Сезонные изменения поля биолюминесценции в прибрежной зоне г. Севастополя

АННОТАЦИЯ



Бакалаврская  диссертация  посвящена анализу сезонных изменений поля биолюминесценции прибрежной акватории г. Севастополя. Показано разнообразие биолюминесцентных организмов Мирового океана и дан сравнительный анализ спектров излучения морских биолюминесцентных организмов. Рассмотрены причины биолюминесценции морских организмов. Представлен анализ развития приборного парка для измерения морского биолюминесцентного потенциала in situ. 

Установлено, что сезонная вариабельность вертикальной структуры поля биолюминесцении в поверхностных и глубинных слоях существенно отличается. Проведенный анализ сезонной динамики интенсивности поля биолюминесценции подтвердил наличие весеннего и осеннего максимумов, показана связь с абиотическими факторами среды. 

Рассчитаны сезонные изменения коэффициента суточной динамики поля биолюминесценции, наиболее выражены изменение коэффициента в сентябре, в период вегетации.



ANNOTATION



The bachelor’s thesis is about the analysis of seasonal changes of the field of a bioluminescence of the off-shore strip of Sevastopol. Where a variety of bioluminescent organisms of the World Ocean is shown and the comparative analysis of radiation spectrum of marine bioluminescent organisms is given. The reasons of a bioluminescence of marine organisms are considered. The analysis of development of the instrumentation pool for measurement of in situ sea bioluminescent potential is provided. 

It was found that seasonal variability of vertical structure of the field of a bioluminescence in surface and deep layers differs essentially. The undertaken analysis of seasonal dynamics of intensity of the field of a bioluminescence confirmed the presence of spring and autumn maxima, connection with abiotic factors of the environment is shown. 

Seasonal changes of coefficient of daily dynamics of the field of a bioluminescence are calculated, the most evident coefficient change is in September, during the vegetation.



















































СОДЕРЖАНИЕ







ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ……………………………….

5

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..

6

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ ИСТОРИИ ИЗУЧЕНИЯ БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ……………………………………………………………………….



7

РАЗДЕЛ 2. АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ ПРИБОРНОГО ПАРКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БИОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ПОТЕНЦИАЛА………………



17

РАЗДЕЛ 3. РАЗНООБРАЗИЕ БИОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ОРГАНИЗМОВ МИРОВОГО ОКЕАНА…………………………………………...



26



3.1. Спектр излучения морских биолюминесцентных организмов

29



3.2. Причины биолюминесценции морских организмов………………

30



3.3. Биолюминесценты Черного моря…………………………………..

30

РАЗДЕЛ 4. АНАЛИЗ СЕЗОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ИНТЕНСИВНОСТИ ПОЛЯ БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В ПРИБРЕЖНОЙ АКВАТОРИИ Г. СЕВАСТОПОЛЯ…………………………………………..





32



4.1. Материал и методы исследований………………........................

32



4.2. Анализ сезонных процессов в прибрежных водах г. Севастополя (Чёрное море)……………………………………………………….



35



4.3. Уровень связи сезонной изменчивости интенсивности поля биолюминесценции в поверхностном и глубинном слоях открытой и закрытой акваторий моря в районе г. Севастополя…………….





45



4.4. Связь сезонной динамики поля биолюминесценции с абиотическими факторами……………………………………………………

46



4.5. Расчет коэффициента суточной динамики………………………...

52

РАЗДЕЛ 5. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ………………..

??

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………

??

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………..

??


ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ



ПБ

Поле биолюминесценции – суммарный световой эффект, создаваемый в толще воды совокупностью морских биолюминесцентов 

БП (В(р))

Биолюминесцентный  потенциал () - усредненный по времени измерения и отнесённый к единице просматриваемого объёма лучистый поток, излучаемый планктонными организмами, находящимися в темновой камере батифотометра;

пВт·см-2·л-1

энергия высвечивания планктонных  биолюминесцентов в  пиковаттах, падающая на 1 см2 фотокатода ФЭУ из просматриваемого объема  в 1 литр

м

метр

ст.

станция

б.

бухта

‰

промилле

0С

градус Цельсия

ч  

час

табл.

таблица

рис.

рисунок




ВВЕДЕНИЕ



Биолюминесценция – проявление жизнедеятельности организма в виде электромагнитного излучения в видимой области спектра – является одним из важнейших экологических и оптических факторов морской среды. Суммарный световой эффект, создаваемый совокупностью морских организмов в толще воды, называется полем биолюминесценции (ПБ) [1]. 

