СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕЛКОМАСШТАБНОЙ СТРКУТУРЫ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МОРСКИХ ПЛАНКТОННЫХ СООБЩЕСТВ
METHOD TO RESEARCH SMALL-SCALE STRUCTURE AND PHYSIOLOGICAL CONDITION OF MARINE PLANKTONIC COMMUNITIES

Изобретение относится к области гидробиологии и предназначено для экспрессной оценки хорологической и размерной структуры планктонных сообществ верхнего продуктивного слоя (0-200 м) морей и океанов, а также функционального состояния их популяций по характеристикам полей биолюминесценции и обратного объемного рассеяния звука.
Изучение пространственной структурированности пелагических сообществ, в первую очередь планктонных, и оценка их физиологического состояния относятся к числу наиболее актуальных проблем для морской биологии. Интерес к этой проблеме предопределяется не только влиянием планктонных организмов на физико-химические свойства вод (см. Tokarev Yu. Ν. 1996. Plankton as a factor modifying the physical characteristics in the marine invironment. - Mar. Ecol., v. 17. - P. 187 - 196), но и тем, что планктонные обитатели служат важнейшей продукционной характеристикой пелагиали (см. Vinogradov М.Е., A. L. Vereshchaka, Ε. A. Shushkina. 1996. Vertical structure of the zooplankton communities in the oligotrophic areas of the Northern Atlantic, and influence of the hydrothermal vent - Oceanology. - v. 36, -P. 71-79). При этом роль мелкомасштабной (метры-сотни метров; минуты-часы) изменчивости в формировании пространственной структуры полей планктонов оказывается определяющей (см. Mackas D. L. 1984. Spatial autocorrelation of plankton community composition in a continental shelf ecosystem. - Limnol.Oceanogr., 29. - P. 451-470).
К сожалению, традиционные биологические методы (отбор проб с помощью сеток, батометров, тралов и насосов с последующей камеральной обработкой собранного материала), что используются поныне и требуют в больших затратах времени и средств на проведение сколько-нибудь обширной съемки, малоэффективны вследствие характерной для планктонных популяций значительной пространственно-временной изменчивости на малых масштабах за счет миграций, этологического взаимодействий и др.
Еще меньше разработаны ныне способы оценки физиологического состояния планктонных сообществ. Более того, существующие методы физико-химического контроля окружающей среды не могут обеспечить такую оценку даже в перспективе, поскольку, во-первых, научно-технический прогресс ведет к перманентному увеличению количества опасных для биоты химических соединений и, во-вторых, они не учитывают синергических эффектов влияния разных токсикантов на гидробионтов. Только биологические методы могут быть основой экологического мониторинга. При этом среди таких методов приоритетными признаются экспрессные методы оценки функционального состояния планктонных сообществ по кинетическим параметрам их свечения (см. Хоружая Т.Α., Дорожная Н.А., Слуцкая Н.В., Кондрух В.В., Трофимчук M.М., 1989. / Методы наблюдений за состоянием планктонных сообществ. - в кн: Методы биоиндикации и биотестирования природных вод., - Л.: Гидрометеоиздат. -Вып. 2. - С. 11-16, а также - Стом Д.И., Гиль Т.А., Балаян А.Э. 1993. Бактериальная люминесценция и биотестирование. - Иркутск: изд-во Иркутского Госуниверситета. - 120 с).
Поэтому ныне разработаны и активно применяются новые методы эспрессной оценки пространственной структуры и функционального состояния планктона по характеристикам биофизических полей, им формированными. Так за последние 10 лет с помощью способа, который заключается в проведении нескольких (5-10) зондирований поля биолюминесценции измерительными комплексами "Ромашка", исследуется пространственное распределение светящихся планктонных популяций Мирового океана (см. Gitelson И.И., L.A. Levin, R. N. Ustushev, О.А. Cherepenov, Yu.V. Chugunov. 1992. Ocean bioluminescence. - S.-Psb.: Gidrometeoizdat. - 284 с), а с помощью современных многочастотных гидроакустических комплексов "MAPS" и "МГИ-5102" - популяций мезо- и макропланктона (см. Pieper R.Ε., D.V. Holliday, G.S. Kleppel. 1990. Quantitative zooplankton distributions from multifrequency acoustics. - J. Plank. Res., v. 12. - P. 433-441, a также Токарев Ю.Н. и Соколов Б.Г. 1995. Соотношение пространственной и временной изменчивости акустических характеристик верхнего продуктивного слоя Норвежского моря в летний период. - Океанология, 35. - С. 192-197).
Тем не менее, широкому распространению новых способов мешает ряд связанных с ними ограничений. В частности, поскольку светящиеся формы составляют от 10 до 30% общей многочисленности планктонного населения пелагиали и, как правило, имеют выраженную суточную ритмику свечения, исследование только полей биолюминесценции не позволяют в соответствующей мере оценить пространственное распределение планктонной группировки и ее производительность. С другой стороны, применение только акустического зондирования пелагиали может приводить к серьезным ошибкам в оценках реального распределения живого вещества из-за рассеяния звука минеральными частями и детритом. Кроме того, небольшое число вертикальных профилирований биофизических полей, проведенное без определенной схемы выполнения исследований, не позволяет оценить мелкомасштабную неоднородность в их распределении -важнейшего элемента их пространственной структурированности.
В основу предложенного изобретения поставленна задача путем одновременного и многоразового зондирования фотического слоя двумя приборами, которые находятся в жестком сцеплении на одной раме, обеспечить исследование мелкомасштабной структуры и физиологического состояния морских планктонных сообществ.
Поставленная задача достигается тем, что проводятся многоразовые (10-50) синхронные зондирования фотического слоя пелагиали для изучения амплитуд и временных характеристик полей биолюминесценции, а также амплитудных и частотных параметров акустических полей (силы обратного объемного рассеяния, сечения обратного объемного рассеяния) на частотах 200, 500 и 800 кГц с одновременной регистрацией фоновых гидрологических (температура, соленость) характеристик водных масс.
Для реализации способа используются (см. фиг.1) гидробиофизический' комплекс "САЛЬПА" 1 и гидроакустический комплекс "ПЛАНКТОН - 3" 2. При этом оба приборы находятся в жестком сцеплении на одной раме 3. Измерение акустических характеристик на достаточно высоких частотах разрешит выявить мелкомасштабную вертикальную структурированность минеральной суспензии, детрита и разнообразных размерных фракций планктонов. Исследование параметров полей биолюминесценции позволит оценить пространственное распределение и физиологическое состояние планктонного сообщества исследуемых районов, поскольку, во-первых^ ферментативная биолюминесценция присуща только живой материальной субстанции и, во-вторых, амплитудные характеристики свечения определяются (при других равных условиях) физиологическим состоянием-биолюминесцентов любого филогенического уровня (см. Bitukov Ε.P., P.V. Evstigneev, Yu.N. Tokarev. 1993. Luminous DINOFLAGELLATA of the Black Sea under anthropogenic impact//Hydrobiol. J., V. 29. - P. 27-34.).
Предлагаемое изобретение объясняется чертежами. На фиг.1 представленная схема крепления измерительных приборов. На фиг.2 приведенна схема работ новым измерительным комплексом на дрейфовой станции в научной экспедиции. На фиг.З представленны типичные вертикальные профили биофизических полей и планктона в фотическом слое Черного моря. На фиг.4 и 5 приведены мелкомасштабное распределение биофизических полей в районе исследований: фиг. 4 - поля биолюминесцентного потенциала, фиг.5 - поля силы обратного объемного, рассеяния звука.
Примеры реализации способа.
В качестве примера реализации способа приводятся материалы, полученные во время океанографических съемок в Черном море на научно-исследовательских судах "Академик А.Ковалевский" и "Профессор Водяницкий" Национальной академии наук Украины в 1989 - 1996 гг.
Пример 1. На чертежах приведены материалы, которые иллюстрируют способы крепления между собой двух измерительных комплексов (фиг.1) и один из вариантов работы ими с борта любого, оснащенного кабель-тросовой лебедкой, судна (фиг.2). Как следует из представленного иллюстративного материала, предлагаемое жесткое сцепление двух погружаемых устройств (измерительных комплексов "САЛЬПА" и "ПЛАНКТОН-3") позволяет существенным образом удешевить исследование за счет значительного уменьшения времени забортных работ на дрейфовых станциях путем синхронизации измерений, а также использование одной лебедки, одного кабеля (или кабеля-троса), одного персонального компьютера и унифицированного пакета программ.
Пример 2. На фиг. 3 представлены вертикальные профили интенсивности биолюминесценции, силы обратного объемного рассеяния звука (СООРЗ) и биомасса планктона в дневное (а) и ночное (б) время, полученные при помощи аппаратурных комплексов "САЛЬПА" и "МГИ-5102" в фотическом слое центра западной халистазы Черного моря. Как следует из представленных графиков, оба биофизических поля хорошо дополняют друг друга, что позволяет судить о вертикальном распределении планктона в этом районе. Однако малое количество зондирований и разнесений измерительных комплексов для изучения биолюминесценции и СООРЗ в пространстве (50 м) не разрешает судить о реальном распределении планктонов в этом районе (в).
Пример 3. На фиг. 4 приведено мелкомасштабное пространственное распределение интенсивности поля биолюминесценции, а на фиг. 5 - СООРЗ в дневное (а) и ночное (б) время, полученное по данным многоразовых зондирований. На представленных цветных иллюстрациях, которые демонстрируют высокую разрешительную способность предлагаемого метода, четко видно разного рода неоднородности исследуемых полей, с пространственными масштабами от нескольких метров по вертикали, до десятков метров в горизонтальном направлении. Эти измерения позволили выявить реальную картину мелкомасштабной структуры планктонного сообщества исследуемого района и оценить физиологическое состояние светящихся планктонных популяций, его населяющих. Преимуществами способа являются:
- синхронность вертикальных зондирований фотического слоя двумя приборами ("САЛЬПА" и "ПЛАНКТОН-3"), находящихся в жестком сцеплении на одной раме и связанный с этим значительный экономический эффект за счет существенного уменьшения времени, которое отводится на дрейфовых станциях для проведения биолюминесцентных и гидроакустических измерений;
- возможность оценки мелкомасштабной пространственно-временной изменчивости планктонных сообществ исследуемых районов;
- экспрессность исследований;
- объективность полученных результатов (измерение всех характеристик проводятся прицезионными, калиброванными и паспортизованными аппаратурными комплексами);
- возможность автоматизации процесса сбора, обработки и представления данных.