CC BY
8
Byrkjedal I., H0ines A. Distribution of demersal fish in the south-western Barents Sea // // Polar Research. 2007. Vol. 26. P. 135-151.
Jensen A.S., Vols0e H. A revision of the genus Icelus (Cottidae) with remarks on the structure of its urogenital papilla. Det. Kongelige Danske Videnskabernes Selskab. Ser. Biologiske meddelelser. K0benhavn: I kommission hos Ejnar Munksgaard, 1949. Vol. 21(6). 31 p.
Marine fishes of the Arctic region / C.W. Mecklenburg, A. Lynghammar, E. Johannsen et al. Akureyri: CAFF (Conservation of Arctic Flora and Fauna), 2018. Vol. 1. 454 p.
McAllister D.E. Systematic notes on the sculpin genera Artediellus, Icelus and Triglops on Arctic and Atlantic coasts of Canada // Bull. Natl. Mus. Can. 1962. Vol. 185. P. 50-59.
Nelson D. W. Systematics and distribution of cottid fishes of the genera Rastrinus and Icelus. San-Francisco: Occas. Pap. Calif. Acad. Sci., 1984. № 138. 58 p.
DOI: 10.37614/2307-5252.2021.3.9.019 УДК 57.08
А.П. Яковлев
Мурманский морской биологический институт РАН, г. Мурманск, Россия
РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТОРЕЦЕПЦИИ У СЕРЫХ ТЮЛЕНЕЙ
Аннотация
Некоторыми исследователями было высказано предположение, что китообразные во время своих миграций используют геомагнитное поле Земли для ориентации. Ластоногие также совершают длительные миграции в открытом море при отсутствии явных ориентиров, что может свидетельствовать о наличии у них магнитного чувства. В работе описаны разработка и конструирование экспериментального стенда, в основе которого лежат кольца Гельмгольца, для изучения магниторецепции у серых тюленей. Приводится методика "выбор объекта с заданными характеристиками", адаптированная для проведения экспериментов с ластоногими.
Ключевые слова: магниторецепция, условный рефлекс, серые тюлени.
A.P. Yakovlev
Murmansk Marine Biological Institute RAS, Murmansk, Russia
DEVELOPMENT OF AN EXPERIMENTAL INSTALLATION FOR GRAY SEAL MAGNETORECEPTION RESEARCH
Abstract
The assumption was made that Cetaceans, both whales and dolphins, are using geomagnetic field of Earth for orientations during migration. Pinnipeds also make
long-distance migrations in open seas without apparent reference point. That may be an evidence of magnetic sense in pinnipeds. In this paper we describe development and construction of experimental installation based on Helmholtz coil for gray seal magnetoreception research. A technique of "selection of an object with specified characteristics" is described, adapted for conduction of experiments with pinnipeds.
Keywords: magnetoreception, conditioned reflex, gray seals.
Введение. Магнитные и электрические поля являются частью окружающей среды каждого живого организма (Skiles, 1985). Многие из них (от бактерий и простейших до птиц и млекопитающих) способны воспринимать геомагнитные сигналы (Wiltschko, Wiltschko, 2005). Организмы реагируют на направление, величину и наклон геомагнитного поля.
Магнитная ориентация широко распространена в водной среде и связана как с миграциями на большие расстояния, так и с локальными перемещениями (Johnsen, Lohmann, 2008). Есть свидетельства, что морские черепахи, рыбы и ракообразные обладают способностью воспринимать магнитные карты (Mouritsen, 2018). Было высказано предположение, что китообразные (киты и дельфины) во время своих миграций ориентируются с помощью геомагнитных сигналов. К примеру, места наблюдений финвалов Belaenoptera physalus на северо-востоке США коррелировали с районами, где наблюдалась низкая геомагнитная активность во время их регистраций, а зависимость от рельефа дна и глубины не прослеживалась, что указывает на использование геомагнитных сигналов для навигации (Evidence ..., 1992). В неволе дельфины-афалины Tursiops truncates приближались к магнитному объекту быстрее, чем к идентичному немагнитному объекту, что указывает на магнитное чутье (Behavioural ..., 2014).