Изучение  пространственного распределения интенсивности поля биолюминесценции, которое создают планктонные биолюминесценты, в Чёрном море проводило большое количество исследователей [2, 3, 4]. Имеются представленные работы, которые посвящены выяснению характеристик интенсивности поля биолюминесценции в Чёрном море  в связи с разнообразием видов и распределением планктонных сообществ, а также с гидрофизическими характеристиками среды их обитания, сезонным изменениями интенсивности поля биолюминесценции [5, 6].

Изменение интенсивности поля биолюминесценции, образовываемое в Черном море гидробионтными сообществами, определено действием массы различных факторов. Благодаря этому, изучение процессов, оказывающих влияние на изменение интенсивности поля биолюминесценции, предусматривает исследование не только общих закономерностей развития биолюминесцентных гидробионтов, а и выявление скрытых факторов, которые оказывают воздействие на изменение интенсивности свечения гидробионтов.

В связи с вышесказанным, оказывается, крайне важно продолжать анализ  сезонной динамики параметров поля биолюминеценции в Черном море.

Цель работы: исследование сезонных изменений поля биолюминесценции в прибрежной зоне г. Севастополя.

Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:

Провести анализ и систематизацию литературных данных по истории изучения биолюминесценции. 

Проанализировать современное состояние развития гидробиофизических исследовательских комплексов.

Показать систематическое положение светящихся Dinophyceae Чёрного моря.

Провести сравнительный анализ спектров излучения морских биолюминесцентных организмов.

Оценить сезонную изменчивость интенсивности поля биолюминесценции в прибрежной акватории г. Севастополя.


РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ ИСТОРИИ ИЗУЧЕНИЯ

БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ



Первым научным извещением о биолюминесценции моря в нынешнюю эпоху  можно считать уведомление биолога К. Бенкса, который в 1768 г. произвел путешествие на борту корабля Д. Кука «Индевер». На переходе между островом Мадейрой и Бразилией, как-то раз ночью, он заметил сильное свечение моря. Отобравши пробу воды, он взглянул на нее в темном помещении и был изумлен: светились две группы животных – медузы и ракообразные. К. Бенкс записал это явление в дневник, который был издан, а животные были  переданы в музей, где позже каталогизированы. Собственно это самое событие и можно считать отправной точкой биологических изучений биолюминесценции моря [7]. 

Следующим научным событием стало открытие Г. В. Томпсона в 1828 г. [8], который обрисовал светящиеся в темноте организмы, словно бриллианты. Постановив, что открыл новый род светящихся организмов, он назвал их Noctiluca banksii. Правда это была не хорошо известная нам одноклеточная ноктилюка в нынешнем понимании, а животное, сходное с маленькой креветкой. Изданный им рисунок в «Зоологических исследованиях», передает, что это была эвфаузиида. Вследствие этого, первые суждения о том, что светится в море, были связаны с медузами и рачками отряда Shizopoda (расщепленноногиe), как полагали в то время [7]. 

Ч. Дарвин [9] привнес существенный вклад в понимание сути биолюминесценции как явления во время кругосветного путешествия на корабле «Бигль» в 1831 – 1836 гг.: «…Перед носом корабля взвивались две волны как бы из жидкого фосфора, а за ним тянулся млечный след. Везде, насколько было видно, светился гребень каждой волны, а на горизонте воздух, отражая блеск этих синеватых огней, не был так темен, как отдаленный небесный свод… Чем далее мы двигались к югу, тем реже нам встречалась эта фосфоричность… Это обстоятельство является, возможно, связанным с малым наличием организмов в этой части океана». Исходя из этого, Ч. Дарвин первый сопоставил интенсивность свечения моря с изобилием биоты в различных географических широтах и водных массах [7]. 

Также, Ч. Дарвин первым отметил, что в тропиках вода светится сильнее, чем в холодных регионах. Собственно он и отметил, что свечение моря случается двух типов: непрерывное и в виде некоторых вспышек. Самое удивительное, что именно Ч. Дарвин определил, что главной причиной свечения моря были не только мелкие животные, а какая-то невидимая субстанция, которую, как знаем мы теперь, составляет бактерио- и фитопланктон: «разорванные и неправильные частицы студенистого вещества составляю обыкновенную причину явления и в южном и северном полушарии. Частицы эти столь малы, что легко проходили сквозь тонкий газ, но многие можно было ясно распознать невооруженным глазом. Вода, налитая в бокалы и взболтанная, испускала искры.… Отмечу также, что, дав сети немного просохнуть после ночного ее применения и взявшись за нее снова через двенадцать часов, я определил, что вся ее поверхность светилась также ярко, как будто она прямо сейчас была вынута из воды» [7, 9].

Следующий этап усиленного изучения морской биолюминесценции возник после знаменитых исследований Г. О. Сарса, реализованных им в период экспедиции на «Челленджере» [8]. Исходя из результатов этих исследований впервые было обнаружено, что почти каждый вид эвфаузиид (шизопод) имеет около 10 фотофоров, предназначающихся в качестве люминесцентных органов этих рачков. В 1896 г. К. Чун произвел анатомические срезы фотофоров и описал строение органов свечения у эвфаузиид [10].

Итак, до начала ХХ века представления о морской биолюминесценции ограничивались описаниями отдельных случаев свечения и его носителей. Тем не менее, уже тогда учёные поражались масштабам этого загадочного явления. Не думая о реальных масштабах этого феномена, важно подметить, что тысячи лет человечество имело понятие только о поверхностном свечении моря [7].

Существенный переворот в понимании роли свечения моря для жизнедеятельности его обитателей случился после погружения в океанские глубины на батискафе У. Биба. Он утверждал, что жизнь на огромных глубинах действительно существует и что организмы на этих глубинах общаются с помощью биолюминесцентных сигналов [11]. По подсчетам У. Биба, во время погружения в 1938 г. у Бермудских островов на глубине 700 – 5500 м светятся 39 % семейств рыб: 81 % родов, 66 % видов и 97 % особей [12].

Н. Гарвеем был собран первый список из 300 светящихся наземных, пресноводных и морских организмов [13]. Н. И. Тарасовым были сделаны отдельные сводки по морским биолюминесцентам [14]. Также группой сотрудников во главе с И. И. Гительзоном, было обобщено множество материалов советских экспедиций того времени, рассмотрены записи в сотнях судовых журналах о визуально наблюдавшейся интенсивности биолюминесценции в различных районах Мирового океана [7].

Инструментальная же регистрация биолюминесценции в толще пелагиали совершилась впервые довольно случайно: Б. Боден и Е. Кампа погружали аппаратуру с использованием фотоумножителей для определения границы исчезновения солнечного света и, удивившись, с глубины 250 м и глубже стали регистрировать яркие вспышки света, которые могли давать только морские организмы. Гидробиология именно так и обрела аппаратуру для освоения биолюминесценции [7].

Первые исследования биолюминесценции в океане передали, что изменения интенсивности биолюминесценции с глубиной имеет сложный характер. Д. Кларк с соавторами, проводя первые зондирования глубоководным батифотометром, определили, что пики биолюминесценции располагались на глубинах 7 – 150 м, после чего случалось убывание интенсивности свечения до глубин 800 – 1000 м., где прослеживался второй максимум биолюминесценции [7, 15, 16].

В неритической зоне у Севастополя через некоторое время начались регулярные исследования суточных и сезонных колебаний биолюминесценции на основе еженедельных измерений [6]. Так в начале 70-х кабинет биолюминесценции ФГБУН «Института морских биологических исследований им. А.О.Ковалевского РАН» первым в мире начал постоянное  изучение  оптического спектра поля биолюминесценции во всевозможных регионах бассейна Атлантического океана [7, 17, 18] (рисунок 1.1). 

В отделе оптики МГИ АН УССР комплекс аппаратуры для исследования характеристик биолюминесцентного светового поля начал создаваться в 1970 г. [19]



Главные требования к аппаратуре: 

1. Возможность изучения характеристик биолюминесценции на дрейфовых станциях до глубины 2000 м на отдельных горизонтах, а также и методом зондирования. 

2. Фиксация характеристик биолюминесценции и некоторых связанных с ней параметров в подповерхностном водном слое на ходу судна по всему маршруту движения (в темное время суток). 

3. Возможность получения существенного объема информации с минимальными затратами времени забортных работ. Также высокая надежность датчиков. 

4. Присутствие зрительного контроля за переменами исследуемых характеристик. 

5. Представление информации в виде удобном, для ввода в ЭВМ и последующего хранения, и возможность обработки информации в реальном масштабе времени. 

Когда же пришел период интенсивных исследований биолюминесценции в различных странах и список морских светящихся организмов увеличился до 800 видов [7, 17, 20].

Было определено, что биолюминесценция распространена в Мировом океане повсюду, может иметь самопроизвольный характер, но, главным образом, проявляется в ответ на раздражение. Также интенсивность свечения тем выше, чем больше концентрация живых организмов и т.д. [7, 12 ,19 ,21, 22, 23]

Следовательно, только около 50 лет назад начала обрисовываться единая картина морской биолюминесценции. Были собраны подготовительные списки организмов, которые светятся. Переход к инструментальным способам изучений дал больше познаний о данном явлении, чем когда-либо ранее. Возникла новая методология исследования биолюминесценции, в том числе до наибольших в океане глубин [7]. 

Постижение биолюминесценции в последние годы приобрело характер прогностического инструмента, который применяется в коммерческих и экологических целях. Биолюминесценция является индикатором структуры и функционального состояния экосистемы, скоплений промысловых видов рыб, навигационным инструментом, токсикологическим показателем и т.д. [1, 7, 21, 24, 25, 26, 27] В наше время несложное аэрокосмическое сканирование имеет возможность в считанные часы предоставить столько же информации, сколько раньше требовалось многим научным экспедициям. Тем более, возникла возможность проводить оперативные массовые аэрокосмические съемки свечения, чего нереально достичь иными методами [28, 29].

Тем не менее, поскольку биолюминесценция – это многофункциональное сочетание ряда информационных характеристик, расшифровка любого космического снимка требует знания множества факторов – биологических, гидрологических, гидрохимических и других наблюдений в регионе. Вследствие этого в некоторых странах продолжаются усиленные разработки батифотометров и гидробиофизических комплексов разнообразного назначения [18, 19, 23, 30, 31]. 

	Первые исследования биолюминесценции с помощью погружных батифотометров проводили приблизительно по общей методике: осуществлялось одно зондирование до глубин 500 – 600 м и затем прибор вывешивался на горизонтах экстремального свечения [17, 24, 22]. Пространственную неоднородность ПБ в некоторых экспедициях постигали благодаря буксируемой фотометрической аппаратуре, закреплённой в шахте судна или буксируемой на тросе в кильватерной струе корабля [19, 32, 33, 34, 35]. Именно так осуществился статистико-географический подход, обеспечивающий определение синоптического и мезомасштабного распределения характеристик ПБ Мирового океана [17, 22, 36, 37]. Собственно по такой методике и были исследованы ПБ в Дэвисовом проливе, Гольфстриме, Саргассовом и Средиземном морях (1968), Тропической Атлантике (1970), ряде районов Тихого океана и т.д. [6, 17, 18, 32, 36]. 

При всем том по мере исполнения статистико-географического подхода было определено, что такая технология имеет множество недочетов. Эти недостатки в отдельных случаях целиком перечеркивали затраченные на сбор информации средства и усилия [28, 36]. Поистине, ПБ как всякое физическое поле характеризуется интенсивностью, энергией и частотным спектром. Так как это поле создается гидробионтами, оно характеризуется также биологическими признаками, такими как – числом составляющих его вспышек отдельных организмов, а также разнородностью их распределения в пространстве и времени [28, 37, 38, 39]. Собственно изучение структурно-динамического аспекта функционирования пелагических сообществ получилось неосуществимым с помощью технологии одноразовых зондирований [28]. Совершенно не оптимальной подобная методология оказалась, в частности, для изучения тонкой вертикальной структуры и пространственных мелкомасштабных неоднородностей распределения светящихся популяций [28, 40]. Отчего уже во второй половине 70-х годов стало явным, что необходима более безупречная аппаратура и иная методология изучения распределения и состава биолюминесцентов.

Попытались решить эту проблему Л. Бреслау и Х. Эджвиртон [41], предложив оригинальную схему батифотометра, который при получении импульса делал вспышку и снимал объект. Данная разработка дала толчок для развития  нового направления – биофизических комплексов, совмещенных с компьютерами [36, 42]. Чрезвычайно значимым стало не только фиксирование сигнала, но и определение генерирующих его организмов. Поэтому в институте физики СО АН СССР был разработан первый гидробиофизический комплекс «Ромашка» для сбора данных по свечению, с одновременным отбором проб кассетой батометров и установлением ряда гидрологических и гидрохимических характеристик среды (рисунок 1.2.)

	В отделе биофизической экологии «Института морских биологических исследований им. А.О.Ковалевского РАН» продолжаются непрерывные лабораторные и полевые исследование биолюминесценции. 

	Тем не менее, до сих пор не получили научного толкования многие удивительные факты, зафиксированные в судовых журналах мореплавателей. «Нам неизвестна обрисовка этих явлений учеными, но нет причин не доверять десяткам записей, которые были сделаны за несколько десятков лет штурманами ряда стран» - писал Н. И. Тарасов [43]. Фигурное свечение – не единственное из таких явлений: многокилометровые громадные колеса, крутящиеся с огромной скоростью, отчетливые светящиеся полосы, перечеркивающие океан от горизонта до горизонта, немалые флюоресцирующие пятна, взвевающиеся из глубин или «молочные моря» [44]. По всей вероятности, возникновение таких странных явлений в океане, прежде всего, можно пояснить недостаточной изученностью биоразнообразия светящихся организмов.

Итак, несмотря на внушительные достижения науки в постижении феномена биолюминесценции океана и определении её причинно-следственных связей с рядом биологических, гидрохимических и гидрофизических характеристик среды, нерешённых проблем и необъяснённых явлений в этом направлении всё также остаётся предостаточно.

	
РАЗДЕЛ 2. АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ ПРИБОРНОГО ПАРКА ДЛЯ
ИЗМЕРЕНИЯ БИОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ПОТЕНЦИАЛА



В лаборатории биолюминесценции и биоакустики ФГБУН «Институт морских биологических исследований им. А.О.Ковалевского РАН» (ныне отдел биофизической экологии) на протяжении последних 50 лет создан целый парк оригинального оборудования, который начинался с простого, но надежного батифотометра с возбуждающей решеткой (рисунок  2.1.) и завершился созданием сложных гидробиофизических комплексов «СВЕЧА» и «САЛЬПА» [28].

Новая конструкция темновой камеры для датчика биолюминесценции с роторной системой светозащиты использована в приборах нынешнего поколения, она снижает астрономическую составляющую оптического поля океана в 106 раз (рисунок 2.2), это дает возможность измерить поле биолюминесценции в дневное время [28]. В новой методологии основное внимание уделяется повышению достоверности получаемых данных, которое достигается выполнением многократных комплексных, синхронных, фотометрических и гидрологических зондирований слоя 0 – 100 м. В итоге по материалам исследований сформированы два различающиеся по методологии измерения массива данных, объединенных затем в новую единую базу данных по биолюминесценции Мирового океана.

В настоящее время в ФГБУН «Институте морских биологических исследований им. А.О.Ковалевского РАН» используется следующая технология комплексных исследований биолюминесценции [21, 31, 45]:

	метод многократных зондирований батифотометром в дрейфе в фотическом слое (0 – 100 м);

оценка крупномасштабной изменчивости приповерхностной биолюминесценции с помощью буксируемого фотометра;

параллельные измерения гидрологических характеристик среды на горизонте погружения прибора, отбор сетных, насосных и батометрических проб по стандартным горизонтам и в слоях экстремальных величин биолюминесценции [5, 46];

обловы гидробионтов (мезо- и макропланктона, мелкого нектона) в слоях максимальной интенсивности биолюминесценции с помощью тралов Айзекса-Кидда [28], Мельникова [47, 48, 49]; кассетного планктонометра «Мельникова-Темных» [50, 51, 52]; каталогизация биолюминесцентов и лабораторные исследования характеристик их высвечивания [53, 54, 55, 56, 57].

	В таблице 1.1 приведен приборный парк батифотометров, созданных нашими западными коллегами [58]. Все эти приборы используют разные способы генерирования, измерения и записи, среди них возможна стандартизация (интеркалибровка), однако, некоторых из них уже больше не существует. Сотрудниками отдела биофизической экологии при совместном научном рейсе с нашими западными коллегами была проведена интеркалибровка двух приборов биофизического комплекса «Сальпа» и «HIDEX», были получены калибровочные коэффициенты, и стал возможен анализ совместных данных.

	

	Для исследования вертикального распределения светящихся организмов использование батифотометров не может быть признано определяющим, в первую очередь, из-за проблем с размерами их темновых камер. С помощью батифотометров регистрируется биолюминесценция фитопланктона, мелкого мезозоопланктона и бактерий. В роторную систему светозащиты все прочие организмы избегают попадания. Благодаря этому макропланктон и нектон являются мало изученными объектами в плане биолюминесценции. Но все же, с учетом стайности поведения эвфаузиид или рыб это становится особо актуальным [7, 28].

Исследование прибрежных акваторий г. Севастополя в последнее время допустимо только с маломерных судов. На таких судах отсутствует электропитание 220 в и грузоподъёмность установленных на них лебедок не допускает производить исследование традиционными приборными комплексами. Поэтому, сотрудниками отдела биофизической экологии ФГБУН «Институт морских биологических исследований им. О. А. Ковалевского РАН» совместно со специалистами фирм «Гидрооптик – Ltd» и «Аквастандарт – Юг» разработан, изготовлен и паспортизирован новый приборный комплекс «Сальпа-М», предназначенный для исследования интенсивности биолюминесцентного излучения в деятельном слое водной среды (0 – 200 м). Также он позволяет проводить непрерывные измерения температуры водной среды, гидростатического давления и мутности на горизонте нахождения прибора [59,60].

Данный гидробиофизический зондирующий комплекс «Сальпа-М» предназначен для исследования интенсивности биолюминесценцентного излучения организмов в деятельном слое Мирового океана (0–100 м) в режиме постоянного вертикального со скоростью 1,2 м/с и горизонтального (буксировка) зондирования со скоростью до 7 км/ч, с одновременным измерением  температуры, гидростатического давления и мутности.

Вес «Сальпа-М» не превышает 15 кг. Он рассчитан на автономное электропитание 24 в и имеет более широкий спектр исследуемых параметров водной среды, чем раннее использующийся гидробиофизический комплекс «Сальпа». Сравнительные габаритные размеры комплексов «Сальпа-М» и «Сальпа» приведены на рисунке 2.3. Сотрудниками отдела биофизической экологии проведена интеркалибровка этих приборов, введены калибровочные коэффициенты.

Механическим методом производится перевод биолюминесцентов в активное состояние, при котором они испускают световую энергию. Собственно для этого и применена измерительная камера, состоящая из восьми лопастных импеллеров, которые, располагаются в камере двумя, разнесенными по оси, группами по четыре импеллера в каждой. Четыре ряда зачерненных импеллеров для снижения действия солнечного света, состоящие из двух групп рядов взаимно перпендикулярных углов атаки, создают подвижную световую ловушку и обеспечивают при минимальном сопротивлении набегающему потоку водной среды ослабление световой энергии в 2 • 107 раз. При осевом движении измерителя биолюминесценции набегающий поток исследуемой водной среды поступает в измерительную кювету. Водная среда активно перемешивается, проходя четыре лопастных импеллера и биолюминесценты, располагающиеся в ней, возбуждаются [59, 60].

Неординарное программное обеспечение нового гидробиофизического комплекса «САЛЬПА-М» дает возможность обеспечить его работу в режимах зондирования и буксировки. При этом информационный интерфейс и разработанное программное обеспечение предусматривает возможность внедрения дополнительных измерительных каналов.

	

	

РАЗДЕЛ 3. РАЗНООБРАЗИЕ БИОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ
ОРГАНИЗМОВ МИРОВОГО ОКЕАНА



Биолюминесценция открыта у более 700 видов морских и наземных организмов всех уровней филогенеза, от бактерий до рыб. Тем не менее, по непонятным причинам она чрезвычайно редка в пресной воде. Статически, при этом светятся только фотобактерии и грибы. У других организмов биолюминесценция в основном импульсная, появляется лишь в ответ на внешние стимулы. Известно, что около 80 % выявленных биолюминесцентных организмов населяют океан. Достаточно много среди них глубоководных [61]. У морских организмов биолюминесценция встречается среди таких типов: бактерии, радиолярии, динофитовые, гребневики, кнедарии, немертины, аннелиды, моллюски, щетинкочелюстные, членистоногие, иглокожие, полухордовые и хордовые. Биолюминесценция у морских организмов наблюдается среди представителей 617 родов (рисунок 3.1) [62, 63, 64].

Рисунок 3.1 – Родовое разнообразие морских биолюминесцентных организмов. Показано распределение по представителям 617 родов гидробионтов среди Annelida, Arthropoda, Bacteria, Chaetognatha, Chordata, Cnidaria, Ctenophora, Dinophyceae, Echinodermata, Hemichordata, Mollusca, Nemertea, Radiozoa. Для классификации и систематики биолюминесцентных организмов использована база данных проекта World Register of Marine Species (http://www.marinespecies.org). Использованы фотографии и рисунки авторов: Alexander Semenov, Angel Martin, Blair Patullo, Bernard Picton, Casey Dunn, Claudia Arango, Dante Fenolio, David Kearnes, David Shale, Derek Haslam, Des Beechey, Ernst Haeckel, Greg Rouse, Herrera Bachiller, Katie Ahlfeld, Roger Ressmeyer, Russ Hopcroft, Stefan Siebert, Steve Gschmeissner, Wernher Krutein.



Биолюминесцентное излучение – энергия, выделяемая в ходе ферментативной химической реакции. В большинстве случаев эта реакция одностадийного окисления люциферина с участием молекулярного кислорода под действием фермента – люциферазы. Все же известен ряд биолюминесцентных систем, в которых люциферин окисляется не молекулярным кислородом, а его активными формами – перекисью водорода Н2О2 или супероксидом О2-, причем в первом случае – с участием субстрат – специфичной пероксидазы. Люциферины и люциферазы у различных организмов химически отличаются, хотя все хемилюминесцентные реакции происходят с образованием промежуточных комплексов – органических пероксидных соединений, при распаде которых высвобождается энергия, возбуждающая молекулы вещества ответственного за светоизлучение. Существует около 30 различных химических механизмов биолюминесценции, однако на сегодняшний день только для семи природных люциферинов получилось выделить химические структуры люциферинов – субстратов ферментативной реакции биолюминесценции [62]. В данный моент у морских биолюмнесцентных организмов известно пять классов люциферинов неодинаковой химической природы: альдегид-флавиновая система бактерий родов: Vibrio, Photobacterium и Shewanella [65], не изученная в настоящее время природа биолюминесценции полихет [62], люциферин Cypridina (варгулин) у двух видов рода Cypridina и трех различных родов рыб: Porichthys, Apogon и Parapriacanthus [66], тетрапиррольные люциферины с разомкнутым порфириновым циклом у динофлагеллят и некоторых эвфаузиевых [67, 68], целентеразин-зависимая система радиолярий, ктенофор, книдарий, кальмаров, копепод, щетинкочелюстных, рыб [69]. У многоклеточных животных обычно излучает свет не все тело, а только фотоциты, часто сгруппированные в особые органы свечения - фотофоры, Временами фотофоры излучают непрерывно, из-за обитающих в них симбиотических фотобактерий, но в основном излучение бывает импульсным, контролируемое нервной системой. Также оно бывает внутриклеточным или секреторного типа. У одноклеточных эукариот свет образовывается в особых органоидах, у бактерий – в цитоплазме.



3.1. Спектр излучения морских биолюминесцентных организмов



Биолюминесцентное излучение морских организмов приходится на спектральный диапазон от 410 до 710 нм. Множество морских организмов эмитируют излучение с длиной волны между 450 и 490 нм, что отвечает синему свету, обладающему оптимальной светопередачей в морской воде [70]. Прибрежные морские организмы эмитируют более зеленое излучение с длиной волны эмиссии между 490 и 520 нм [71], а есть виды полихет и рыб, которые эмитируют излучение в желтой и красной областях спектра [72] (рисунок 3.2).

3.2. Причины биолюминесценции морских организмов

		

Существуют различные причины биолюминесценции морских организмов, как биологической функции – это, возможно, защита от хищников, привлечение добычи, межвидовое и межпопуляционное средство коммуникации, маскировка и контриллюминация, маскировка на фоне естественных источников света, привлечение особи противоположного пола, видовой отличительный признак [63]. В большинстве случаях функция биолюминесценции в жизни отдельных биолюминесцентных организмов определена не до конца, либо вовсе не изучена. 

3.3. Биолюминесценты Чёрного моря



Главная роль в создании биолюминесцентного потенциала Черного моря приходится планктонным организмам [3]. В Чёрном море биолюминесцентный потенциал формируется 36-мя видами водорослей Dinophyceae родов Neoceratium, Protoperidinium, Scrippsiella, Gonyaulacaceae, Noctilucaceae, Lingulodinium, а также тремя видами гребневиков, несколькими видами копепод и двумя родами светящихся бактерий [3]. На рисунке 3.3 представлены планктонные биолюминесценты Чёрного моря. У 30 видов Dinophyceae характеристики светоизлучения определены инструментально в условиях Чёрного моря сотрудниками отдела биофизической экологии ФГБУН «Институт морских биологических исследований им. О. А. Ковалевского РАН» [3, 28].















































РАЗДЕЛ 4. АНАЛИЗ СЕЗОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ

ИНТЕНСИВНОСТИ ПОЛЯ БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В 
ПРИБРЕЖНОЙ АКВАТОРИИ

Г. СЕВАСТОПОЛЯ



4.1. Материал и методы исследований



Чтобы выполнить данную работу была использована оригинальная методология, разработанная и сертифицированная во второй половине 2007 г. в отделе биофизической экологии ФГБУН «Институт морских биологических исследований им. О. А. Ковалевского РАН». Главные черты новой методология органично включают в себя долголетнюю апробацию наработок в данной области отдела биофизической экологии [1, 2, 27, 32, 59, 60, 73, 74], а также опыт научного сотрудничества с коллегами из ФГБУН «Морской гидрофизический институт РАН» и Института биофизики Красноярского Отделения РАН [36, 75].

Суть метода составляют инструментальные измерения амплитудных характеристик гидрофизических и биолюминесцентного полей, также определение их пространственной сопряженности и корреляционных соотношений с биологическими и гидрофизическими характеристиками водных масс [28, 36, 46]. В виде физических параметров водной толщи рассматривали температуру и солёность воды – существенные факторы формирования пространственной структуры планктонного биотопа [76, 77]. Замеры интенсивности ПБ в исследуемом регионе, в ночное время, производили через 2 часа после окончания навигационных сумерек [28]. Осуществляли одновременный отбор на каждой станции биологического материала в слоях экстремальных показателей биофизических и гидрологических параметров. Была уточнена систематическая классификация светящихся планктонных водорослей и зоопланктонных биолюминесцентов Чёрного моря.

С помощью нового приборного комплекса «Сальпа-М», предначертанного для изучения ПБ в фотическом слое водной толщи (0 –100 м) в режиме многократного вертикального зондирования со скоростью до 1,2 м•с-1 производили измерения. Этот прибор имеет значительно больший спектр исследуемых параметров, чем до этого применявшийся для этих целей гидробиофизический комплекс «Сальпа».

Математическая обработка результатов проводилась с использованием программ Microsoft Excel 7.0, SPSS, Statistica 6.0.

Пробы фитопланктона были отобраны кассетой батометров 5-ти и 10-ти литровыми пластиковыми батометрами или сетью Нансена (размер ячеи 35 мкм). Их собирали прицельно с горизонтов экстремальных значений биофизических и гидрологических параметров в толще воды [46, 78]. По общепринятой методике с дополнениями, принятыми в отделе биофизической экологии ФГБУН «Институт морских биологических исследований им. О. А. Ковалевского РАН» была сделана обработка проб [78, 79, 80, 81, 82]. Те пробы воды, которые были объемом 2 л сгущали в воронках обратной фильтрации через нуклеопоровый фильтр с диаметром пор 1 мкм [82] и фиксировали 40% формалином.

Клетки водорослей, которые были объемом менее 15 мкм, учитывали в камере Ножжота объемом 0,01 мл, равные и более 15 мкм – в камере объемом 0,7 мл под световым микроскопом при увеличении ?150, ?300. По методу «истинного объема», используя формулы геометрического подобия клеток, рассчитывали объемы клеток [80, 81].

В пробах фитопланктона, за период исследования собранных в прибрежье Севастополя, из 36 светящихся видов, известных для Черного моря [28], было найдено 14 видов [53, 83, 84, 85, 86], вносивших значимый вклад в создание суммарного потенциала поля биолюминесценции в неритической зоне, другие встречались в пробах эпизодически:

	N. furca (Ehrenberg) F. Gomez, D. Moreira & P. Lopez-Garcia, 2009;

	N. fusus (Ehrenberg) F. Gomez, D. Moreira & P. Lopez-Garcia, 2009;

	N. tripos (O.F.M?.......................