Исследование влияния низкочастотных магнитных полей на гидробионтов

Внедрение: 2018 г.

Ранее в статье Система поддержания нормированного изменения индукции магнитного поля в ограниченном пространстве мы рассказывали о применении Установки измерительной LTR в биологических исследованиях, связанных с изучением влияния магнитного поля на живые организмы. Продолжение исследований по данной теме мы увидели в докторской диссертационной работе [1], успешно защищённой в 2019 году в Институте биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН.

В экспериментальной части данной работы имитировали сигнал типичной сильной геомагнитной бури (ИГМБ), записанный на широте проведения экспериментов (рисунок 1). В исследованиях использовали синусоидальные низкочастотные магнитные поля (НЧ МП), близкое к нулевому значение магнитной индукции или гипомагнитные условия (ГМУ) и условия смещения суточной геомагнитной вариации относительно смены дня и ночи. Параметры НЧ МП в разных экспериментах варьировали в диапазоне 18,5‑500 Гц, 1,5‑44,5 мкТл. В качестве контрольных условий использовали немодифицированное невозмущенное геомагнитное поле (51,7 мкТл, наклонение 75.05º). Воспроизведение геомагнитных возмущений осуществляли при помощи специально разработанной экспериментальной установки (патент RU 108640 U1), которая состоит из следующих элементов: 

1. трёхкомпонентный феррозондовый магнитометр (НВ0302А), служащий для регистрации естественных флуктуаций геомагнитного поля в широтном, меридиональном и вертикальном направлении; 
2. две системы из трех пар взаимно ортогональных колец Гельмгольца, имеющих одинаковые геометрические размеры и общий центр (куб, на сторонах которого размещены кольца Гельмгольца); 
3. АЦП и ЦАП (крейтовая система LTR, укомплектованная модулями LTR11, LTR22 и LTR34-4); 
4. компьютер. 

Визуализацию и анализ регистрируемых и генерируемых сигналов осуществляли посредством коммерческого ПО PowerGraph Pro.

Рисунок 1. Сигнал сильной геомагнитной бури, воспроизводимый в экспериментах: слева – магнитограмма, зарегистрированная в меридиональном, широтном и вертикальном направлениях; справа – колебания индукции и направления вектора геомагнитного поля.

Для воспроизведения в экспериментах аналоговые сигналы реальных геомагнитных событий с высоким разрешением были переведены в цифровую форму. Эта запись транслировалась с компьютера на первую обмотку системы колец Гельмгольца через ЦАП сигналов для генерации бури, её отдельных частотных составляющих или смещения суточной геомагнитной вариации в направлении трёх компонент геомагнитного поля. В то же время магнитометр, АЦП сигналов, компьютер, ЦАП и вторая обмотка колец Гельмгольца функционировали как система с обратной связью, осуществляющая компенсацию естественных флуктуаций геомагнитного поля внутри рабочего объема системы колец Гельмгольца. Компенсация осуществлялась относительно уровня невозмущенного геомагнитного поля в диапазоне частот 0‑5 Гц при воспроизведении геомагнитной бури и отдельных частотных составляющих широкополосного сигнала бури, а также при имитации смещения суточной геомагнитной вариации. 

Для генерации синусоидальных НЧ МП использовали генераторы сигналов Г3‑102 и Г6‑27 и кольца Гельмгольца, которые размещали параллельно вертикальной составляющей геомагнитного поля. Для создания ГМУ были использованы три пары взаимно ортогональных колец Гельмгольца (диаметр 0,5 м) и три источника постоянного тока (АКИП‑1103). Перед каждым экспериментом были определены напряженность и направление вектора геомагнитного поля в месте проведения экспериментов. После этого систему колец Гельмгольца размещали таким образом, чтобы за счет суперпозиции генерируемое постоянное магнитное поле в значительной степени компенсировало геомагнитное поле (индукция внутри рабочей зоны 0 ± 100 нТл).

Среди многочисленных экспериментов была проведена оценка темпов раннего развития и смертности развивающихся in vitro эмбрионов D. magna. После экспозиции магнитным полем оценивали выживаемость эмбрионов и время наступления следующих маркерных стадий развития с точностью до 15 минут: выход развивающихся эмбрионов из первой (внешней) яйцевой оболочки (рисунок 2б) и выход развивающихся эмбрионов из второй (внутренней) яйцевой оболочки (рисунок 2г).

Рисунок 2. Стадии раннего развития D. magna: а – яйцо; б – вылупление из первой яйцевой оболочки; в – развитие до вылупления из второй яйцевой оболочки; г – вылупление из второй яйцевой оболочки; д – отделение хвостовой иглы от карапакса; е – ювенильная особь.

Для оценки биологических эффектов отдельных частотных составляющих ИГМБ был использован трёхкомпонентный широкополосный сигнал сильной геомагнитной бури, соответствующий главной фазе, а также две составляющие этого сигнала: одна – в диапазоне 0‑0,001 Гц, другая – в диапазоне 0,001‑5 Гц (рисунок 3). Оценивали влияние указанных факторов на гидробионтов, принадлежащих к разным таксономическим группам.

Рисунок 3. Трехкомпонентный широкополосный сигнал геомагнитной бури и его частотные составляющие, использованные в экспериментах. Зеленая область соответствует начальной фазе, розовая – главной, фиолетовая – фазе восстановления геомагнитной бури.

Полученные результаты раскрывают принципы и закономерности влияния абиотического экологического фактора – геомагнитных бурь – на гидробионтов. Геомагнитные бури воспринимаются водными организмами как нарушение суточной вариации геомагнитного поля в ряду регулярных суточных флуктуаций, которое не согласуется с естественным циклом освещенности, что приводит к десинхронизации процессов, модулируемых разными экзогенными водителями ритма.

В описании "научной новизны" автор отмечает: "Впервые выполнено точное воспроизведение геомагнитной бури в ограниченном объеме на основе записи реальных геофизических процессов. Исследованы биологические эффекты влияния этого экологического фактора на водные организмы. Биологическая эффективность геомагнитных бурь, оцененная ранее путем установления значимых корреляций между индексами геомагнитной активности и различными показателями жизнедеятельности гидробионтов, впервые была подтверждена экспериментально...".

Источники:

1. Крылов В.В. Влияние естественных и антропогенных низкочастотных магнитных полей на гидробионтов: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук. – Борок. – 2018. – 42 с.
2. Крылов В.В., Зотов О.Д., Клайн Б.И. Устройство для генерации магнитных полей и компенсации локального низкочастотного магнитного поля. А.С. RU 108 640 U1 (Россия). Заявл. 13.05.2011, № 2011119410/28; Опубл. 20.09.2011 // Изобретения, полезные модели: Официальный бюл. 2011. № 26.
3. Крылов В.В. Способ предотвращения негативных медико-биологических эффектов геомагнитных бурь. А.С. RU 2574377 С1 (Россия). Заявл. 26.08.2014, № 2014135062/14; Опубл. 10.02.2016 // Изобретения, полезные модели: Официальный бюл. 2016. № 4.

Разработчик: Крылов В.В. (ФГБУН Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН)