Welcome _ANONYMOUS!
Time: 20:07
Понедельник, 18 декабря 2017 г.
Главное Меню
· Главная
· Лаборатории
· Наши разработки
· БД "BioLumbase" природные
· БД "BioLumbase" трансгенные
· Каталог штаммов
· Публикации

· Контактная информация

· FAQ
· Web-ссылки

Биолюминесценция
· Основы биолюмиинесценции
· Биолюминесценция в науке
· Биолюминесценция в образовании
· Прикладная биолюминесценция

Now on-line
Сейчас, 2 гостей и 0 посетителей онлайн..

Вы анонимный пользователь.


Language of interface
Выберите язык интерфейса:


Log in
 





Регистрация


 

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК БИОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ПОЛЯ ОКЕАНА
.: Дата публикации 28-Дек-2006 :: Просмотров: 1314 :: Печатать текущую страницу :: Печатать все страницы:.
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК БИОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ПОЛЯ ОКЕАНА
© Левин Л.А., Утюшев Р.Н., /Очерки экологической биофизики. Юбилейный сборник к 75-летию академика И.И.Гительзона. – Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2003. С.141-153.

Биолюминесценция - это удивительнейшее явление природы, издавна привлекавшее внимание ученых, писателей, мореплавателей, до сегодняшнего дня во многом остается загадкой. Среди многочисленных наблюдений, отличающихся изумительной точностью и художественной силой описания [Дарвин, 1935; Дербек, 1909; Ньюболт, 1941; Boden, Kampa, 1974], в первую очередь следует отметить работы Гарвея [Harvey, 1952, 1957], которые объединяют сведения о свечении животных и растений из более чем двух тысяч работ, опубликованных с 1800 по 1950 гг.

В начале 1950-х годов американский исследователь Дж. Кларк с соавторами [Clarke, Wertheim, 1956; Clarke, Backus, 1956], а позднее Боден и Кампа [Boden, Kampa, 1957; Kampa, Boden, 1957], исследуя распространение света в ночном море, обнаружили на фоне плавных кривых ослабления света с глубиной импульсные «помехи», которые могли быть обусловлены только свечением морских организмов - биолюминесценцией.

До получения этих результатов считалось, что биолюминесценция присуща в основном поверхностным слоям океана и наблюдается довольно редко, каждый раз поражая исследователей и судоводителей своими красочными проявлениями.

В 1956 г. Н. И. Тарасов [Тарасов, 1956], обобщив большое количество судовых наблюдений и литературных данных, рассмотрел основные типы свечения, факторы, влияющие на биолюминесценцию, биологию основных светящихся организмов, методики визуального наблюдения за свечением и его практическое значение. В его книге постоянно подчеркивается необходимость всестороннего изучения явления, особенно количественных методов его оценки.

Собственно говоря, эта работа и послужила, в известной мере, толчком для начала исследований биолюминесценции моря в Советском Союзе.

В 1959 г. в отделе биофизики Института физики Сибирского отделения академии наук Иосифом Исаевичем Гительзоном (ныне академиком РАН) была создана группа для инструментального изучения этого явления и особенностей светоизлучения отдельных видов организмов.

Позднее, также по инициативе И.И. Гительзона, были созданы исследовательские группы в Институте океанологии АН, Институте биологии Южных морей АН Украины (г.Севастополь), Морском гидрофизическом Институте АН Украины (г. Севастополь), Институте биологии моря Дальневосточного отделения АН (г. Владивосток), Полярном институте (г. Мурманск), морской гидрофизической службе СССР и др.

Следует сказать, что к началу работ у сотрудников группы не только полностью отсутствовал опыт проведения морских исследований, но и было необходимо разработать методы и аппаратуру, позволяющие измерять световые сигналы с интенсивностью 10-9 – 10-12 Вт/см2 на фоне мощного астрономического фона (десятки и сотни Ватт/см2). Более того, в стране к началу исследований отсутствовала методика и аппаратура калибровки сверхслабых световых сигналов, без которой практически невозможно конструировать необходимую аппаратуру и проводить исследования.

Возникла типичная для биофизики ситуация, когда особенности объекта исследования делают невозможным использование известных в физике аппаратурных методов и требуют разработки на их основе специальных приборов, позволяющих учитывать сложность проявления изучаемого эффекта в условиях живой системы.

Ситуация казалась безысходной – нет смысла проводить измерения, не имея возможности сравнивать между собой результаты измерений. И только энергия И.И.Гительзона, его умение увлечь собеседников самой идеей исследования, ее важностью позволила привлечь к этой работе сотрудника МГУ В.В. Карелина, которому удалось создать такие источники света (эталоны) на основе фосфора, активированного углеродом С14.

Первые измерения были проведены в 1960 году в Черном море с борта НИС «Витязь» (32 рейс), которые показали принципиальную возможность проведения таких измерений и поставили целый ряд вопросов, которые и определили дальнейшее развитие инструментальных измерений биолюминесценции:

  • Является ли явление биолюминесценции характерным только для определенных районов океана или оно является общеокеаническим явлением;
  • Как связана биолюминесценция с пространственно-временной структурой и составом морских сообществ и может ли она использоваться в качестве их «маркера»;
  • Существует ли явление биолюминесценции на предельных глубинах Мирового океана, куда не проникает астрономическая освещенность и где свечение планктеров может быть единственным источником света;
  • Изучить характеристики светоизлучения наиболее массовых видов планктона;
  • Изучить возможность использования явления биолюминесценции для «визуализации» пространственной структуры планктонного сообщества
  • Изучить связи биолюминесценции с основными гидрофизическими характеристиками среды.
  • Изучить возможность использования измерений биолюминесценции для решения практических задач, прежде всего связанных с деятельностью флота (возможность обнаружения движущихся объектов по их «светящемуся» следу) и рыбодобывающей промышленности
  • И др.
    Совершенно естественно, что решение каждой из перечисленных задач не только требовало создания специальной аппаратуры и методик измерения, но и рождало новые вопросы, вызванные стремлением понять закономерности формирования поля биолюминесценции (светового поля, образованного свечением планктонных организмов).

Основные комплексы аппаратуры, разработанные для исследования характеристик биолюминесцентного поля

В этой короткой статье невозможно сколь–нибудь подробно рассказать о тех приборных и методических разработках, которые были сделаны за это время.

Первый разработанный прибор представлял собой специально собранный высокочувствительный фотоумножитель, помещенный в герметичный водонепроницаемый корпус. Прибор погружался на какую-то глубину (так называемый метод стандартных горизонтов) и выдерживался на ней в течение 10 – 15 минут, регистрируя световые сигналы. Сигналы фотоумножителя подавались на борт судна по отдельному кабелю (вывешиваемому петлей с борта судна) и регистрировались на многолучевом шлейфном осциллографе.

Первые измерения, выполненные И.И. Гительзоном и А.С.Артемкиным в Черном море, показали, что регистрируемые световые вспышки планктонных организмов представляют собой густой поток импульсов, частота появления которых существнно коррелирует с волновой качкой корабля. Первые погружения батифотометра показали, что поступающая от него информация представляет собой поток импульсов, накладывающихся на постоянное фоновое свечение. Характерный вид записи биолюминесцентных сигналов (батифотограмма), полученных с помощью батифотометра, удерживаемого кабель-тросом на определенной глубине, приведен на рисунке 1.

Рис.1. Характерный вид записи биолюминесцентных сигналов (батифотограмма), полученных с помощью батифотометра, удерживаемого кабель-тросом на определенной глубине.

В зависимости от глубины, на которой выполнены измерения, вид батифотограммы может существенно меняться. Изменяется амплитуда регистрируемых импульсов, в широких пределах меняется уровень фонового свечения, которое на больших глубинах уменьшается до уровня шумов прибора.

При анализе батифотограмм, записанных во время нахождения прибора на определенной глубине, за величину, характеризующую интенсивность биолюминесценции, принимается величина математического ожидания биолюминесцентной светимости точки измерения.

Несмотря на недостатки этого метода, обусловленные прежде всего неконтролируемым воздействием прибора на среду обитания биолюминесцентов, он нашел достаточно широкое применение при исследовании географической распространенности явления и выяснения качественных характеристик связи интенсивности биолюминесцентного поля с основными гидрологическими и биологическими параметрами среды, а также при проведении исследований на глубинах, где концентрация планктона низка и требует большого времени наблюдения (именно этот метод наблюдения был нами использован при проведении исследований характестик световых сигналов глубоководных организмов в Идзубанинской впадине).

Перед группой Иосифом Исаевичем была поставлена задача, разработки такого прибора и метода измерений, который бы сделал независимым измерения от качки корабля. Совершенно естественно, что это мог быть только метод прокачки воды, содержащей планктонные организмы, через измерительную камеру прибора, обеспечивающей необходимое их возбуждение на входе в нее. В отличие от западных исследователей, использовавших для этой цели специальные погружаемые насосы, Иосифом Исаевичем было предложено использование для этой цели самого движения прибора (зондирование), первый опыт использования которого был сделан Ю.А Рудяковым в 1966 г. В Красном море.

Пожалуй, одним из основных достоинств измерения параметров биолюминесцентного поля движущимся прибором является возможность создания достаточно стабильной зоны возбуждения организмов, попадающих в зону регистрации фотоприемников, при этом измерение сигналов биолюминесценции движущимся прибором открывало новую возможность - проведение измерений непрерывно во время движения корабля.

Для создания стабильной зоны возбуждения и одновременной экранировки катода фотоумножителя от воздействия астрономического света конструкторами группы Ю.А Загородним и А.П. Шевырноговым были разработаны две оригинальных конструкции – щелевая и роторная, схемы которых приведены на рисунках 2, 3.

Рис.2, 3. Схемы, поясняющие работу щелевой (левый рисунок) и роторной системы светозащиты фотоприемника и возбуждения плактонных организмов, попадающих в рабочую камеру при движении прибора

При разработке аппаратуры мы также исходили из того, разнесение во времени измерений параметров среды и характеристик биолюминесцентного поля приводит к тому, что сопряженные оценки их распределения оказываются смещенными (а зачастую и несопоставимыми), что, в свою очередь, приводит к ошибочному представлению о связи этих параметров (о влиянии их на формирование поля биолюминесценции) в том или ином районе океана. Особенно большое количество ошибок дает использование таких методов сбора при изучении слоя эпипелагиали, наиболее подверженного действию ветровых перемешиваний, солнечной радиации и резкого изменения концентраций биогенных элементов, наиболее насыщенного жизнью и наиболее гетерогенного по ее проявлениям. Это навело на мысль, что отбор проб для получения достаточно надежных оценок балансных соотношений между параметрами биоценоза целесообразно проводить в строгом соответствии с его пространственной структурой.

Это обстоятельство привело нас к необходимости включить в состав погружаемой части аппаратуры датчики параметров среды и комплект управляемых батометров, обеспечивающих отбор проб воды в характерных точках вертикального распределения изучаемого параметра (либо на горизонтах, представляющих интерес для исследователя).

Конструкторами группы А.С. Артемкиным и Н.Д, Караевым была разработана погружаемая часть батифотометрического комплекса «Ромашка», его электонная часть с возможностью регистрации поступающих сигналов на персональной ЭВМ типа «Электроника -60» – инженером Ю.В. Чугуновым. Следует сказать, что к моменту разработки эта аппаратура не имела аналогов в Мировом научном приборостроении.

Для отбора проб в характерных точках вертикального распределения интенсивности биолюминесцентного поля (либо какого-то другого параметра, индуцируемого входящими в состав аппаратуры датчиками) в погружаемую часть комплекса аппаратуры включен комплект из шести пятилитровых батометров, у которых механический привод управления замыкателем заменен на электромагнитный. Закрытие батометров производится по команде оператора, наблюдающего, как перо двухкоордатного регистратора (позднее с появлением персоналных ЭВМ, регистрация вертикального профиля отбражалась на экране монитора) рисует профиль вертикального распределения интенсивности биолюминесценции (либо другого параметра).

За более чем 30 лет работы (1956 – 1991гг) под руководством и активном участии И.И. Гительзона, были разработаны уникальные комплексы аппаратуры для изучения этого явления и обследованы практически все характерные районы Мирового океана.

Рис.4. Зондирующий комплекс «Ромашка»
Рис. 5 Размещение в шахте корабля измерительного буксируемого комплекса «Ромашка»
Рис.6. Иосиф Исаевич Гительзон рядом с зондирующим комплексом«Ромашка»


К числу основных разработок можно отнести:

  • Батифотометрический комплекс «Ромашка», который использовался в большинстве экспедиционных исследований и его модификации были переданы в Морской гидрофизический институт, Институт биологии Южных морей, Полярный институт рыбного хозяйства, Гидрографическую службу ВМФ и др.;
  • Аппаратура для измерения на ходу судна характеристик поля биолюминесценции поверхностого слоя океана;
  • Буксируемый ныряющий «гидроплан» для измерения характеристик поля биолюминесценции и основных гирофизических параметров среды на ходу судна в диапазоне глубин 0 – 100 метров (разработка В.С Филимонова и сотрудников Ленинградского караблестроительного Института - Пузырева Н.П. и Паняева В.А)
  • Автономный батифотометр для измерения световых сигналов глубоководных организмов на пределтных глубинах океана
  • Комплексы аппаратуры для измерения характеристик биолюминесцентных сигналов отдельных планктонных организмов;

Основные результаты исследований

С помощью разработанной аппратуры и методов были выполнены экспедиционные исследования практически во всех районах Мирового океана.

Был выявлен общеокеанический масштаб явления. Сложившееся ранее на основе визуальных наблюдений представление об эпизодичности этого явления не подтвердилось. Данные инструментальных измерений свидетельствовали о том, что биолюминесценция существует практически на любых глубинах и на всех широтах.

Практически в любой точке Мирового океана — от высоких арктических до полярных широт Южного океана, от поверхности до максимально достижимых с помощью приборов глубин 7200 м — каждый кубический метр воды содержит от нескольких десятков до многих тысяч живых существ, готовых ответить световым сигналом на малейшее раздражение. В отличие от создаваемого физическими излучателями гидрооптического поля, параметры которого определяются только законами переноса энергии, биолюминесцентное поле подчинено еще и множественному действию биологических регуляторов. Интенсивность биолюминесцентного поля зависит от видового состава излучателей, их концентрации, физиологического состояния, внутреннего ритма свечения, миграции и действия внешних возбудителей.

Океан изменчив и неоднороден, его свойства изменяются в диапазоне пространственных масштабов 102—106 м и временных интервалов от долей секунды до года и более. Такая изменчивость среды обитания планктонных организмов влияет на особенности их пространственного распределения и соответственно на пространственные характеристики поля биолюминесценции. Поэтому для изучения закономерностей его формирования в различных океанических ситуациях, особенностей вертикальной и горизонтальной структуры потребовалось создание малоинерционные способов измерений, обладающих высоким пространственно-временным разрешением.

На приведенных ниже рисунках, в качестве примера показаны изменения пространственно - временной структуры поля биолюминесценциии при изменении гидрофизических условий среды.

Рис.7. Изменение характеристик поля температурв (а) поля биолюминесценции
при прохождении внутренней волны
Рис.8. Изменение характеристик поля биолюминесценции вр время циркуляций Ленгмюра

Современный интерес к исследованию биолюминесценции определяется не только стремлением понять ее биологический смысл , но и тем обстоятельством, что организмы, способные генерировать световые вспышки в ответ на внешнее раздражение, являются частью планктонного сообщества, закономерности пространственного распределения которого, могут быть оценены по характеристикам биолюминесцентного поля. В последние годы стала очевидной необходимость проведения экологического мониторинга океана в связи с решением фундаментальных проблем изучения пространственной структуры и закономерностей существования морских экосистем. Это необходимо не только для понимания жизни морских сообществ, но и для решения народнохозяйственных задач, связанных с рациональным использованием богатств океана. Здесь вряд ли можно добиться успехов, используя только общепринятые в гидробиологии методы исследования, позволяющие с высокой точностью оценить параметры экосистемы, но требующие длительного напряженного труда по разбору сетных и батометрических проб. Более того, «слепой» отбор сетных и батометрических проб по стандартным горизонтам, долгое время являвшийся основным в практике гидробиологических работ, зачастую делает его недостаточно эффективным. В то же время измерения вертикального распределения светящихся планктеров «визуализируют» вертикальную структуру планктонного сообщества, тем самым, позволяя исследователю производить отбор проб в строгом соответствии с его пространственной структурой на данный момент времени. На приведенном ниже рисунке показан пример результата зондирования вертикальной структуры биолюминесцентного поля и с синхронного отбора батометрических проб в его характерных точках с послеующим определением основных гидрофизичесих и гидробиологических характеристик среды.

Рис.9. Пример результата зондирования вертикальной структуры биолюминесцентного поля и с синхронного отбора батометрических проб в его характерных точках с последующим определением основных гидрофизических и гидробиологических характеристик среды. (Вертикальное распределение интенсивности биолюминесцентного поля)

При систематическом зондирования с борта дрейфующего судна или с помощью буксируемого датчика на ходу судна можно проводить исследования пространственных неоднородностей распределения жизни в океане.

Уникальную возможность дает биолюминесценция для изучения особенностей распределения жизни на максимальных глубинах океана, отлов животных на которых — сложная и дорогостоящая операция, а погружения людей на такие глубины в батискафах, видимо, еще долго будут уникальными событиями.

Поскольку организмы, формирующие поле биолюминесценции, являются одной из непременных составляющих морского планктона, их свечение используется для изучения пространственной структуры морских биоценозов и распределения жизни в глубинах океана. Световые сигналы дают возможность использовать физические методы регистрации и анализа и позволяют со скоростью движения датчика следить за динамикой пространственной структуры биоценоза. Можно сказать, что измерение биолюминесценции — это способ визуализировать (сделать видимым) распределение жизни в океане.

В практическом отношении изучение биолюминесценции моря перспективно для дистанционного обнаружения промысловых объектов с помощью самолетов и спутников При этом могут быть обнаружены не только скопления люминесцирующих объектов (например, криля), но и стаи несветящихся рыб, движение которых вызывает световой отклик планктона. Ройтмайер [Roithmayer, 1971] приводит список более тридцати видов рыб, которые могут быть обнаружены при благоприятных условиях по биолюминесценции с воздуха в различных районах Мирового океана.

Другой класс задач, в решении которых находит свое место исследование характеристик биолюминесцентного поля,— регистрация оптического излучения погружаемыми в море приборами, причем биолюминесценция может играть роль оптической помехи. Это относится к подводной связи в оптическом диапазоне, подводным телевидению и фотографии, регистрации частиц сверхвысоких энергий (быстрых мюонов, и нейтрино) по излучению Черенкова (проект «Дюманд») и др.

Даже далеко не полный перечень задач, при решении которых необходимо учитывать явление биолюминесценции моря, свидетельствует об актуальности этих исследований.

За прошедшие годы резко возрос поток работ по изучению биолюминесцентной реакции динофлагеллят, изучены химические реакции, протекающие в ряде биолюминесцентных систем, обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования биолюминесценции как маркера морских экосистем и тест-объекта для обнаружения ряда физиологически активных и токсических веществ в ничтожно малых количествах.

Работы, посвященные собственно биолюминесценции моря, ее связи с параметрами экосистемы, методам и аппаратуре измерения, рассыпаны по отдельным журналам и сборникам самой разной направленности — от ядерной физики до морской биологии. Публикации же, обобщающие опыт морских исследований биолюминесценции, методов их проведения, интерпретации результатов и использования их для экспрессного анализа пространственной структуры и продуктивности морских экосистем, практически отсутствуют.

В то же время сейчас уже отчетливо вырисовываются новые задачи и направления исследований. Можно с уверенностью сказать, что в ближайшем будущем исследователям станут, необходимы новый методический уровень и новая аппаратура.

.: Вернуться в документ Основы биолюминесценции :: Вернуться в меню Документов :.
 

Laboratory of Bacterial Bioluminescence © 2004-2013
This site is supported by a grant № 05-07-90157b from the Russian Foundation for Basic Researches
Insitute of Biophysics SB RAS

Яндекс цитирования