Опыт лаборатории биотехнических систем в работе с арктическими ластоногими: от теории до практики

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 599.745

ОПЫТ ЛАБОРАТОРИИ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В РАБОТЕ С АРКТИЧЕСКИМИ ЛАСТОНОГИМИ: ОТ ТЕОРИИ ДО ПРАКТИКИ

Д.Г. Ишкулов, А.Л. Михайлюк, М.В. Пахомов

Мурманский морской биологический институт КНЦ РАН

Аннотация

Рассматривается преимущество применения настоящих тюленей в биотехнических системах при работах в условиях Арктики. Обоснованы преимущества и недостатки методов содержания и изучения ластоногих. Описаны условия содержания ластоногих в условиях аквакомплексов ММБИ, расположенных на акватории Кольского залива. Описаны основные этапы работ, проводимых ММБИ по созданию биотехнических систем двойного назначения, в которых задействованы аборигенные виды арктических тюленей. Представлены основные научные и научно-практические результаты, полученные в лаборатории биотехнических систем ММБИ КНЦ РАН.

Ключевые слова:

арктический тюлень, биотехническая система, биотехнический аквакомплекс

В современном мире отчетливо прослеживается возрастающий интерес к природным запасам углеводородов, залегающих в шельфовых зонах Арктики. Активно разрабатываются проекты буровых платформ,

газонефтепроводов, танкеров, судов обеспечения, подводной и прибрежной инфраструктуры. Из области теории в практическую сферу сместился вопрос подледного бурения и добычи углеводородов в Арктике [1].

На сегодняшний день уже осуществлены океанологические подледные исследования в арктическом регионе. Так, автономный беспилотный аппарат AUTOSUB, разработанный лабораторией подводных технологий британского Национального Океанографического Центра в Саутгемптоне при финансировании Национальным научно-исследовательским советом Великобритании, проделал путь в 500 км в течение 6 погружений в рамках своей миссии. Полярные исследователи из германского Института Альфреда Вегенера также осуществили погружение автономного подводного робота (модернизированная версия AUV Bluefin-21) под лед Северного Ледовитого океана всего в 1 тыс. км от географического полюса. Робот, который может проплыть под водой около 70 км со скоростью до 6 км/ч, погружаясь на глубину до трех километров, достиг максимальной глубины.

В то же время подводные шельфовые разработки и сопутствующая инфраструктура нуждаются в обслуживании и охране. Например, Корпорация BAE Systems разработала автономного подводного робота Talisman L для борьбы с минами и другими подводными угрозами в акваториях портов и морских баз. Другой представитель - Explosive Ordnance Disposal Hull Unmanned Underwater Vehicle Localization System («Роботизированная подводная система удаления взрывчатых боеприпасов с корпуса корабля» - EOD HULS) продемонстрирован американским Центром военно-морских разработок (ONR), который курирует проект. Характеристики EOD HULS пока не раскрываются: имеются лишь отрывочные сведения: в ходе эксперимента в 2009 г. он сумел осмотреть крупный корабль со скоростью 40-50 м2/мин.

70

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015

Д.Г. Ишкулов, А.Л. Михайлюк, М.В. Пахомов

Наравне с роботами-саперами ведутся разработки универсальных подводных боевых машин, способных не только обнаружить и ликвидировать враждебные элементы, но и вести диверсионную деятельность.

Например, компания Columbia Group представила многоцелевую роботизированную подводную платформу, которая меняет концепцию будущей войны на просторах мирового океана. Робот, названный Proteus, имеет длину 7.6 м, весит почти 3 т и может передвигаться под водой со скоростью до 10 узлов (18 км/ч). Характеристики Proteus позволяют ему выполнять множество функций: от патрулирования акватории до незаметной слежки за ядерными субмаринами с межконтинентальными баллистическими ракетами.

Однако стоит отметить и минусы подобных разработок. Современный автономный робот способен выполнять только заранее запрограммированную относительно несложную задачу. При нештатных ситуациях, вероятнее всего, у робота не найдется нужного алгоритма действий, что в итоге приведет к провалу поставленных задач и возможной поломке аппарата. При этом выход из строя управляющей или ходовых систем автономного робота при глубоководной подледной работе равнозначен его потере. И, пожалуй, основной минус таких систем - их цена, а также уникальность каждого экземпляра. На сегодняшний день массовое производство подобных робототехнических систем нерентабельно и практически невозможно. К тому же для подводного технического обслуживания и охраны объектов добычи углеводородов требуется целый парк таких автоматов, причем способных выполнять широкий спектр задач.

Развитие современной робототехники сдерживают два основных фактора: искусственный интеллект и движители. Сегодня в качестве «мышц» роботов используются роторные, гидравлические или пневматические приводы, и при проектировании робототехнического изделия приходиться выбирать между скоростью, силой и точностью. Приводы, основанные на электроактивных полимерах, пока еще находятся на стадии изобретения и позволяют лишь грубо имитировать работу настоящих - органических мышц.

Другая проблема - способность робота самостоятельно принимать решения и корректировать поведение в зависимости от обстановки. Самые прогрессивные автономные роботы сами могут лишь выполнять заранее запрограммированные элементарные действия, любая нестандартная ситуация ставит «нервную систему» этих автоматов в тупик. ЭВМ, построенные по архитектуре фон Неймана, даже теоретически не способны решить проблему автономности. Современный уровень развития искусственных нейросетей, которые могли бы решить проблему автономности робота, также недостаточен [2].

Единственная существующая альтернатива - создание систем, в которых используется живой организм. Такие системы полностью адаптированы к работе в среде обитания животного, частично решается проблема автономности. В нештатной ситуации нервная система животного сама выработает новую схему поведения, а для решения стандартных задач животное можно обучить.

При использовании животных в биотехнических системах в наше распоряжение поступают их сенсорные системы, которые, как и весь организм, приспособлены к среде, где обитает животное. Также не стоит забывать, что любая сенсорная система животного - часть его нервной системы, следовательно, недостатки чувствительности сенсора могут компенсироваться возможностями самой нервной системы. Например, у человека умеренный дальтонизм компенсируется увеличением количества нейронов, задействованных в обработке зрительной информации. Таким образом, мозг «жертвует» одними малозначащими функциями ради обеспечения других, более значимых.

В то же время ластоногие и китообразные имеют объем мозга явно больший, чем необходимо для нормальной жизнедеятельности этих животных. Например, и серый волк, и серый тюлень принадлежат к семейству псовых, оба вида ведут достаточно схожий образ жизни хищников-универсалов, но у серого волка достаточно сложная социальная иерархия и сложные методы охоты. Серый тюлень создает подобие гаремной структуры только в период

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015

71

Опыт лаборатории БТС в работе с арктическими ластоногими: от теории до практики

спаривания, а охота на рыбу и моллюсков - основные пищевые объекты - менее сложна, чем охота на крупных наземных млекопитающих. При этом мозг серого тюленя на 20-25 % больше мозга волка. Данное явление можно объяснить «запасом прочности» мозга тюленя, так как при его образе жизни не исключено пищевое и кислородное голодание, которые ведут к гибели нейронов головного мозга. В естественной среде обитания тюлени редко используют свои дополнительные вычислительные мощности, но они явно проявляются при дрессировке, когда животные ради добычи пищи вынуждены выполнять несвойственные им действия [3].

Таким образом, сочетание возможностей нервной системы животного и технических средств позволяют биотехнической системе адаптироваться фактически к любой возникающей ситуации.

Для полноценного использования морских млекопитающих в качестве рабочего элемента биотехнической системы необходимо комплексное исследование этих животных. Требуется знать особенности функционирования их сенсорных систем, физические возможности животных, процессы адаптации к среде обитания и многое другое. Эти же данные позволят в будущем создавать подводные роботехнические системы, основанные на бионических принципах морских млекопитающих.

В настоящее время исследования морских млекопитающих в основном ведутся либо в естественной среде обитания, где изучаются дикие животные, либо в океанариумах, где животных приручают и обучают выполнению команд.

Изучение морских млекопитающих в естественных условиях позволяет установить маршруты миграции, места лежек, особенности пищедобывательного, социального и репродуктивного поведения животных. Возможен отбор биологических жидкостей и тканей для исследования физиологических характеристик животных. Но в естественных условиях фактически невозможно изучать сенсорные и когнитивные способности животных. Подобные исследования связаны со значительными трудностями: необходимо организовывать

дорогостоящие и достаточно опасные экспедиции; невозможно долговременно и непрерывно изучать конкретное животное, есть сложности с постановкой и проведением поведенческих экспериментов.

Достаточно много работ, связанных с поведением морских млекопитающих, их физиологией и экспериментальных исследований сенсорных возможностей этих животных проводятся в стационарных океанариумах. Однако и океанариумы имеют свои минусы. Наиболее важный из них - стабильность и искусственность условий содержания. Если в естественных условиях параметры окружающей среды постоянно меняются, то в океанариуме они постоянны. Так, например, изменение освещенности в течение суток в природе неравномерно - зимой светлое время суток сокращается, летом возрастает, в арктических широтах проявляются полярный день летом и полярная ночь зимой. Также освещенность сильно зависит от погодных условий, которые и сами влияют на жизнедеятельность морских млекопитающих. В океанариуме зачастую присутствует только искусственное освещение, которое, во-первых, отличается от естественного спектральным составом, а во-вторых, строго периодично в сутки. Кроме того, в океанариумах отсутствуют такие значимые для морских млекопитающих факторы, как ветер, волнение моря, изменения физико-химических свойств воды, воздействие естественных органических веществ моря. Стоит отметить, что большинство океанариумов и дельфинариев - коммерчески ориентированные предприятия. Это означает, что время научной работы с животными ограничено, животные обучаются наиболее зрелищным командам, которые зачастую не представляют научнопрактического интереса. Постоянный контакт с посетителями приводит к тому, что поведение животного достаточно сильно изменяется, вместе с ним изменяется и нормальная физиология организма. Таким образом, данные, полученные в ходе физиологических и поведенческих экспериментов, достаточно сложно экстраполировать на диких сородичей доместифицированного морского млекопитающего. И, наконец, в изолированных условиях

72

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015

Д.Г. Ишкулов, А.Л. Михайлюк, М.В. Пахомов

океанариума не может идти и речи о создании полноценной биотехнической системы с морскими млекопитающими, способной решать вопросы военной и хозяйственной направленности в открытом море.

Наиболее перспективным в данном случае представляется создание биотехнических комплексов на открытой морской акватории, где животные содержатся практически в естественных условиях, то есть подвержены воздействию тех же факторов окружающей среды, что и их дикие сородичи. При этом физиологические отклонения будут минимальны, это в свою очередь позволяет экстраполировать результаты физиологических и поведенческих экспериментов на всю популяцию в целом.

С другой стороны, в условиях аквакомплекса возможен полноценный дрессировочный процесс, причем животных можно обучать только тем командам, которые необходимы для проведения экспериментальных работ.

Только в условиях биотехнического комплекса на открытой акватории возможно проверить специально обученное животное в условиях, максимально приближенных к реальным местам работы биотехнической системы.

В развитии использования морских млекопитающих с 1984 г. особое место занимает Мурманский морской биологический институт КНЦ РАН.

В 1990-х гг., в связи с развалом СССР, морские биотехнические системы оказались невостребованными и выпали из гособоронзаказа. Специалисты рассеялись по всему миру, но мурманскую лабораторию удалось сохранить. В Мурманске построили научный океанариум на Семеновском озере - открытые вольеры, где тюлени содержались в условиях, близких к естественным.

С 1997 г. начался новый этап работы с животными - подготовка к действиям в естественных условиях с выходом в акваторию военно-морской базы. Благодаря помощи командования Северного флота был создан акваполигон «Красные камни». Так удалось максимально приблизиться к реалиям военно-морского флота, к подводным кораблям - объектам охраны.

Основой стало закрытое озеро, во время прилива сообщающееся с Сайда-губой. Здесь круглый год во взаимодействии с военнослужащими, в первую очередь, из антидиверсионных подразделений, в типичных северных условиях ведутся исследования и тренировки.

В 2007 г. открыт экспериментальный акваполигон на м. Тоня, который стал стационарной базой для проведения круглогодичных исследований морских животных.

Аквакомплекс расположен в 7 км от г. Полярный, на акватории Кольского залива. Наличие грунтовой автодороги позволяет круглогодично транспортировать на акваполигон оборудование и материалы, рыбный корм для морских млекопитающих, персонал и животных. Аквакомплекс включает в себя хозяйственно-жилые помещения, лабораторию, вольеры для содержания морских млекопитающих, транспортные средства и загон для адаптации вновь прибывших ластоногих.

Вольеры располагаются в бухте, прикрытой сопками, что позволяет избежать воздействия штормовых ветров и сильного волнения Кольского залива. Вольерный комплекс собран из пластиковых труб ("питьевая", ГОСТ 18599-83): для понтонов диаметром 21 см, для опор и перил ограждения диаметром 8 см, толщина стенок - 1 см. Трубы соединены друг с другом при помощи пластиковых муфт и нержавеющих болтов. В вольере 7 секций: 6 для содержания животных и 1 - для работы с ними. Комплекс оборудован деревянным дощатым настилом для передвижения персонала и работы с животными. В каждом садке имеется также деревянный помост. Садки - прямоугольной формы из сети с ячеей 5 см, вдоль ребер садка в качестве основы проходит фал диаметром 1 см. Садок привязывается к перилам, расправляется при помощи прямоугольной металлической рамки, сваренной из стального прута диаметром 1 см и располагающейся на дне садка (рис. 1).

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015

73

Опыт лаборатории БТС в работе с арктическими ластоногими: от теории до практики

Испытанная в течение 7 лет конструкция плавучего вольерного комплекса для содержания и исследования морских млекопитающих, в отличие от металлических прототипов, имеет следующие преимущества:

1) не подвержена коррозии, значительно легче, чем аналогичные металлические изделия;

2) позволяет осуществлять быструю разборку и сборку для изменения конфигурации вольерного комплекса путем перекомпоновки его элементов (перемещение понтонных основ вольеров целиком либо по частям) либо для транспортировки водным путем при помощи маломерных судов;

3) имеет высокую устойчивость по отношению к действию волн благодаря равномерному распределению по площади элементов, обеспечивающих плавучесть комплекса;

4) обеспечивает комфортное и безопасное перемещение людей и животных при работе в различных местах вольерного комплекса;

5) обладает необходимым запасом механической прочности и эластичности, не повреждается при значительных силовых напряжениях (обледенение в зимнее время, шторм, приливные колебания уровня моря);

6) оригинальный способ расправления сетевых садков при помощи вставной металлической рамки обеспечивает их нетрудоемкое техническое обслуживание (ремонт и замена садков, очистка от обрастания), не требующее водолазных работ.

Рис. 1. Вольерный комплекс

Опыт эксплуатации вольеров различных конструкций в ММБИ на протяжении 24 лет показывает, что вольеры из полимерных материалов оптимальны для круглогодичных исследований поведенческих и физиологических адаптаций ластоногих в условиях Севера [4].

Тренировки с морскими млекопитающими проводятся два раза в день: утром (9:00 - 11:00) и вечером (18:00 - 19:00). При наступлении полярной ночи, в зависимости от метеорологических условий, тренировку проводят только днем.

Перед тренировками проводится ветеринарный осмотр животных, оценивается состояние слизистых оболочек и шерсти, подвижность животного, уровень пищевой мотивации. В ходе тренировок с животными отрабатываются команды общего и специального назначения (рис. 2).

Общий курс подготовки морских млекопитающих включает отработку элементов поведения, общих для всех служебных животных независимо от их специализации. Кроме того, он включает обучение навыкам, заведомо необходимым в дальнейшей подготовке. Животные в процессе обучения осваивают команды "погладить", "в воду", "рядом", "выход на акваторию", "лежать", "перевернись", "зубки", "апортировка", "поиск", "передача предмета", "следование за лодкой", "транспортировка в лодке", "заход в ящик", "одевание сбруи". Обучение направлено на отработку навыков от простых к более сложным, поскольку каждый последующий элемент требует применения уже имеющихся навыков.

В ходе работ, проводимых на биотехническом аквакомплексе ММБИ в период 2007-2014 гг., в экспериментах были задействованы три вида арктических тюленей: кольчатые

74

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015

Д.Г. Ишкулов, А.Л. Михайлюк, М.В. Пахомов

нерпы (Pusa hispida Schreber, 1775), гренландские тюлени (Pagophilus groenlandica Erxleben, 1777) и серые тюлени (Halichoerus grypus Fabricius, 1791).

Изучение воздействия различных акустических шумов на жизнедеятельность арктических тюленей показало, что антропогенное шумовое загрязнение океана существенно влияет на жизнедеятельность морских млекопитающих, включая арктических ластоногих (рис. 3).

Рис. 2. Отработка захода в лодку гренландского тюленя

Рис. 3. Изучение влияния умеренных подводных взрывов на физиологию кольчатой нерпы

В ходе исследований на аквакомплексе определены индивидуальные параметры суточной активности кольчатой нерпы, особенности реализации и устойчивости навыков обусловленного поведения в конкретных океанологических условиях. Для каждой кольчатой нерпы получены «портретные характеристики» поведенческой активности: суммарное время пребывания под водой за каждые последующие 30 мин., количество всплытий в минуту; время удержания целевого указателя (команда «таргет»), время выполнения поиска по команде «ищи».

Отмечено угнетающее действие повышенного шума фоновой природы на поведение нерп. При высоком уровне шума снижается частота всплытий, большую часть времени животное

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015

75

Опыт лаборатории БТС в работе с арктическими ластоногими: от теории до практики

находится под водой. Показано, что использованные параметры шумового воздействия с частотой 600 Гц оказывают существенное раздражающее, тревожащее воздействие на ластоногих, при этом улучшается их работоспособность в модели обусловленного поведения.

Описаны феномены реактивности кольчатой нерпы в ответ на импульсное шумовое воздействие (подводный взрыв). Выяснилось, что при таком импульсном шумовом воздействии животные отказываются от контакта с человеком на временной период, зависящий от мощности воздействия (297 секунд при мощности звуковой составляющей импульсного воздействия 186.73 дБ); время удержания цели (команда «таргет») непосредственно после взрыва достоверно укорачивается. Отчетливо проявляются отдаленные эффекты воздействия: у экспериментального животного в ночной период активности, более чем через четыре часа после взрыва достоверно увеличивалось время пребывания под водой.

Для разработки мероприятий по снижению шумовой нагрузки на морских млекопитающих в регионах их естественного обитания создана тест-система контроля допустимых уровней шумового загрязнения [5].

Проведенные эксперименты по выработке обонятельных и цветовых условных рефлексов у арктических тюленей, а также исследования особенностей их поведения показали перспективность дальнейшего изучения этой области, что должно стать основой для разработки и эксплуатации биотехнических систем, включающих настоящих тюленей (рис. 4).

Рис. 4. Экспериментальное исследование обонятельной чувствительности серого тюленя

Знания об обонятельной чувствительности тюленей позволят привлекать их к работам по поиску разлива нефтепродуктов в море как при авариях на газо- и нефтепроводах, так и при крушениях различных судов. По запаху тюлень способен отыскать место аварии при пониженной освещенности и в таких погодных условиях, когда поиск техническими средствами ограничен или невозможен. Найдя место аварии, тюлень может “сообщить” об этом людям, привести за собой спасательную команду, установить GPS -маяк, а в случае, когда погодные условия не позволяют действовать спасательной команде, доставлять пострадавшим средства спасения, пищу и медикаменты, а также осуществлять транспортировку пострадавших с места аварии на береговую или плавучую базу. Тюлень способен обнаружить плавсредство и следовать за ним по оставленному им шлейфу из слитых или отработанных горюче-смазочных материалов [6].

Цветовое зрение у служебных тюленей позволяет обучать их поиску предметов по цветовому признаку. Так, экспериментально установлено, что для подобных работ наиболее целесообразно использовать серых тюленей, у которых хорошо развито дихроматическое зрение, позволяющее использовать в работе с ними широкий спектр цветов [6, 7].

76

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015

Д.Г. Ишкулов, А.Л. Михайлюк, М.В. Пахомов

На сегодня одна из основных проблем при использовании морских млекопитающих для противодействия подводным диверсантам - проблема распознавания животным человека по признаку «свой - чужой», которая приводит к тому, что тюлень не может отличить дружественного водолаза от врага и, как следствие, может его атаковать (рис. 5).

Рис. 5. Имитация захвата серым тюленем подводного диверсанта

Применяя различные маркеры для своих водолазов, можно обучить тюленя атаковать только водолазов, у которых либо нет маркера, либо он другой. Также возможно обозначать различными цветными маркерами маршрут обследования протяженных подводных объектов и подводных частей судов и строений.

Основываясь на экспериментальных данных, полученных за годы существования биотехнического аквакомплекса, созданы полностью работоспособные прототипы биотехнических систем двойного назначения, рабочим элементом которых являются арктические тюлени. Основные задачи таких систем - взаимодействие с водолазом, поиск и подъем затонувших предметов и телеметрическое обследование акватории.

ЛИТЕРАТУРА

1. Матишов Г.Г. Перспективы освоения Мирового океана и арктических морей // Морские млекопитающие на службе человеку: материалы научно-практического семинара (4 октября 2010 г. Североморск) / отв. ред. акад. Г.Г. Матишов. Ростов-на Дону: Изд. ЮНЦ РАН, 2011. С. 5-17. 2. Автономные подводные роботы. Системы и технологии / под общ. ред. акад. М.Д. Агеева. М.: Наука, 2005. 398 с. 3. Worthy A.J., Hickie J.P. Relative brain size in marine mammals // The American Naturalist. 1986. Vol. 128, № 4. Р. 445-459. 4. Морские млекопитающие в биотехнических системах двойного назначения / Г.Г. Матишов, В.Б. Войнов, Е.В. Вербицкий, А.Л. Михайлюк, А.Р. Трошичев, А.С. Гладких, В.Н. Светочев. Мурманск: Изд. ММБИ КНЦ РАН, 2010. 131 с. 5. Михайлюк А.Л. Техногенное шумовое загрязнение Баренцева моря и его влияние на биологию кольчатой нерпы: автореф. дис. ... канд. биол. наук: 25.00.28. Мурманск, 2012. 23 с. 6. Сенсорные возможности арктических тюленей в морских биотехнических системах / В.Б. Войнов, А.А. Зайцев, Ю.В. Литвинов, А.Л. Михайлюк, М.В. Пахомов // Вестник ЮНЦ РАН. 2013. Т. 9, № 4. С. 87-95. 7. Ишкулов Д.Г., Михайлюк А.Л., Пахомов М.В. Особенности цветовосприятия у серых тюленей // Вестник КНЦ РАН. 2013. №4 (15). С. 88-94.

Сведения об авторах

Ишкулов Дмитрий Геннадиевич - к.б.н., зам. директора по науке Мурманского морского биологического института; e-mail: ishkulov@mmbi.info

Михайлюк Александр Леонидович - к.б.н., зав. лабораторией биотехнических систем, Мурманский морской биологический институт; e-mail: sasha-mihailyuk@yandex.ru Пахомов Мирон Владимирович - младший научный сотрудник лаборатории биотехнических систем, Мурманский морской биологический институт; e-mail: edr750v@yandex.ru

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 2/2015

77