Китообразные и ластоногие совершают длительные миграции на большие расстояния. И если использование магниторецепции китообразными широко обсуждается в научном сообществе, то исследования, посвященные восприятию магнитных полей ластоногими, практически отсутствуют. Например, сезонные миграции беломорской популяции гренландского тюленя охватывают значительную часть Северной Атлантики с прилегающими морями - Баренцевым, Гренландским и Норвежским, а также Карское море. Миграция идет в направлении от северной границы Белого моря на северо-запад вдоль берегов Скандинавского полуострова. Тюлени достигают вод у Шпицбергена, затем следуют вдоль ледовой кромки между архипелагами Шпицберген и Земля Франца-Иосифа, далее направляются на юг вдоль западного побережья Новой Земли, на юго-восток Баренцева моря и далее в Белое море (Чапский, 1938; Nilssen, 1995; Seasonal ..., 2008). Тюлени, совершая миграции в открытом море, практически лишены визуальных ориентиров, а значительные глубины не позволяют использовать рельеф
дна для ориентации. Логично предположить, что и ластоногие могут использовать геомагнитное поле для ориентации при совершении длительных миграций, т. е. могут обладать магниторецепцией.
Материалы. Для создания магнитного поля используется генератор сигналов произвольной формы АКИП-3418/1, который представляет собой 16-битный генератор сигналов специальной и произвольной формы, с помощью которого можно создавать сигналы высокой точности. При помощи коаксиального кабеля через переключатель к генератору подключаются кольца Гельмгольца, закрепленные на экспериментальном стенде (рис. 1).
Рис. 1. Экспериментальный стенд (вариант 2): 1, 2, 3 - кольца Гельмгольца, закрепленные при помощи деревянных рамок на стенде; 4 - таргет; 5 - переключатель каналов подачи сигнала
Fig. 1. Experimental stand (option 2): 1, 2, 3 - Helmholtz rings fixed with wooden frames on the stand; 4 - target; 5 - signal channel switch
Поскольку две магнитные катушки конструируются так, чтобы быть идентичными, при равенстве радиуса катушек расстоянию между ними, внутри последних образуется однородное магнитное поле. Две катушки соединены последовательно таким образом, чтобы их питал одинаковый ток, который создавал бы два одинаковых магнитных поля. При сложении два поля создают однородное магнитное поле в цилиндрическом объеме в центре пространства между двумя параллельными катушками.
Это однородное поле занимает объем пространства цилиндрической формы, имеющий радиус примерно равный 25 % от радиуса катушки и длину, соответствующую 50 % от расстояния между катушками. Кольца Гельмгольца генерируют магнитные поля во всех направлениях 3-мерного пространства внутри пары катушек.
Каждая катушка Гельмгольца представляет собой два кольца диаметром 25 см, на внешней стороне которых имеется паз для намотки медной проволоки, поверх которого размещается защитный кожух. Кольца и защитный кожух изготовлены из полиэтилена. Каждое из двух колец имеет 300 витков медной изолированной проволоки диаметром 0.2 мм, т. е. на каждом кольце намотано 235.6 м проволоки. После установки защитного кожуха кольцо изолировалось при помощи изоленты и силикона для исключения попадания внутрь конструкции морской воды. Клеммы для подключения внутреннего и внешнего контакта проволоки выведены на специальные выступы в защитном кожухе.
Для двух серий экспериментов изготовлены следующие варианты экспериментального стенда: А - стенд с двумя парами колец Гельмгольца; Б - с тремя парами (рис. 2).
Рис. 2. Экспериментальный стенд. Пояснение в тексте Fig. 2. Experimental stand. Explanation in the text
Кольца Гельмгольца были закреплены на экспериментальном стенде при помощи деревянного каркаса. Согласно правилу изготовления, для получения магнитного поля с наибольшей индуктивностью, расстояние между кольцами равнялось радиусу колец, т. е. 12.5 см в нашей конструкции. Кольца были подключены последовательно с целью получения равномерного постоянного магнитного поля внутри них. Каждая пара колец была соединена коаксиальным кабелем с переключателем каналов, который имеет 10 независимых выходов и положение "ноль", при котором сигнал не подается ни на один из выходов. Переключатель каналов, в свою очередь, соединялся с генератором сигналов с помощью коаксиального кабеля. Сигнал на переключатель поступал с двух независимых выходов генератора, тем самым достигались максимальные значения генерируемой магнитной индукции на катушках Гельмгольца.
Был выполнен расчет магнитной индукции, которую способны выработать изготовленные катушки Гельмгольца. Теоретическая величина индукции составила 140 мкТл. Для измерений фактической магнитной индукции, производимой нашими катушками Гельмгольца, был использован магнитометр.
Максимальные значения магнитной индукции (125-130 мкТл) были получены при генерации постоянного магнитного поля синусоидальной формы при подаваемом напряжении 10 В и частоте сигнала 20-50 Гц. При частоте сигнала 2-20 Гц, индукция находилась на уровне 110120 мкТл.
Методы. В качестве основы проведения экспериментов были взяты методы условного рефлекса, как один из наиболее информативных для экспериментального изучения функционального состояния высших отделов ЦНС (Павлова и др., 2013) и выбор объекта по заданному признаку. Эти методы были нами адаптированы под объект исследования и поставленные цели экспериментов.
В первой серии экспериментов тюлени должны дифференцировать объект по наличию магнитного поля, выбирая из двух пар катушек Гельмгольца ту, в которой на данный момент генерируется магнитное поле с определенным значением индукции (рис. 2А). Во второй серии экспериментов животные должны выбрать одну из трех пар катушек Гельмгольца, на которую подавался сигнал от генератора (рис. 2Б ). Каждая из двух серий экспериментов состоит из двух идентичных этапов.
Первый этап заключается в предъявлении нового для тюленя стимула - магнитного поля частотой 8, 20 и 36 Гц и магнитной индукции внутри катушек 110, 115 и 130 мкТл соответственно. Экспериментальный стенд закрепляется на уровне 10-15 см выше уреза воды, тренер находится на противоположной стороне вольера. Тюлень занимает стартовую позицию в воде на стороне вольера, рядом с тренером. По команде "ищи" животное должно подплыть к экспериментальному стенду и выбрать из двух или трех катушек ту, в которой в данный момент генерируется магнитное поле. Выбор обозначается касанием морды таргета желтого цвета, закрепленного в центре катушек Гельмгольца на экспериментальном стенде (рис. 1), тюлень должен удерживать морду, касаясь его не менее 5 с. При верном выборе следует бридж-сигнал и пищевое подкрепление.
Второй этап заключается в проведении контрольных экспериментов с видеофиксацией для последующей обработки и статистического анализа. Для каждого опыта составляется протокол проведения эксперимента из тридцати повторностей за тренировку с порядком включения одной из двух (в первой серии опытов) или одной из трех (во второй серии опытов) катушек Гельмгольца. Последовательность включения катушек определяется псевдослучайным образом, с условием не более трех предъявлений одной и той же катушки подряд.
Обсуждение. При изучении магниточувствительности животных приходится встречаться с двумя главными проблемами. Первая из них связана с тем, что многие поведенческие результаты небезупречны с методологической точки зрения, не всегда воспроизводимы и не информативны в отношении функционирования "магнитного чувства". Вторая трудность заключается в том, что пока неизвестно, где именно и каким образом детектируется магнитное поле (Able, 1980). Поэтому трудно спланировать и осуществить "решающие" опыты, чтобы получить нужные поведенческие, анатомические и нейрофизиологические доказательства наличия этого чувства у животных и проанализировать его возможности.
Опыты с условными рефлексами могли бы обеспечить нужную воспроизводимость и убедительность результатов, если требуется доказать факт магниточувствительности.
Первое, что следует проверить в экспериментах с выработкой условных рефлексов - это могут ли животные различать разные магнитные стимулы. Поэтому, прежде всего, должны быть выбраны процедуры, позволяющие выяснить этот вопрос. Необходимо подобрать экспериментальную ситуацию, процедуру испытаний, способ оценки реакций, характер реакций и стимулов, подлежащих различению. Когда будет установлено, что животное различает интересующие нас стимулы, дальнейшие детали исследования будут определяться проверяемой гипотезой (Kling, 1971).
В экспериментах с условным рефлексом будет выявляться научение, т. е. относительно устойчивое изменение поведения, обусловленное индивидуальным опытом (Kling, 1971). В частности, в экспериментах с дискриминативным научением видоизменяется какая-то доступная для измерения особенность поведения, приобретаемая в ходе обучения. При унитарной процедуре определяют ответ (да, нет), который в разных условиях стимуляции получает положительное или отрицательное подкрепление. Дискриминативное научение можно оценить при сравнении готовности отвечать на разные стимулы (Bitterman, 1966).
Магнитные поля - это стимулы, проникающие повсеместно, поэтому в экспериментальных ситуациях их можно предъявлять только последовательно по одному. Эксперименты с дифференцировкой, в которых стимулами служат магнитные поля, принадлежат к числу наиболее трудных для подопытных животных (Mackintosh, 1974).
Поэтому при изучении восприятия магнитных полей предпочтительна унитарная схема, а не опыты со сложными дифференцировками. Подобная схема эксперимента дает испытуемым свободу передвижения (Kreithen, Keeton, 1974) и предоставляет им достаточно времени, чтобы ознакомиться с окружающей магнитной обстановкой и многократно прореагировать на нее во время испытаний.
Литература
Павлова Л.Н., Жаворонков Л.П., Дубовик Б.В. Влияние низкоинтенсивного широкополосного импульсно-модулированного электромагнитного поля на когнитивные функции мозга крыс // Радиация и риск. 2013. Т. 22, № 2. С.91-100.
Чапский К.К. Новейшие данные о распределении беломорской расы гренландского тюленя вне беломорского района // Проблемы Арктики. 1938. № 4. С. 105-131.
Able K.P. Mechanisms of orientation, navigation, and homing // Animal migration, orientation and navigation. New York: Acad. Press, 1980. P. 283-373.
Behavioural evidence of magnetoreception in dolphins: detection of experimental magnetic fields / D. Kremers, J.L. Marulanda, M. Hausberger, A. Lemasson // Naturwissenschaften. 2014. Vol. 101(11). P. 907-911.
Bitterman M.E. Animal learning // Experimental methods and instrumentation in psychology. New York: McGraw-Hill, 1966. P. 451-484.
Evidence that fin whales respond to the geomagnetic field during migration / M.M. Walker, J.L. Kirschvink, G. Ahmed, A.E. Dizon // J. Exp. Biol. 1992. Vol. 171(1). P. 67-78.
Johnsen S., Lohmann K.J. Magnetoreception in animals // Feature Article. Phys. Today. 2008. Vol. 61(3). P. 29.
Kling J.W. Learning: Introductory survey // Woodworth and schlosberg's experimental psychology. New York: Holt, Rinehart and Winston, 1971. P. 551-613.
Kreithen M.L., Keeton W.T. Attempts to condition homing pigeons to magnetic stimuli // J. Comp. Physiol. 1974. Vol. 91. P. 355-362.
Mackintosh N.J. The psychology of animal learning. New York: Acad. Press, 1974. 730 p.
Mouritsen H. Long-distance navigation and magnetoreception in migratory animals // Nature. 2018. Vol. 558(7708). P. 50.
Nilssen К.Т. Seasonal distribution, condition and feeding habits of Barents Sea harp seal (Phoca groenlandica) // Whales, seals, fish and man. Amsterdam, Lausanne, New York, Oxford, Shannon and Tokyo: Elsevier, 1995. P. 241-254.
Seasonal distribution and dive behaviour of harp seals (Pagophilus groenlandicus) of the White Sea-Barents Sea stock / E.S. Nord0y, L.P. Folkow, V. Potelov et al. // Polar Biology. 2008. Vol. 31. P. 1119-1135.
Skiles D.D. The geomagnetic field: its nature, history and biological relevance // Magnetite biomineralization and magnetoreception by living organisms: a new biomagnetism. New York: Plenum Press, 1985. P. 43-102.
Wiltschko W., Wiltschko R. Magnetic orientation and magnetoreception in birds and other animals // J. Comp. Physiol. 2005. Vol. 191(8). P. 675-693.
