Статья опубликована в №35 (июль) 2016
Разделы: Биология, Физика, Науки о Земле
Размещена 11.07.2016. Последняя правка: 25.12.2018.
Просмотров - 2738

Электромагнитные поля гидрометеорологических процессов как фактор экологии гидробионтов

Фролова Наталия Сергеевна

-

Российский государственный гидрометеорологический университет

ассистент кафедры океанологии

Степанюк И.А., доктор физико-математических наук, профессор кафедры океанологии РГГМУ

УДК 639.37+ 557.3

На сегодняшний день развитие отечественных аквакультурных хозяйств и рыбного промысла ставит перед специалистами задачу поиска различных способов повышения эффективности. В этой связи постоянно совершенствуются методы вылова рыбы, а также улучшается качество прогноза с учетом гидрофизических и других абиотических факторов, оказывающих влияние на промысловые скопления.

Однако кроме отмеченных выше абиотических факторов выявлен еще один существенный фактор, который в настоящее время недостаточно изучен, – это природные электромагнитные поля крайне низких частот, возбуждаемые при гидрометеорологических процессах. Их характеристики, изменчивость и роль в рыбопромысловых технологиях, в аквакультуре и в экологических проблемах активно изучаются [1,3,4,6,7,9,12].

В процессе исследований было установлено, что чувствительность к ЭМП может проявляться через восприятие электрического поля только у животных, имеющих специальные органы электрорецепции (акуловые, сомовые и др.). У остальных исследовавшихся гидробионтов было выявлено непосредственное восприятие вариаций магнитного поля (например, у карповых рыб). Механизм этого восприятия остается пока неизвестным.

Биологически значимые ЭМП могут формироваться как внутри водной толщи, так вне ее. Внутренние ЭМП формируются при взаимодействии движущейся проводящей жидкости с постоянным магнитным полем Земли [3,4]. Внешние ЭМП проникают в воду из тропосферы, формируясь  при различных гидрометеорологических процессах [6,12], и из верхних слоев атмосферы, формируясь при геомагнитных возмущениях («бурях»). ЭМП геомагнитных возмущений (ГМВ) характеризуются частотной областью не более 2-3 Гц, частоты тропосферных ЭМП значительно выше – единицы и десятки Гц (преимущественно 6-8 Гц).

 Однако в настоящее время отсутствует определенность  в том, какие именно частоты из диапазона КНЧ являются наиболее значимыми для гидробионтов. А также мало изучено их конкретное влияние на гидробионтов  как экологического фактора, то есть что именно меняется в жизнедеятельности гидробионтов при  их воздействии.

По имеющимся данным, в лабораторных условиях доказано, что возбуждаемые природными процессами электромагнитные поля ЭМ КНЧ воспринимаются различными видами гидробионтов и являются для них источником важнейшей информации об изменениях гидрометеорологических условий в среде обитания. Во время проведения экспериментов моделировалась изменчивость электромагнитного поля (ЭМП), соответствующая естественным вариациям. В результате были установлены специфические реакции ряда гидробионтов на эти ЭМП: резкое изменение ДА, изменения естественной ритмики, уход из зоны действия [6,9,12]. Также выявлено влияние геомагнитных возмущений на пищевую активность на примере форели [1].

Выявлены статистические связи между эффективностью рыбного промысла и геомагнитной возмущенностью на примере целого ряда промысловых гидробионтов (путассу, кальмары, криль и др., например [1,7,8]). Эти связи характерны не для всех периодов возмущений – они хорошо выделяются при кросс-спектральном анализе.

 Особенный интерес представляет свойство гидробионтов (как и других животных) предчувствовать приближение опасных природных явлений. Это свойство неоднократно  выявлялось в наблюдениях за поведением животных (японские сомики Parasilurus asotus меняют поведение перед землетрясением или приходом цунами;  туркестанские сомики  –  перед землетрясением; и др.). Такие наблюдения неоднократно описывались (например, [5,9,10,16]). Однако физические механизмы подобных предчувствий остаются до настоящего времени практически неизученными.

