средства и способ исследования поведения и
физиологии морских млекопитающих
, *, *, **,
Южный научный центр РАН, г. Ростов-на-Дону,
*Таганрогский радиотехнический университет, г. Таганрог
** Мурманский морской биологический институт КНЦ РАН
Несмотря на значительный интерес, проявляемый исследователями разных стран к проблемам биологии и физиологии морских млекопитающих, говорить о глубоком понимании механизмов жизнеобеспечения ныряющих животных очевидно преждевременно. Разработка методов описания и оценки состояния систем организма китообразных и ластоногих приобретает особую значимость в связи с развитием технологий создания биотехнических систем различного назначения. Цель работы состояла в обсуждении возможностей нового программно-аппаратного комплекса, позволяющего осуществлять продолжительные исследования поведения и физиологии морских млекопитающих в условиях свободного поведения.
Анализ литературы позволяет отметить, что для описания и оценки особенностей жизнедеятельности и уровня здоровья морских млекопитающих остается актуальным поиск эффективных систем. Большинство авторов склонны отдавать приоритет в этих разработках системам мониторинга ключевых параметров систем кислородообеспечения: частоты и глубины дыхания и сердцебиения, уровня насыщения крови кислородом, особенностей локального кровотока. Между тем в доступной литературе практически отсутствуют формализованные сведения, позволяющие оценивать наблюдаемое состояние животного и прогнозировать его изменения и нарушения, возможные в динамике естественной цикличности биологии животного, в случае развития патологического процесса и т. д. Как правило, получаемые выводы касаются количественных характеристик видовой адаптации к тем или иным условиям жизнедеятельности. Кроме того, заслуживает особого интереса развиваемое в последние десятилетия направление исследований возрастной динамики физиологических функций, созревания функциональных возможностей животных [3, 4 и др.]. Результаты, полученные в данных исследованиях, позволяют утверждать, что ряд ведущих параметров состояния внутренней среды тюленей не только видоспецифичны, но и зависят от возраста и индивидуальных особенностей животного. Принимая эти факты, следует подчеркнуть, что построение корректных диагностических и эффективных прогностических процедур невозможно без формирования нормативных характеристик.
При поддержке РФФИ (№ 000) и при участии специалистов Таганрогского радиотехнического университета в 2004-2005 годах на базе Южного научного центра РАН проведены работы по созданию автономного программно-аппаратного комплекса (Полиграф), позволяющего регистрировать и накапливать набор параметров поведения и физиологии различных видов морских млекопитающих в условиях, приближенных к естественным условиям их обитания. По структуре Полиграф представляет собой автономное устройство, реализованное на базе микроконтроллера MSP430 фирмы Texas Instruments [1]. Резидентное программное обеспечение реализует функции просмотра сигналов в режиме осциллографа, мониторирования, стирания и передачи данных в компьютер. Полиграф позволяет регистрировать и анализировать следующие параметры: электрокардиограмму в двух отведениях от двух пар электродов (один электрод – заземление); фотоплетизмограмму – датчик, реализованный на основе учета изменения инфракрасного потока излучения; пневмограмму (динамичная периметрия грудной клетки) – параметр внешнего дыхания; ускорения, развиваемые животным при перемещениях, рассчитываемые по данным акселерометрии в двух ортогональных плоскостях. Использовались варианты крепления электродов и Полиграфа на поверхности тела животных: при помощи эластичных матерчатых лент на замках – липучках; при монтаже аппаратуры на специальной шлейке. Были применены следующие виды электродов: поверхностные (круглые электроды из нержавеющей стали, диаметр 15 мм, с использованием специальной электродной пасты), игольчатые электроды, вкалывающиеся в поверхностные слои кожи животного (стандартные иглы для акупунктуры из инертного сплава, диаметр около 0.3 мм). Выбор мест установки электродов был обусловлен общими сведениями о проекции электрической оси сердца на поверхность тела животного [2]. Схема расположения электродов была представлена двумя парами датчиков (Е1-Е2, К1-К2), устанавливаемыми крест на крест на дорсальной стороне грудного отдела, электрод заземления устанавливался в произвольной области. Датчик периметрии грудной клетки фиксировался в области диафрагмы на эластичной ленте. Датчик фотоплетизмограммы – у внутреннего края основания передней ласты. Особенности поведения описывались при визуальном наблюдении за животными в условиях вольерного содержания (плавающий сеточный вольер, площадью 2Х2 м и глубиной 4 м) несколько раз в течение суток, до и после планового кормления. При наблюдениях за животными проводился учет таких параметров, как длительность дыхательных пауз (апноэ), регулярность и средняя частота дыхательных движений, фиксировалась продолжительность нахождения на поверхности и под водой, формировалась библиотека поведенческих паттернов – устойчивых, повторяющихся двигательных форм.
Пилотные исследования поведения и физиологии ластоногих проводились на Полигоне Мурманского морского биологического института КНЦ РАН – «Красные Камни» (побережье Баренцева моря). В качестве объекта исследования были использованы гренландские тюлени по кличке Зая и Марго, соответственно, самец и самка, возраст на время обследования примерно 1 год и 7 месяцев, 1 год и 6 месяцев. Общая продолжительность регистрации физиологических параметров составляла от 15 минут до четырех часов. Значительные фрагменты записи были удовлетворительного качества, помехи от движения животных практически отсутствовали. Общий вид представительных участков электрокардиограммы и пневмограммы (для животного Марго) показан на рисунке 1. Возможности программного обеспечения Полиграфа позволяют осуществлять низко и высокочастотную цифровую фильтрацию, что обеспечивает более корректный анализ ЭКГ с использованием алгоритмов вариационной пульсометрии: расчет текущей частоты сердечных сокращений, построение гистограмм класс-интервалограмм, расчет соответствующих коэффициентов. На рисунке отчетливо видны участки с существенным изменением ритма сердечных сокращений. На отдельных участках электрограмм частота дыхательных движений была низкой (длительность апноэ – около 5 секунд), частота сердечных сокращений около 20 ударов в минуту; на иных – дыхание становилось поверхностным (на пневмограмме движения практически отсутствуют), пульс достигал 180 ударов в минуту. Полученные эмпирические данные позволяют выделять, два подсостояния, относящихся к разным уровням поведенческой активности животных («Пассивное» и «Активное»). Программное обеспечение комплекса дает возможность получать для выделенных подсостояний усредненные паттерны кардиокомплексов (рисунок 2). Конфигурация кардиокомплекса отведения Е наиболее полно отражает биоэлектрические процессы, разворачивающиеся в векторном пространстве сердца животного. Все типичные компоненты (P, Q, R, S, T), характерные для сердца млекопитающих присутствуют. Полярность зубцов, основные амплитудные и временные соотношения достаточно типичны и соответствуют, в частности, параметрам, описанным в работе V. S. de Kleer [2]. Наиболее представительный R-зубец достигает при поверхностном наложении электродов на спинную поверхность тела животного в отведении Е амплитуды 0,4-0,6 мВ. Как можно видеть на рисунках, для более активного подсостояния характерно некоторое укорочение сегментов РQ и ST, большая выраженность компонентов S и Q, снижение амплитуды компонента R.
Таким образом, необходимо отметить, что разработанный программно-аппаратный комплекс, позволяет осуществлять продолжительный мониторинг параметров систем кислородообеспечения морских млекопитающих в условиях свободного поведения (вольерное содержание). Проведенные пробные исследования позволили получить объективные данные об уровне активности поведения и состоянии систем организма тюленей, перспективные для диагностики их функциональных состояний.
Литература
1. Синютин длительного мониторирования физиологических параметров морского млекопитающего // Морские физиологические и биотехнические системы двойного назначения. Тез. докл. Всероссийской науч.-практ. конф. Ростов-на-Дону: . 72-74. 2005.
2. de Kleer V. S. The electrocardiogram of the harp seal pagophilus groenlandicus. Rapp. P.-v. Reun. Cons. int. Explor. Mer, 169. Р. 145-153. 1975.
3. Jørgensen C., Lydersen C., Brix O., Kovacs K. M. Diving development in nursing harbour seal pups. The Journal of Experimental Biology. 204: 3993-4004. 2001.
4. Lapierre J. L., Schreer J. F., Burns J. M., Hammill M. O. Developmental changes in cardiorespiratory patterns associated with terrestrial apnoeas in harbour seal pups. The Journal of Experimental Biology. 207: 3891-3898. 2004.
 |
| |
 | |
|
Сведения об авторах:
– старший научный сотрудник Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону), кандидат биологических наук;
Телефон раб. (863) 266-43-19
E-mail *****@***krinc. ru
344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41, ЮНЦ РАН
– доцент Таганрогского радиотехнического университета (г. Таганрог), кандидат технических наук;
E-mail *****@***ru
– инженер Таганрогского радиотехнического университета.
E-mail *****@***ru
– зав. отделом Мурманского морского биологического института (г. Мурманск), кандидат биологических наук;
E-mail *****@***ru
– старший лаборант Южного научного центра РАН
