Русский | English

Лаборатория биохимии и физиологии гидробионтов

Лаборатория биохимии и физиологии морских гидробионтов сформирована с начала 60-х годов прошлого столетия и как направление научных исследований развивается уже более 50-ти лет. Лаборатория долгое время исследовала биохимические механизмы энергетического обеспечения локомоторной функции рыб.

В настоящее время лаборатория сохраняет большой потенциал материально-технических средств для проведения физиолого-биохимических работ на самом современном уровне широкого тематического „спектра”. Она включает две научно-исследовательские группы:

  • группа по изучению биохимии и физиологии морских гидробионтов;
  • группа по изучению акустики и этологии морских млекопитающих.

Приоритетными направлениями исследований группы по изучению биохимии и физиологии морских гидробионтов в настоящее время являются:

  • Особенностей функционирования биохимических процессов энергетического и пластического обмена гидробионтов, отдельных органов и тканей, клеточных и субклеточных структур;
  • Изучение адаптаций гидробионтов к абиотическим (температура, соленость, давление, кислородный режим и т.д.), биотическим и антропогенным факторам (влияние вселенцев, загрязнения среды, рекреационного пресса и т.д.);
  • Разработка физиолого-биохимических механизмов функционирования клеточных мембран, включающих изучение структуры и состава мембран, трансмембранного переноса ионов, функционирования локализованных в мембранах ферментов;
  • Изучение физиологии кровотока гидробионтов и механизмов обеспечивающих особые реологические свойства крови в ее капиллярном отделе;
  • Изучение физиолого-биохимических особенностей крови гидробионтов, как внутренней среды организма в обеспечении трофики тканей и газотранспортной функции;
  • Изучение внутриклеточных биоэнергетических комплексов в эритроцитах и других тканях гидробионтов;
  • Изучение биологически активных веществ (БАВ) гидробионтов моря с целью получения биологически активных добавок (БАД) для профилактики и поддержки физиологических границ функциональной активности органов и систем человека.
  • Изучение болезней и других патологических состояний гидробионтов с целью рационального ведения марикультуры и аквариумистики;
  • Формирование, функционирование и продуктивность морских, океанических и пресноводных экосистем, их трансформация под воздействием естественных факторов среды и человеческой деятельности;
  • Методология и организация мониторинга и оперативного контроля по физиолого-биохимическим параметрам гидробионтов состояния прибрежных экосистем и пелагиали, оценка и прогноз изменения качества морской и пресноводной среды. Создание бионических устройств для мониторинга состояния прибрежной акватории моря и пресноводных водоемов.

Успешному развитию исследований способствует пополнение состава лаборатории квалифицированными специалистами, обновление приборного парка и разработка новых методических подходов. Решающим моментом нашего успешного развития считаем, тесную кооперацию исследований с ведущей организацией, в лице Института морских биологических исследований РАН. Важным моментом в работе является развитие международного сотрудничества, проведение стажировок сотрудников и совместных исследований на основе привлечения зарубежных грантов.

Группа по изучению акустики и этологии морских млекопитающих (ранее – лаборатория биоакустики) была создана на Карадаге в 1973 г. По штатному расписанию в составе лаборатории насчитывается 9 сотрудников.

Основными направлениями деятельности группы являются: исследование механизмов обработки акустической информации в слуховой системе, исследование путей звукопроведения и локализационных возможностей морских млекопитающих, участие в программах по спасению и реабилитации морских млекопитающих, а также эколого-просветительская работа с населением.

Карадагский дельфинарий - экспериментальная база лаборатории морских млекопитающих.

Исследования эхолокатора и слуха дельфина афалины в Карадагском природном заповеднике проводятся начиная с 1966 года. Первые исследования были посвящены в основном изучению параметров эхолокационной системы дельфина. Однако со временем стало ясно, что определяющим фактором являются способы обработки эхолокационных сигналов в слуховой системе дельфина.

За истекшее время в группе морских млекопитающих проведены исследования биоакустики, слуховой рецепции, особенностей и механизмов акустической ориентации дельфинов и ластоногих,- представителей настоящих и ушастых тюленей. Накоплен большой экспериментальный материал, подтверждающий уникальные возможности слухового анализатора водных и полуводных животных. С применением методики инструментальных условных рефлексов с пищевым подкреплением исследованы различные характеристики слуха черноморских дельфинов вида "афалина" (Tursiops truncatus), северных морских котиков (Callorhinus ursinus), каспийского тюленя (Pusa Caspica).

В частности, нами измерены подводные и воздушные аудиограммы дельфинов и тюленей, исследованы особенности звукопроведения к уху у морских млекопитающих для сигналов с различными параметрами в условиях полного и частичного погружения животных в воду, чувствительность слуха морского котика к изменению частоты звука в водной и воздушной средах, направленность слухового приема северного морского котика в горизонтальной плоскости в воде и воздухе, точность локализации дельфинами и северными морскими котиками источника акустических сигналов с различными параметрами в горизонтальной и вертикальной плоскостях в воде и воздухе, маскировка в слухе дельфина и каспийской нерпы в зависимости от путей звукопроведения и параметров сигнала и шумового маскера.

Старший научный сотрудник к.б.н. В.А.Рябов (справа) и ведущий инженер Б.Ю.Красницкий (слева) во время эксперимента.

Показано, что дельфин афалина по своему усмотрению изменяет интервал эффективной временной суммации в слуховой системе. Наибольший интервал временной суммации составляет 0,5-I мс, наименьший – практически совпадает с разрешающей способностью слуха афалины по времени. Временная суммация в слухе дельфина отражает накопление энергии сигналов в частотных фильтрах слуха. Наименьшему интервалу эффективной временной суммации соответствует прием широкополосным фильтром слуха, охватывающим весь диапазон частот эхолокации приблизительно от 40 до 140 кГц. Наибольший интервал эффективной временной суммации характеризует разрешающую способность слуха афалины при анализе сигналов самыми узкополосными фильтрами слуха.

Впервые показано, что в слуховой системе дельфина проводится анализ текущих характеристик импульсных сигналов, таких как форма или текущее распределение энергии импульсов по частоте (ТРЭЧ). Эти признаки распознавания описывают сигналы соответственно на временном и спектрально-временном языках. Хотя остается неясным, какой из этих признаков адекватен физиологическим механизмам слуховой системы дельфина, использование любого из них характеризует ее прежде всего как временной анализатор, способный улавливать изменения в текущих характеристиках сигналов, происходящих всего за 30-50 мкс. При различении импульсных сигналов с одинаковыми амплитудными, но разными фазовыми спектрами всю необходимую ему информацию дельфин извлекает из области частот, охватывающей скачок фазового спектра сигналов.

Установлено, что в слуховой системе дельфина осуществляется преобразование разности частот тональных импульсов и непрерывных тонов в разность амплитуд реакций частотного фильтра. Для такого преобразования дельфин организует частотный фильтр таким образом, чтобы частоты заполнения тонов находились за пределами полосы прозрачности в области склонов амплитудно-частотной характеристики фильтра. Частотно-модулированный тон на выходе фильтра слуха при таком их взаимном положении на оси частот оказывается модулированным по амплитуде, что используется дельфином как признак, по которому он отличает его от чистого тона.

При частотах модуляции частотно-модулированного тона меньших 7-10 Гц дельфин может отличить его от чистого тона и по периодическому изменению частоты несущей. В этом случае он организует фильтр на частоте тона и несущей частотно-модулированного тона. Помехоустойчивость метода различения непрерывных сигналов по частоте гораздо выше, чем метода, основанного на преобразовании разности частот в разность амплитуд реакций частотного фильтра слуха. При том и другом методах различения пороги по частоте приблизительно одинаковы.

Как показали проведенные эксперименты, разрешающая способность слуха дельфина по времени в области низких частот не хуже примерно 80 мкс в полосе 10,5-25,5 кГц и составляет около 60 мкс в полосе частот 2-30 кГц. Столь высокая разрешающая способность слуха дельфина по времени (для сравнения – у человека 1000-2000 мкс) заставляет пересмотреть широко распространенное мнение о пассивном слухе дельфина.

Недавно выполненное моделирование задачи эхолокационного различения мишеней дало основания рассматривать подбородочные отверстия в качестве каналов, через которые звук проходит в жировой тяж нижней челюсти дельфина. Была также изучена морфология нижней челюсти и черепа дельфина. Были найдены закономерности морфологии важные с точки зрения акустики. Механизмы звукопроведения по подбородочным каналам (ПК) и мандибулярному каналу (МК) были проанализированы с точки зрения теории линейных групповых антенн и физической акустики. Было показано, что ПК как акустически узкие волноводы проводят звук в жировой тяж мандибулярного канала без искажений и определяют его интенсивность, а левый и правый ряд ПК играют роль элементарных приемников антенны бегущей волны (АБВ). Морфологические структуры каждой из половин нижней челюсти (подбородочные каналы, мандибулярный канал и жировой тяж) рассматриваются как компоненты предполагаемого специализированного периферического отдела cлуха дельфина. ПК играют роль элементарных приемников антенных решеток, а структура их расположения определяет характеристику направленности (ХН) каждой антенной решетки и соответственно слуха дельфина. Следовательно, взаимно дополняющая асимметричная архитектура ПК формирует особенности ХН слуха дельфина.

Рассмотренные свойства подбородочных каналов, в значительной степени подтверждены экспериментальными результатами. Акустическое экранирование подбородочных каналов, существенно ухудшает слух дельфина и на низких частотах, и на частотах свистовых сигналов, и в области частот эхолокации. Но самое главное, подбородочные каналы представляют собой уникальный звукопроводящий путь в жировой тяж мандибулярного канала для звуков всех частот слуха дельфина. В свете полученных результатов, предположение о том, что морфологические структуры нижней челюсти представаляют собой специализированный периферический отдел слуховой системы дельфина, которое было основано на изучении морфологии и результатах моделирования, имеет дополнительное экспериментальное подтверждение.

По результатам исследований, проведенных на базе подразделения, опубликовано более 200 работ.