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



Научные публикации в научно-издательском центре Аэтерна


Разделы: Биотехнологии
Размещена 09.10.2019. Последняя правка: 09.10.2019.
Просмотров - 49

Проблема навигации при хоминге атлантического лосося (семги)

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:
Рассматривается вероятный механизм навигации атлантического лосося (семги) при движении на нерест в условиях открытого моря (поиск «дороги домой»). В качестве основы механизма предполагается электрическое поле, формируемое течениями. Анализируются полученные в лабораторных экспериментах данные по порогам первичных реакций молоди семги при изменениях положения относительно вектора электрического поля. Выполнено сравнение с аналогичными данными по форели.


Abstract:
The probable mechanism of navigation of Atlantic salmon (salmon) at movement on spawning in the conditions of the open sea (search of "road home") is considered. An electric field formed by currents is assumed to be the basis of the mechanism. The data obtained in laboratory experiments on the thresholds of primary reactions of young salmon with changes in position relative to the electric field vector are analyzed. The comparison with similar data on trout is performed.


Ключевые слова:
хоминг семги; течения; электрическое поле течений; реакции семги

Keywords:
salmon homing; currents; electric field of currents; salmon reactions


УДК 557.3

Введение. Известен эффект возврата атлантического лосося Salmo salar L. (семги) на нерест в речки Кольского полуострова – эффект хоминга.  Хоминг – это инстинкт дома, т.е. распознавание животными (на основе безусловных и условных рефлексов) места своего рождения и стремление возвратиться туда [4]. Однако в определении термина отсутствует физическая основа. Действительно: инстинкт   (с латинского – «побуждение») – это «сложная безусловная реакция животного организма или человека, которая, будучи врожденной, проявляется только в определенных ситуациях….и т.д.» (там же,[4] .

Трудно спорить с классическими определениями, однако применительно к рыбам возникает закономерный вопрос: каким образом у них в морских глубинах производится навигация – поиск «дороги домой»?

В известных работах (например, [3,6,11])  рассматривается гипотезы поиска «родной» реки преимущественно в период, когда рыбы уже добрались до прибрежного района. Наибольшее внимание привлекает идея хеморецепции, т.е.  восприятия химического состава вод реки. В работе [11] предполагается, что в качестве «запаха» родной реки выступают углеродистые соединения. Однако чувствительность хеморецепторов в работе не изучалась. Опыты, описанные в работе [3], по созданию искусственного «запаха», на наш взгляд, малоубедительны. Идеи «химической памяти воды», рассматриваемые в [7,11], представляются непродуктивными.

При этом в научной литературе практически не  исследуется миграция в область нагула и обратно «к родной реке». А это чрезвычайно актуальный вопрос. Ведь знание физических основ навигации при хоминге создает возможность управления миграциями, например, создание «запретов».

В работе [6] проблема навигации кратко затрагивается в варианте догадок: ориентация по Солнцу, по звездам, по магнитному полю, по гравитационным аномалиям. Ориентация «по Солнцу» известна у судоводителей, но следует отметить, что для этого надо определить величину угла между Солнцем и горизонтом и, кроме этого, точное время.  Потом провести расчеты по специальным (мореходным) таблицам. Это надо делать не один раз. Аналогично – по звездам. Все это невозможно применительно к рыбам. Для ориентации по гравитационным аномалиям, в первую очередь, необходимо наличие у рыб чувствительности к гравитационному полю, что весьма сомнительно, ведь рыба как бы «взвешена» в воде.

Идея ориентации в магнитном поле, на первый взгляд, привлекательна.   Однако даже наличие какого-нибудь «магнитного компаса» не решает проблемы – он показывает всего лишь направление на магнитный полюс. Для определения своего положения в море этого недостаточно. Конечно, в пределах области миграций изменяются значения горизонтальных составляющих вектора магнитного поля Земли (МПЗ), однако возможность восприятия рыбами  этих составляющих не изучалась.

 Миграция с использованием течений. Из известных физических факторов, которые можно положить в основу навигации рыб при хоминге, целесообразно рассматривать пока лишь восприятие течений. При этом понятно, что «собственно течение» не может восприниматься рыбой. Но можно рассмотреть то, что порождается течением – электрическое поле.

Нагул семги, «родные реки» которой находятся на Кольском полуострове, происходит преимущественно в Норвежском море. Область нагула – теплое норвежское течение, являющееся северной ветвью Гольфстрима (рис.1). Красными стрелками показаны пути миграций. Рассмотрим те из этих миграций, которые связывают область нагула и «родные реки» на территории РФ – направления 1 и 2. 

Карта течений для этой области показана на рис. 2. Действительно, Норвежское течение, которое после мыса Нордкап становится Нордкапским течением «омывает» северное побережье Кольского п-ва. Это позволяет думать о возможности рыб двигаться против течения на нагул и по течению – на нерест.

Карта на рис. 2 заимствована  из Атласа океанов [2]. На ней Нордкапское течение после Териберки «отворачивает» от берега и направлено на восток–северо-восток. На первый взгляд это сразу «разрушает» высказанное выше предположение. Однако на современной более подробной схеме течений (см. «врезку», заимствованную из монографии [5]) от этого течения отделяется ветвь – течение Дерюгина, которое входит в горло Беломорского бассейна и включается в циркуляцию вод этого бассейна, выходя обратно в горло в виде течения Тимонова. Таким образом, получается, что семга, идущая на нерест, везде идет по течению.

Кроме стационарных  течений необходимо также обратить внимание на периодические (приливные) течения. Приливы имеют преимущественно полусуточный (либо неправильный полусуточный) характер. Суммарная скорость течения (стационарное плюс приливное) может достигать 2,5 м/с  [5].

Рассмотрим возможности выявления семгой хотя бы направления течения.

  

1.png 

 

Рисунок 1 – Схеме миграций семги на нагул

и возврата в «родные речки» РФ.

 

Электрические поля течений.  Эти поля давно выявлены и давно изучаются (см. например [10]). Напряженность электрического поля течения можно определить с помощью закона Фарадея:

1.png                                                           (1)

 где E – вектор напряженности формируемого электрического поля;

       B – вектор индукции магнитного поля Земли (МПЗ);

       V – вектор течения.

Если отсутствуют геомагнитные возмущения, т.е. производная равна нулю, то напряженность формируемого течением электрического поля определяется векторным произведением V на  B, а модуль, соответственно:

2.png.                                                               (2)

Поскольку нам интересна заполярная зона, где преобладает вертикальная составляющая индукции МПЗ, а вектор течения горизонтален, то значение синуса близко к единице, и напряженность E легко вычисляется.  При этом вектор  E получается направленным поперек течения.

Напряженность формируемого поля в соответствии с выражением (2)  может достигать  0,05÷0,15 мВ/м.

 

2.png 

 

Рисунок 2 – Схема течений, омывающих Кольский п-ов.

Фрагмент карты заимствован  из Атласа океанов [6].

«Врезка» – схема течений Белого моря из монографии [7].

 

Нами проведены лабораторные исследования чувствительности молоди семги к электрическому полю при различных направлений вектора этого поля по отношению к телу рыбы. Исследования проводились с целью определения оптимальных условий электролова семги [8]. Проблема ориентации в этой нашей работе [8] не анализировалась.

Результаты экспериментов. Изучались пороги основных гальванореакций личинок (25-30 мм) и молоди  (сеголетки, примерно 50 мм) семги. На рыб воздействовали стимулом в виде прямоугольного сигнала постоянного тока, ориентируя животное различным образом (1-17) по отношению к полярности сигнала (рис.3). Определялся порог «первичной реакции» (слабые сокращения мышц) и фиксировалась плотность тока при этой реакции.

Минимальные значения плотности тока зарегистрированы при положении тела рыб вдоль электрического поля, при этом различались «восходящий» ток (рыба головой к катоду) и «нисходящий» (рыба головой к аноду).

Эти особенности позволяют считать, что у идеи ориентации рыб в течениях по формируемому этими течениями электрическому полю появляется хорошая физическая «опора», поскольку рыба может воспринимать электрическое поле, ориентируясь по нему как при движении на нагул навстречу течению, так и  при движении на нерест по течению.

Различия между реакциями на «восходящий» и «нисходящий» токи, по-видимому, могут рассматриваться как возможность определения направления вектора течения.

 

3.png 

 

Рисунок 3 – Результаты экспериментов по воздействию

на семгу (личинки и сеголетки) постоянного электрического поля

с различными ориентациями по отношению к телу рыб.

Ориентация показана номерами на нижней части рисунка.

 

Следует также отметить, что изучалась зависимость порога первичной реакции от удельного электрического сопротивления.  С увеличением сопротивления чувствительность семги к электрическому полю возрастает.

Эти результаты близки к полученным в обзорной работе [1] данным по первичным реакциям пресноводных рыб к электрическому полю. В работе [1] рассматривается понятие условного напряжения тела рыбы, которое определяется выражением:

 3.png

где E – напряженность электрического поля;

       lр – длина рыбы;

       [E˄lр] – угол между вектором напряженности электрического поля и осью тела рыбы.

По выражению (3) получается, что условное напряжение не зависит от ориентации головы рыбы (к катоду или к аноду). Тем не менее, в работе отмечается, что такая зависимость существует. Она видна, например, в приводимых данных для форели (табл. 6 из работы [1]). Можно выполнить перерасчет данных из табл. 6, в которой  указаны значения условных напряжений и удельная электрическая проводимость воды. Для сплошной среды (без учета различий между проводимостью воды и проводимостью тела рыбы) действующую плотность электрического тока можно определить по обобщенному закону Ома:

4.png                                                                              (4)

где j – вектор плотности тока;

       Ϭ – удельная электрическая проводимость.

Анодная реакция у форели  (движение к аноду) наблюдается при плотности тока 3,45 ·10-7 А/мм2, а катодная – при 7,1·10-7 А/мм2. Форель и семга относятся к одному семейству рыб – лососевые. Тем не менее, реакция на электрический ток у них оказывается различной (ср. с данными рис.2).

 Обсуждение и выводы.

  1. Несомненно, что выбранный нами индикатор (порог первичной реакции – сокращения мышц)  является слишком грубым и сопоставлять лабораторные данные с реальными значениями электрических полей и токов в течениях непродуктивно. Необходим поиск более чувствительных индикаторов. На наш взгляд это может быть активность нейронов мозга, связанных с механорецепторами. Обоснованием такого мнения может служить вывод работы [9] о том, что именно механорецепторы в процессе эволюции смогли развиться у ряда рыб в электрорецепторы.
  2. Отмеченные различия между порогами первичных реакций у семги и форели  могут быть обусловлены различиями в значениях удельной проводимости воды. Чувствительность к электрическому полю, по нашим данным, возрастает с увеличением удельного сопротивления воды (уменьшением проводимости). В экспериментах, описанных в работе [1], использовалась вода с удельной проводимостью 40-50 мСм/м (в наших экспериментах примерно 2 мСм/м). Кроме того, возможны методические различия в определении порога реакций.
  3. Выявление физической основы навигации рыб в открытом море при хоминге чрезвычайно важно для создания технологий управления их движением на нерест. Причем, эти задачи могут решаться как в положительном смысле (привлечение к нересту), так и в отрицательном («запрет» движения на нерест).
  4. Электрические технологии управления движением рыб в реках (электрозаграждения) разработаны и используются (см. например [1]).

Библиографический список:

1. Асланов Г.А. Основные закономерности, исходные величины для проектирования орудий промышленного электролова. Глава II. Техника промышленного электролова [Электронный ресурс] Режим доступа: httpы: https://www.rlocman.ru/shem/shem-cache.html?di=18715 (дата обращения 01.10.2019).
2. Атлас океанов. Северный ледовитый океан.– Изд. МО СССР, ВМФ.– 184 с.
3. Бушуев В.Удивительные животные эти лососи //Зов тайги. №5-6 (52-53). Дальнаука.– 2000.– С. 44-48
4. Дедю И. И. Экологический энциклопедический словарь. – К.: Гл. ред. МСЭ, 1990. – 408 с.
5. Зимин А.В. Субприливные процессы и явления в Белом море.– М.: Геос, 2018.– 219 с.
6. Кляшторин Л.Б. Хоминг горбуши //Рыбное хозяйство. М.: 1989. № 1. С. 55-58
7. Мосин О.В. Химическая память воды [Электронный ресурс] Режим доступа: http: //www08 ode/aptickle/memoru (дата обращения 21.01.2010).
8. Муравейко В.М., Степанюк И.А., Емелина А.В. Биология и поведение лососевых рыб северной части Кольского полуострова / В книге: Современные исследования ихтиофауны арктических и южных морей европейской части России.– Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2007.– С. 116-134.
9. Муравейко В.М. Электросенсорные системы животных.– Апатиты: Изд-во Кольского филиала АН СССР, 1988.–110 с.
10. Степанюк И.А. Электромагнитные поля при аэро- и гидрофизических процессах. СПб: Изд. РГГМУ, 2002.–214 с.
11. Яроцкий Г.П. Роль геологической среды в формировании биопродуктивности гидробионтов речных бассейнов и арктического шельфа // Вестник МГТУ. Труды Мурманского гос. тех.университета. Том 4, №1. 2001. С. 73-78




Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх