Рисунок 3 - Реакция краба Paralithodescamtchaticus на магнитное поле с частотой 1 Гц.
Обозначения: 1 - двигательная активность, дискретность 1 с; 2 - сглаженная кривая активности;
3 - начало воздействия (01:18:09); 4 - начало реакции (01:19:06); 5 - максимальная реакция (01:19:22).
Следует отметить отсутствие "гладкости". Средний период колебаний примерно 3-4 с, видимо, обусловлен некоторыми физиологическими особенностями, которые нам неизвестны. Причем, такие колебания сохраняются после начала воздействия знакопеременным полем, а также после достижения максимальной реакции (МОР). Периоды 1 с в результатах не выявляются. Результатом воздействия является повышение активности (отчуждение, попытка уйти из зоны воздействия).
Можно ожидать, что с повышением частоты задержка реакции должна уменьшаться, поскольку возрастает количество знакопеременных "стимулов". Характерный пример приведен на рисунке 4. Здесь полная задержка реакции (до достижения МОР) происходит всего лишь за 3 с. При этом важно отметить, что эффект возрастания активности существенно больше (в сравнении с рисунком 3).
Рисунок 4 - Реакция краба Paralithodescamtchaticus на магнитное поле с частотой 8 Гц.
Обозначения: 1 - начало воздействия, 2 - максимальная реакция; дискретность наблюдений 1 с.
Здесь также наблюдаются вариации активности с периодами 3-4 с, как и в предыдущих результатах. При этом амплитудные значения вариаций примерно соответствуют значениям на рисунке 3 (см. шкалу активности).
В ранее проводившихся экспериментах нам представлялась более интересной реакция дисперсии активности. Дисперсия, как известно, проявляется в колебаниях относительно среднего значения. Расчет текущей дисперсии проводился по 20-ти точкам с шагом в 1 с, значение соотносилось к 10-й точке.
Дисперсия рассчитывалась после фильтрации рядов полосовыми цифровыми фильтрами Поттера, при этом устранялись тренд и высокочастотные шумы. На рисунке 5 приведен характерный пример изменчивости двигательной активности краба относительно нулевого среднего. Дисперсия резко изменяется после точки 2 (01:05:15) с задержкой по отношению к началу воздействия 1 (01:05:01).
Рисунок 5 - Задержка изменчивости двигательной активности краба Paralithodescamtchaticus на переменное магнитное поле частотой 0,5 Гц. Обозначения: 1 - начало воздействия; 2 - начало реакции.
Полезно отметить интересную особенность: колебания двигательной активности до воздействия МП были сравнительно медленными (18-20 с), после воздействия возрос размах колебания, а период уменьшился до 6-7 с.
На рисунке 6 показан пример задержки реакции уже по рассчитанной дисперсии активности. Реакция дисперсии получается как бы "затянутой" (рисунок 6 в сравнении с рисунком 4), что вполне понятно, поскольку связано с особенностями расчета дисперсии (20 точек, смещаемых с шагом на одну точку).
Рисунок 6 - Задержка реакции дисперсии двигательной активности краба Paralithodescamtchaticus на переменное МП частотой 8 Гц. Обозначения: 1 - начало воздействия; 2 - начало реакции дисперсии; 3 - максимально ожидаемая реакция (МОР).
Предварительные оценки зависимости времени реакции от частоты показаны на рисунке 7. Здесь, в целом, подтверждается предположение об уменьшении времени реакции с увеличением частоты. Наблюдается небольшая немонотонность при увеличении частоты, но это требует дополнительного изучения. Тем более что доверительные интервалы не могли быть определены из-за слишком малого количества данных.
Рисунок 7 - Предварительные оценки задержек реакции дисперсии двигательной активности краба Paralithodescamtchaticus на воздействие переменным магнитным полем различных частот.
Сомовые рыбы. Изучение задержек реакций предпринималось нами также в экспериментах с сомовыми рыбами. Определялись реакции небольших групп (8-11 особей) сомиков Corydoras aeneusна воздействие переменными электрическими и магнитными полями в КНЧ-диапазоне. Методика проведения экспериментов описана в нашей работе [6].
Рыбы более подвижны и не могут столь "остро" реагируют на изменения внешних, в частности - электромагнитных, факторов как донные животные - крабы, для которых штормовое волнение на поверхности моря, видимо, может оказаться весьма опасным из-за возможных ударов о камни. Ведь штормовое волнение при типичных длинах волн 100-150 метров может проникать на глубины 50-70 метров.
У сомиков Corydoras aeneus задержки реакций дисперсии двигательной активности аналогично спадают с увеличением частоты (рисунок 8), но немонотонно. Эксперименты проводились как в магнитном поле (рисунок 8), так и в однородном электрическом поле (рисунок 9)
Рисунок 8 - Время задержки дисперсии реакции и интенсивность реакции сомиков Corydoras aeneus при воздействии переменным магнитным полем различных частот. Обозначения: 1 - время задержки; 2 - интенсивность реакции.
Интенсивность реакции на этих графиках указана для попытки связать немонотонный характер задержек и бимодальный характер интенсивности реакций. Бимодальный характер реакций рассмотрен нами в работе [7] применительно к проблеме получения гидробионтами информации о гидрометеорологических процессах над водоемами. На приводимых графиках можно отметить, что интенсивность реакции ("восприимчивость" переменного поля) и время задержки реакции связаны. Причины такой связи пока не совсем ясны.
Рисунок 9 - Время задержки дисперсии реакции и интенсивность реакции сомиков Corydoras aeneus при воздействии переменным электрическим полем различных частот. Обозначении: 1 - время задержки; 2 - интенсивность реакции.
Наши предположения о немонотонном характере задержек реакций сводятся к тому, что рассмотренные здесь нелинейные динамические свойства у гидробионтов характеризуются уравнениями более высоких порядков чем уравнение (2) с решениями (3). Однако эти предположения требуют дальнейших исследований.
Оценка возможностей создания критериев подобия.
Предварительные критерии подобия здесь предлагаются только в приближении эффектов первого порядка, соответствующих решениям (5) уравнения (2). В естественных условиях, например, при приближении циклона существует длительный период воздействия ЭМ-полем. Обозначим такой период как Tп. Соответственно, накопление реакции связано с этой длительностью и действующей напряженностью ЭМ-поля (электрического или магнитного). В условиях лабораторного эксперимента задавать подобные периоды малопродуктивно.
Если в лабораторных условиях задавать период Tл"Tп, то критерии подобия, на наш взгляд, могут быть выражены в виде:
, (6)
где Bm с соответствующим индексом - амплитудное значение индукции переменного магнитного поля, а индексы означают: лабораторное ("л") и природное ("п") значения характеристик.
При моделировании воздействия переменным электрическим полем аналогичные критерии могут быть следующими:
, (7)
где еотн - относительная диэлектрическая проницаемость (с соответствующими индексами) среды в которую помещены гидробионты;
Em - амплитудное значение напряженности воздействующего переменного электрического поля.
Критерий (6) можно проиллюстрировать следующим образом.
При среднем значении индукции переменного магнитного поля приближающегося циклона примерно 5-10 нТл и времени его приближения примерно 20 часов (средняя скорость около 30 км/час) получается следующее. В экспериментах по моделированию реакций на приближение поля циклона (длительность воздействия 1 час) необходимо повышать индукцию в примерно в 20 раз, т.е. задавать ее примерно равной 100-200 нТл на "действующей" частоте ЭМ-поля циклона примерно 6-8 Гц.
Здесь использованы характеристики ЭМ-поля циклонов из нашей работы [7]).
Критерии (6) и (7) приведены при условии адекватности действующих частот на модели и в природе.
Обсуждение и выводы.
Полученные результаты позволяют считать, что реакция гидробионтов на знакопеременные электрические либо магнитные поля повышенных частот возможна только за счет нелинейности динамических свойств гидробионтов, рассматриваемых как некоторый "черный ящик".
Задержки реакций по полученным данным у крабов Paralithodescamtchaticus и у групп сомиков Corydoras aeneusуменьшаются с увеличением частоты. Однако это уменьшение, в частности, выявленное у сомиков, получается немонотонным. На наш взгляд, немонотонность вызвана бимодальным характером восприимчивости рыбами переменных электрических или магнитных полей.
Предлагаемые критерии подобия для моделирования воздействий основаны на нелинейных динамических свойствах гидробионтов как систем первого порядка и требуют специальных дальнейших исследований, особенно с учетом выявленной немонотонности характера задержек реакций при увеличении частоты.
гидробионт поле электромагнитный
Библиографический список
1.Волькенштейн М.В. Биофизика.- М., Наука, 1981.- 575 с.
2.Муравейко В.М., Электросенсорные системы животных. - Апатиты: Изд. Кольского филиала АН СССР, 1988. - 106 с.
3.Муравейко А.В., Степанюк И.А., Муравейко В.М., Фролова Н.С. Эффекты влияния электромагнитных полей в области "шумановских резонансов" на активность гидробионтов //Вестник МГТУ. - 2013. - Т.16, №4. - С.764-770.
4.Степанюк И.А. Особенности реакций биологических и физико-химических систем на внешние факторы.- СПб.: Изд-во РГГМУ, 2004.- 97 с.
5.Степанюк И.А. Проблема мониторинга электромагнитных полей КНЧ-диапазона в тропосфере и гидросфере Земли.- СПб.: Изд-во РГГМУ, 2014 .- 220 с.
6.Фролова Н.С., Степанюк И.А. Электромагнитные поля гидрометеорологических процессов как фактор экологии гидробионтов//Электронный периодический рецензируемый журнал "SCI-ARTICLE.RU". - 2016. - № 35. - С.84-95.
7.Фролова Н.С., Степанюк И.А. Физические механизмы восприятия гидробионтами биологически важных гидрометеорологических процессов над водоёмами//Электронный периодический рецензируемый журнал "SCI-ARTICLE.RU". - 2017. - № 43. - С.232-244.