В нашем исследовании предпринята попытка экспериментально изучить такие возможные механизмы, как у пресноводных, так и у морских гидробионтов. 

Методика и материалы. 

Применявшийся нами ранее метод исследования основывался на представлении любой биологической либо физико-химической системы как «черного ящика» с нормированным сигналом на входе и регистрируемой реакцией на выходе (например [12]). Этот подход был окончательно сформулирован в работе [13]. Он позволяет  перейти от типично биологических методов к физическим методам изучения систем.

В качестве регистрируемого сигнала на выходе такого «черного ящика» использовались характеристики двигательной (ранее – поведенческой) активность гидробионтов. Они рассчитывались по нормированному количеству перемещений рыб из одной секции бассейна  в другую за фиксированный промежуток времени.

Для задач экспериментов создавались специальные лабораторные установки, в том числе – защищенные патентами РФ [17]. В качестве подопытных объектов использовались как пресноводные рыбы: карповые рыбы Cyprinidae, Carassius auratus, сомики Corydoras aeneus, так и морские беспозвоночные: камчатские крабы PARALITHODES CAMTCHATICUS, переселенные в Баренцево море.

Обработка данных проводилась с помощью стандартных  пакетов, а также с использованием оригинального пакета Herst для анализа фрактальных размерностей рядов. Изучались зависимости от ЭМП гидрометеорологических процессов таких характеристик ДА, как средние значения ДА, дисперсия ДА, спектральная плотность биоритмов ДА, коэффициент детерминированности ДА (коэффициент Херста).

При искусственном воздействии моделированными ЭМП, соответствующими естественным, дополнительно определялись латентные периоды при различных частотах поля. 

Результаты экспериментов. 

Для изучения двигательной активности пресноводных гидробионтов (карповых рыб Cyprinidae, сомиков Corydoras aeneus) при естественных возмущениях ЭМП  использовалась установка по патенту РФ [17].  Конструкция установки показана на рисунке 1. С помощью веб-камеры, подключенной к ЭВМ, осуществлялась с задаваемой дискретностью покадровая съемка расположения рыб по секциям бассейна.

В качестве биологических объектов исследовались группы из 8-12 рыб. Период адаптации составил 15-20 минут после перемещения рыб в экспериментальный бассейн. Эксперименты проводились при различных геомагнитных и погодных условиях. Освещенность и температура воды в бассене выдерживались постоянными. Данные о геомагнитных возмущениях на время экспериментов использовались из обсерватории Соданкюля (Финляндия) (www.sgo.fi). Данные о характере погоды были взяты с сайта метеорологической центра Германии (www.wetterzentrale.de), а также из синоптических карт Северо-Западного Управления Росгидромета.

                                                                        

Рисунок 1. Автоматизированная установка для регистрации двигательной активности

сомиков в условиях естественных возмущений ЭМП. 

Влияние геомагнитных возмущений на карповых рыб проявляется в подавлении дисперсии. Пример отдельного эксперимента, когда магнитная буря начиналась примерно в середине периода регистрации ДА, приведен в нашей работе [14]. Объединенные данные по ДА карповых рыб при различных интенсивностях ГМВ, полученные нами в прямых экспериментах,  приведены на рисунке 2.

                                                                

Рисунок 2. Характер связи между двигательной активностью и геомагнитными возмущениями.  Ось ординат – активность в ед. ДА, ось абсцисс – размах геомагнитных вариаций в нТл. Обозначения: 1 – аппроксимирующая кривая, 2 – точки выбросов, проверенные по критерию ''грубых промахов''. 

Здесь следует отметить, что в характере связи отсутствуют амплитудные «окна», которые предполагались ранее в работе [18]. Разброс точек наблюдений относительно аппроксимирующей кривой носит случайный характер, что подтверждается проверкой по критерию Пирсона.

Следует также отметить, что при обработке учитывалась суточная изменчивость биоритмики, выявленная заранее (см. например [15].

В отличие от карповых рыб, у которых ДА подавляется при увеличении размаха индукции ГМВ, сомики реагируют противоположно (рисунок 3). В приведенных результатах использовался нестандартный индекс ГМВ (K_собст), который определялся по такой же методике, как и стандартный локальный индекс K, но за период проведения экспериментов (3 часа), и выраженный в единицах индукции (нТл).

Влияние более высокочастотных ЭМП, формируемых при гидрометеорологических процессах, изучалось на сомиках Corydoras aeneus. Реакции на приближение и прохождение циклонов выявлялась по дисперсии ДА и по нарушениям детерминированности естественной биоритмики ДА («спадам в хаос»), то есть когда коэффициент Херста становился существенно меньше 0,5. Соответственно, фрактальная размерность , где H – коэффициент Херста, получается больше 1,5 (рисунок 4 а, б, в).

 

 

Рис.3. Связь двигательной активности сомиков с размахом вариаций индукции ГМВ (в номерах опытов: первая цифра – номер серии, вторая – номер опыта в серии). 

Результаты демонстрируют, что приближение и прохождение циклона с мощной фронтальной системой приводит сомиков в возбуждение (возрастание дисперсии и «спад в хаос»), что впоследствии было подтверждено при моделировании ЭМП циклонов в лабораторных условиях.

 

 

Рисунок 4. Характеристики поведения сомиков (в) при прохождении циклона: а) – начало наблюдений

и б) – через 12 часов. Обозначения на в): 1 – дисперсия поведения D, 2 – показатель Херста (х100), 3 – осредненный суточный ход активности; треугольник с точкой на синоптических картах – пункт наблюдений. 

Исследования в лабораторных условиях выполнялись преимущественно на установке, содержащей длинный бассейн, помещенный в соленоид (рисунок 5). Технология определения ДА была такой же, как и в предыдущем варианте, но секции распределялись вдоль бассейна.

                                                                            

Рисунок 5. Установка для изучения ДА рыб при воздействии моделированными ЭМП 

В установке моделировалось как электрическое поле крайне низких частот (ПеЭП КНЧ), так и магнитное поле (ПеМП КНЧ). Электрическое поле создавалось с помощью плоских электродов, располагавшихся по торцам бассейна (показаны на рисунке). Магнитное поле создавалось соленоидом (на рисунке не показан), охватывающим весь бассейн, при этом диаметр соленоида существенно превышал поперечный размер бассейна – это позволяло моделировать в объеме бассейна практически однородные поля. Напряженность ПеЭП и индукция ПеМП регулировались в нужных пределах с помощью магазина сопротивлений.

Эксперименты проводились по схеме «контроль-опыт-контроль» с дискретностью отсчетов 1 мин. Требования к адаптации животных, освещенность и температура воды применялись такие же, как и в предыдущих экспериментах в прямоугольном бассейне. Реакция на воздействие (стимул) определялась как разность дисперсий ДА во время опыта и во время контроля, при это выявлялись задержки реакции  (латентный период). При обработке  данных выделялись: первичная реакция (разность между значением интенсивности ДА после начала реакции и фоновой интенсивностью),  и интенсивность по среднему (разность между средним значением интенсивности ДА за период воздействия и фоновым значением). Наблюдается некоторая адаптация реакции на действие воздействующего фактора во втором выделенном «окне» и некоторое усиление реакции в первом «окне». Видимо, эти различия имеют объяснение, но в данной работе это подробно не изучалось. 

 

Рисунок 6, а,б. – Реакции сомовых рыб на воздействие переменным

электрическим полем (а) и переменным магнитным полем (б) при различных частотах.

Напряженность ПеЭП – 2,5 мВ/см, индукция ПеМП – 100нТл. 

Доверительные интервалы вычислялись по известным методикам (ГОСТ Р 8.736-2011) для доверительной вероятности 0,95.

Установлено, что частотные зависимости изучавшихся рыб имеют двухмодальный характер (рисунок 6, а,б)  как при воздействии электрическим полем (а), так и при воздействии магнитным полем (б). Причем, воздействие ПеМП значительно сильнее.

На рис.6, б показана точка результата экспериментов во время прохождения циклона. Ее положение вполне закономерно и подтверждает  наши изначальные предположения о роли циклонов в ДА рыб, ведь реакция определялась по разности между дисперсией ДА во время воздействия и дисперсией во время контроля. А при прохождении  циклона ЭМП в этой зоне частот возрастает, тем самым возрастает дисперсия в  условиях контроля. Кроме того, это дополнительно свидетельствует о том, что воздействующим фактором является ПеМП, поскольку возбуждаемое в аквариуме циклоном ПеЭП ничтожно мало.

Эксперименты с камчатскими крабами проводились при полностью автоматической регистрации ДА. Установка (рис.7) содержала закрепленную на карапаксе краба нить, соединенную через узел кинематики с тензопреобразователем. Сигнал от тензопреобразователя поступал на персональноый компьютер (ПК) с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) на входе. Измерения проводились как в условиях естественных возмущениях ЭМП, так и при воздействии искусственными магнитными полями.  Искусственные поля создавались с помощью соленоида, в который помещался бассейн с крабом. Соленоид подключался к генератору крайне низких частот. Магнитное поле в соленоиде соответствовало естественным полям.

                                                              

Рисунок 7. Структурная схема установки для автоматической

регистрации двигательной активности камчатских крабов. 

При измерениях в естественных условиях была выявлена реакция краба на магнитные бури (рисунок 8). Интересной особенностью реакции является «предчувствие» этой бури – примерно за 1 час до начала активной фазы.

                                                               

Рисунок 8. Реакция краба на магнитную бурю (для анализа использовано 5800 значений). Верхняя кривая – изменчивость индукции B_y, нижняя кривая – реакция краба. 

При искусственном воздействии на различных частотах выявлен аналогичный рыбам двухмодальный характер зависимости от частоты (рисунок 9). При этом, ввиду малой подвижности животных, определялась интенсивность реакции, как разность средних значений активности в период воздействия и при контроле (а не дисперсий, как у сомиков).

Анализ всех полученных результатов, с учетом более ранних наших данных [11] по частотным характеристикам карповых рыб, приводит к выводу, что двухмодальный характер чувствительности гидробионтов к переменным магнитным полям крайне низких частот может предполагаться универсальным.  Первый диапазон частот можно рассматривать как физиологический – здесь находятся частота дыхания (ЧД) и частота сердечных сокращений (ЧСС) гидробионтов. Второй диапазон, где формируются ЭМП при  гидрометеорологических процессах (циклоны, атмосферные фронты, штормовое волнение и др.), может быть представлен как чисто геофизический.

При этом реакция гидроби онтов может быть как отрицательной («затаиться») так и положительной («возбуждение»). Ответа на такие различия пока не существует. 

Рисунок 9. Интенсивность реакции краба при различных частотах воздействия ПеМП (индукция 100 нТл). Доверительные интервалы рассчитаны, как и ранее, для доверительной вероятности 0,95. 

Также отсутствует ответ на вопрос о необходимости максимума магниточувствительности в геофизическом диапазоне частот – некоторые изучавшиеся гидробионты являются пресноводными, а камчатские крабы обитают зимой на глубинах до 100-200 м и лишь весной перебираются на мелководье.

Наши предположения сводятся к тому, что повышенная магниточувствительность на частотах 6-8 Гц связана с размножением животных. Действительно, есть очень интересная работа [2], где изучалась выживаемость ракообразных (на примере креветки). Было показано, что выживаемость личинок на ранней стадии («мизис») составляет: в контроле – 0,43, при воздействии ЭМП частотой 5 Гц – 0,74. И,  соответственно, вероятность гибели в контроле – 0,57, а при воздействии ЭМП 5 Гц – 0,26.

Если эта особенность характерна для разнообразных гидробионтов, то высказанные предположения могут быть вполне справедливы (хотелось бы, чтобы аналогичные эксперименты авторы работы [2] провели при частоте 7 Гц; ЭМП с частотой 7 Гц проникает в морскую воду на глубину до 70-100 м).

1. Баландина Н.Л. Роль и особенности учета космогеофизических экологических факторов в рыбопромысловых технологиях.– Дисс...канд. физ.-мат. наук. – СПб, 2005.– 139 с.
2. Васильева Е. Г., Мельник И. В. Некоторые аспекты влияния электромагнитного поля на десятиногих ракообразных //Вестник АГТУ. Сер.: Рыбное хозяйство, 2009. №1.– С. 121-125.
3. Доронин Ю.П., Степанюк И.А. Электромагнитное поле океана.– СПб.: Изд-во РГГМИ, 1992.– 95 с.
4. Доронин Ю.П. Физика океана.– СПб.: Изд-во РГГМУ, 2000.– 340 с.
5. Зверев М.Д. Погода и животные.– М.: Просвещение, 1965.– 54 с.
6. Зимин А.В. Электромагнитные поля при гидрометеорологических процессах и оценка их влияния на отдельные виды гидробионтов: Дис…. канд. физ.-мат. наук. – СПб, 2002.– 136 с.
7. Зимин А.В., Баландина Н.Л., Грекова А.Н. Влияние космогеофизических факторов на промысел гидробионтов.– В сб. Космогеофизические факторы экологии биосистем. Под ред. проф. И.А.Степанюка.– СПб.: Изд-во РГГМУ, 2007 .– С. 71-83.
8. Зимин А.В., Ким И.В. Связь интенсивности промысла криля в районе острова Южная Георгия с пространственным распределением поверхностных водных масс.– В сб. Космогеофизические и гидрофизические факторы в морских технологиях. Под ред. проф. И.А. Степанюка.– СПб.: Астерион, 2008.– С. 24-31.
9. Муравейко В. М. Электросенсорные систе с размножениеммы животных. – Апатиты: Изд. Кольского филиала АН СССР, 1988. – 106 с.
10. 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.
11. 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.
12. Степанюк И.А. Электромагнитные поля при аэро- и гидрофизических процессах.– СПб.: Изд-во РГГМУ, 2002.– 214 с.
13. Степанюк И.А. Особенности реакций биологических и физико-химических систем на внешние факторы.– СПб.: Изд-во РГГМУ, 2004.– 99 с.
14. Степанюк И.А., Баландина Н.Л. Геомагнитные возмущения как фактор экологии гидробионтов //Геофизические процессы и биосфера.– 2005.– Т.4, № 1.– С. 76-80.
15. Степанюк И.А., Фролова Н.С. Способность рыб предчувствовать опасные гидрометеорологические явления [Текст]. //Морской вестник. – 2012. – № 1(41).–С.61-63.
16. Тертышников А.В. Предвестники землетрясений и особенности их регистрации.– СПб.: Изд. ВИККА им. Можайского, 1997.– 122 с.
17. Устройство для регистрации двигательной активности гидробионтов.: патент № 148670 Российская Федерация: МПК G01D 3/036/ Фролова Н.С.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет». –
№ 2014100788/28; заявл. 10.01.2014; опубл. 10.12.2014, Бюл. № 34.
18. Эйди У.Р. Частотные и энергетические окна при воздействии слабых электромагнитных полей на живую ткань// Труды инженеров ин-та по электронике и радиотехнике.– 1980.– Вып.68, № 1.– С.140–148.

Рецензии:

17.07.2016, 19:06 Мирмович-Тихомиров Эдуард Григорьевич
Рецензия: Установка впечатляющая, эксперименты полезные, результаты, по-видимому, ещё будут наращиваться и интерпретироваться. Интересно было бы их более чётко дифференцировать. Открытие генерации ЭМП определённых частот приближающимся циклоном или окклюзиями - это одно, реакция гидробионтов - джругое и т.д. Статью можно публиковать.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий