под влиянием приливных явлений, поскольку периодичность суточных приливов составляет 25 ч 20 мин. И уж тем более этого не могло произойти у баренцевоморской трески – в Баренцевом море наблюдаются преимущественно полусуточные приливы.

Характерная внутрисуточная ритмика ДА показана на рис. 5. Здесь также не выявляется ритмика, связанная с приливными явлениями. Приходится предполагать, что эта ритмика в преимущественной степени обусловлена внутренними физиологическими процессами.

 

4.png 

 

Рисунок 4 – Длиннопериодная составляющая биоритмики ДА

 

5.png 

Рисунок 5 – Внутрисуточная биоритмика двигательной активности трески

 

В сверхкороткопериодной ритмике выделяются значимые варьирующие периоды в диапазоне 1-3 часов.  Пример периодограммы приводится на рис. 6.

Периодограммы рассчитывались по результатам экспериментов, выполненных в различные периоды времени. Можно отметить, что в короткопериодной области ритмика активности существенно меняется. Устойчивы лишь ритмы примерно 1 час и 2 часа с минутами. Интерпретировать эту изменчивость ритмики затруднительно: либо она определяется внутренними физиологическими процессами, например, автоколебательными биохимическими реакциями, либо какими-то внешними неучтенными факторами. Один из таких предполагаемых факторов – переменные электромагнитные поля, формирующиеся при геофизических процессах (геомагнитные возмущения, штормовые гидрометеорологические процессы и др.)

 6.png

Рисунок 6 – Сверхкороткопериодна биоритмика двигательной активности трески

 

Влияние переменного магнитного поля на двигательную активность трески.  Эксперименты по выявлению реакции ДА трески на переменное магнитное поле ПеМП проводились при возбуждении этого поля в бассейне с рыбой. Поле возбуждалось соленоидом, окружающим бассейн, при этом вектор индукции создавался как вертикальный, что соответствовало преимущественной ориентации вектора индукции магнитного поля Земли. Эксперименты проводились в условиях спокойной геомагнитной обстановки, которая контролировалась по базе данных геофизической обсерватории Соданкюля (Финляндия).

 

 7.png

 

Рисунок 7 –  Влияние переменного магнитного поля на ДА трески.
Обозначения: синяя кривая – фон, красная – воздействие Периоды более 5 часов отфильтрованы.

 

Поле возбуждалось на частоте 8 Гц при индукции 1000 нТл. Выбор частоты обусловлен тем, что ранее нами,   например [3], установлена негативная (уход из зоны действия поля) реакция молоди трески на переменное электрическое поле ПеЭП с такой частотой.

К сожалению, эксперименты на других частотах нами не проводились.

Результаты показывают резкое подавление активности на периодах близких к 1 часу и небольшое усиление либо сохранение слабой активности на периодах свыше 2 часов.

При этом следует отметить, что при заданной индукции 1000 нТл электрическое поле в бассейне не превышает 1 мкВ/см, а влияние переменного электрического поля, выявленное нами ранее, получалось при напряженности 100-150 мкВ/см.

Тем самым, реакция ритмики ДА на переменное магнитное поле выражена намного сильнее. Такое различие реакций на ПеЭП и ПеМП наблюдалось  нами у разных гидробионтов, что позволило предполагать наличие у них «чистой» магниточувствительности (например, [3]).

При этом процесс двигательной активности оказывается детерминированным как при фоновой регистрации (рис. 8), где наблюдается единственный сброс в «хаос» через 10 часов после начала регистрации, так и при воздействии магнитным полем (рис.9).

  8.png

Рисунок 8 –Изменения коэффициента Херста при фоновой регистрации.

Окно расчета – 40 мин, шаг 5 мин.

 9.png 

Рисунок 9 – Изменения коэффициента Херста при воздействии

переменным магнитным полем (8 Гц, 1000 нТл). Окно расчета – 40 мин,

шаг 5 мин.

 

При воздействии магнитным полем спадов в «хаос» вообще не наблюдалось.

Обсуждение.

  1. Результаты экспериментов показывают, что двигательная активность баренцевоморской трески является преимущественно детерминированной. Сбросы в «хаос» являются редкими событиями, предположительно, вызванными испугом.
  2.  Результаты также показывают, что двигательная активность не формируется приливными процессами. Во-первых, поскольку в длиннопериодной области энергетически наиболее значимый период соответствует практически ровно суткам. Во-вторых, для Баренцева моря характерны полусуточные приливы, которые при анализе внутрисуточных периодограмм ДА также не выявляются.
  3. Предполагать, что «времязадающим» фактором являются автоколебательные биохимические процессы, видимо, малопродуктивно. Эти процессы сверхкороткопериодные, например, известная реакция Белоусова-Жаботинского характеризуется частотой 0,01 Гц (например, [1]). Значит, организм должен иметь некоторый «счетчик» периодов, что маловероятно.
  4. По-видимому, существует некоторый иной механизм формирования биоритмики. В нашей работе [4] при анализе результатов исследований ДА баренцевоморских бычков, где получена аналогичная суточная периодичность, было сделано предположение о «времязадающей» роли геомагнитных возмущений, воспринимаемых рыбами. Поскольку реакция на переменное магнитное поле выявляется в экспериментах с треской, то это говорит в пользу сделанных предположений. Естественно, это требует проведения отдельного анализа.

Библиографический список:

1. Волькенштейн М. В. Биофизика. – М.: Наука, 1981. – 575 с.
2. Муравейко В.М., Степанюк И.А. Электромагнитные поля циклона и их действие на рыб //Сигнализация и поведение рыб.– Апатиты: Изд. Кольского филиала АН СССР. 1985.– 19-24.
3. Степанюк И.А. Электромагнитные поля при аэро- и гидрофизических процессах.– СПб: Изд. РГГМУ. 2002.– 214 с.
4. Степанюк И.А., Емелина А.В., Фролова Н.С., Трифонова О.С. Биоритмика двигательной активности баренцевоморских бычков (по результатам лабораторных экспериментов) //Электронный периодический рецензируемый журнал «SCI-ARTICLE.RU». – 2018. – № 60 (август). – С.94-103.
5. Фролова Н.С., Степанюк И.А., Муравейко В.М., Емелина А.В., Трифонова О.С. Геомагнитная активность и уловы баренцевоморских гидробионтов (на примерах семги и трески) //Электронный периодический рецензируемый журнал «SCI-ARTICLE.RU». – 2016. – № 37. – С.162-172.
6. Федер Е. Фракталы.– М.: Мир, 1991.– 670 с.




Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх