Способ исследования локомоции веслоногих ракообразных и устройство для его осуществления

(19) 111) О 1 К 61/ОО НИЕ ИЗОБРЕТЕНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ОП И АВТО(21) (22) (46) (71) нм. (2) (53) Яф 10 ЗГГ 1.С 1 П С осеа ДаДа (54) ВЕСЛ ДЛЯ и ти ГОСУДАРСТНЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ 4042029/31-1324.03,8630. 11.88. Бюл. Кф 44Институт биологии южных морей.О.КовалевскогоЛ.С.Светличный и А.С.Светличный639.51(088.8)Авторское свидетельство СССР0455, кл. С 02 В 27/02, 1982,ьсе Н.1., РаГГепЬоГег С.А.,1 с 1 ег 1.К. Г 1 ойез ой се 11 саратоге а 1 апоИ сореродз. Ьпппо 1 о 8 у апс 1 поегарЬу, 1983, ч; 28, Г 1 1,116-123.СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОКОГ 10 ЦИИ ОНОГИХ РАКООБРАЗНЫХ И УСТРОЙСТВО ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯИзобретение относится к экологиой физиологии и направлено на еделение общей механической энерзатрачиваемой веслоногим рачком чение заданного интервала времени зможности прогнозирования энергеских потоков, связанных с формированием пространственных структур сообществ этих организмов, Для этого при осуществлении способа исследования локомоции веслоногих рачков проводят после крепления рачка на стержне киносъемку и регистрацию развиваемого нм тягового усилия при спокойнойи скачкообразной локомоции (после стимуляции током) и по анализу данных съемки и регистрации определяют длительность (г) одного локомоторного акта (ЛА), амплитудное (Р,) и интегральное (Р) значения тягового усилия и круговую скорость движения ног рачка (Ч) для каждого типа локомоции.Находят средние значения указанных Ж параметров и устанавливают связь их : у -для каждого типа локомоции, определяю-: Ю ф щуюся следующими зависимсстями: Р=(РА); Ч=Й(РА); Г=Г(РА)Фиксируют нового рачка, осуществляют почасовой ф подсчет числа его спокойных и скачкообразных ЛА и измеряют среднюю ампли туду тягового усилия. Затем подсчиты.с электродами 11. Латчик 2 тяговыхусилий при исследовании рачков длиной более 1 мм содержит балку в видепластины и четыре тенэореэистора, соединенных по мостовой схеме. К концубалки крепят стержень для Фиксациирачка. При исследовании рачков длинойменее 1 мм используют два последовательно связанных тенэорезистора, корпуса которых соединяют с образованиемжесткого элемента, а к концу последнего крепят стержень для фиксациирачка. 2 с.п. Ф-лы, 2 з.п. Ф-лы, 1 ил.1 табл. 1440442 вают общую механическую энергию путем суммирования энергии, затрачиваемой рачком на спокойные и скачкообразные ЛА, устанавливая энергию по Формуле А=РфЧц .п, число и - число ЛА. Устройство для осуществления способа содержит кинокамеру 1, датчик 2 тяговых усилий, связанный с источником 3 питания и через усилитель 4 с входами светолучевого осциллографа 5, самопищущего прибора 6 и двух частотомеров 7 и 8, выходы которых подключены к транскриптору 9 с печатающим устройством, а также электростимулятор 10Изобретение относится к области экологической физиологии и может быть использовано для изучения интенсивности, механизма и эффективности передвижения мелких веслоногих ракообразных, 5 которые являются наиболее массовыми представителями зоопланктона в водоемах.Целью изобретения способа) является определение общей механической энергии, затрачиваемой рачком в течение заданного интервала времени, и возможность прогнозирования энергетических потоков, связанных с формированием пространственных структур сооб 15 ществ этих организмов.Целью изобретения устройства) является проведение длительных исследований локомоции ракообразных, определение общей механической энергии,20 затрачиваемой рачком в течение этого интервала времени, и воэможность прогнозирования энергетических потоков, связанных с Формированием пространственных структур сообществ этих организмовУстройство позволяет исследовать локомоцию рачков любых размеров как менее, так и более 1 мм.Способ и устройство позволяют получить прямую оценку механической энергии рачков путем непосредственного измерения исходных основных параметров - скорости и силы рачков, а не оценивать ее по косвенным показателям,2Оценка же механической энергии и связанной с ней биологической (метаболической) энергии важна при построенииэнергетических балансовых моделейэкосистемы,Полученные при этом данные могутбыть использованы в прогностическихи любых других моделях Формированияпространственной структуры сообществпланктонных органиэмов, а также сцелью уточнения их рационов.На Фиг. 1 и 2 приведены схемы, поясняющие данный способ.Способ исследования локомоции веслоногих ракообразных осуществляют следующим образом. Взрослого рачка фиксируют на гибком стержне, свяэанном сдатчиком тяговых усилий. Для этого наспинную поверхность свободно плавающего в кювете рачка препаровальнойиглой наносят каплю медицинского ваэелинового масла и этой же иглой каплю вместе с приклеившимся к ней рачком поднимают к поверхности воды так,чтобы часть его спины выступала наружу. После этого на конец гибкогостержня наносят каплю полимеризующегося состава - клея "Циакрин" и фиксируют с его помощью рачка на концестержня. Затем производят предварительное изучение параметров локомоциипутем одновременной киносъемки и регистрации тяговых усилий локомоторныхактов рачка, составляющих одну законченную серию. О завершении локомоторз 144044 ной серии судят по появлению перерыва в двигательной активности рачка.Регистрацию тяговых , силий и киносъемку проводят в два этапа, на пер 5 вом из которых исследуют самопроизвольную активность рачка - спокойные локомоторные акты, а на втором - скачкообразные локомоторные акты, для чего на рачка воздействуют импульсом 10 тока подаваемым электростимулятором.Анализируя на каждом этапе результаты измерений тяговых усилий и движения конечностей рачка, записанные на кинопленке, устанавливают ампли тудное и интегральное значения тягового усилия значение круговой скорости движения ног рачка и длительность одного локомоторного акта и находят среднее значение этих парамет ров для одного спокойного и одного скачкообразного локомоторного акта,По результату измерений для каждого типа локомоции устанавливают связи между амплитудой (Р) и результи рующим интегральным значением (Р) тягового усилия, круговой скоростью ног (7,) и длительностью одного локомоторнога, акта (с), определяемые следующими зависимостями: 30 Р=а(Р), Ч=К(Р) и =к(Р,) .В этих зависимостях Г обозначаетФункцию, представляемую в любом виде(показательную или полиноминальную),найденную исследователем, по экспери- З 5ментальному материалу,В процессе исследования локомоциивЕслоногих рачков установлено, чтомежду их кинематическими параметрамии тяговыми характеристиками существу 40ют определенные зависимости.Для этого необходимо выполнитьсерию прямых измерений этих параметров и найти экспериментально связьмежду ними в любом удобном виде. Удоб45нее всего по амплитуде тягового усилия (Р) находить все остальные параметры, что и имеет место в данном способе.Эти зависимости могут быть выражены50следующим образом через коэффициенты: ь -аР=1 с Р,; Ч=аР, =сР1Коэффициенты 1 с,а,Ь,с и с 1 эмпирические. Они не являются постоянными величинами и меняют свои значения при раз. личных способах локомоции и у различных размерных групп. Коэффициенты Е,а,Ъ,с и с 1 определяют методом наименьших квадратов по результатам измерений, выполненных на первом и втором этапах исследования для кажцого типа локомоции исследуемой размерной группы рачков и при заданной температуре.После этого на стержне фиксируют другого рачка, осуществляют подсчет его спокойных и скачкообразных локомоторных актов и измерение средней амплитуды тягового усилия в течение заданного интервала времени, а общую механическую энергию за этот период получают путем суммирования энергии, затрачиваемой рачком на спокойные и скачкообразные локомоторные акты, которую устанавливают для каждого типа локомоции по Формуле А=РЧ и, где и - число локомоторных актов.Замена рачка свежим обусловлена тем, что после электростимуляции поведение рачка в длительном эксперименте может быть искажено. Прием поимки и подъема рачка к по- верхности воды перед его Фиксацией с помощью капли масла позволяет экспериментировать с рачком, практически не травмированным при креплении к стержню датчика, что дает возможность получать более точные данные, необходимые для определения общей энергии, затрачиваемой рачком на локомоцию. В течение длительных экспериментов, периодически производя контрольные измерения тяговых усилий, можно убеждаться в том, что параметры тяговых усилий сохраняют те же значения, что и в начале эксперимента или изменяются. Зная, например, значения амплитуды усилий локомоторных актов через некоторые интервалы времени в течение эксперимента можно уточнить значения энергии одного локомоторного акта,темгсамым повысить точность определения работы рачка за время эксперимента. Наибольшие изменения происходят при смене условий окружающей среды: осве" щенности, температуры и др. Установлено, что при продолжительности иссле. дований до 1 ч достаточно трижды через равномерные промежутки выполнить контрольные измерения. При исследованиях длительностью до 24 ч достаточно контролировать амплитуду тяговых усилий через 1 ч. При многосуточных исследованиях достаточно выполнитьконтрольные измерения на рассвете, на закате и в середине дня и ночи.Необходимость и важность определения общей механической энергии при локомоции веслоногих рачков объясняется тем, что эти организмы составляют до 90 организмов планктона, совершают ежесуточные вертикальные миграции в море, поэтому оценка связан ной с этим механической или биологической (метаболической) энергии важна как при построении балансовых моделей экосистем включающих потоки энергии через пик, так и для уточне ния величины рациона мигрирующих рачков.П р и м е р. Определяют общие затраты механической энергии на движение взрослых особей веслоного рачка 20 Са 1 апиз Ье 1 ео 1 апйхсцз с длиной тела 3,2 мм при 18 С. На спинную поверхность свободно плавающего в кювете планктонного рачка наносят препаровальной иглой каплю медицинского ва зелинового масла, Этой же иглой каплю вместе с приклеившимся к ней рачком поднимают к поверхности воды, Соприкоснувшись с поверхностной пленкой воды, рачок уже не может самостоятель-Зр но погрузиться, смоченная вазелином часть его спины выступает из воды. На окончание стеклянного стержня наносят микрокаплю клея Циакрин", Взяв в руку основание датчика тягоЭ 5 вых усилий, к которому прикреплен стержень, располагают его над экспериментальной кюветой с плавающим по поверхности воды рачком, Выбрав момент, когда ось симметрии рачка совпадает с плоскостью рабочего изгиба балки датчика, касаются стержнем с микрокаплей клея к спинной поверхности рачка и сразу притопляют на глубину 5 мм. В таком положении датчик жестко Фиксируют на кювете, распола" гают в поле зрения кинокамеры, подключают к источнику питания и усилителю. БОНа первом этапе производят одновременно киносъемку и запись тяговыхусилий спокойных локомоторных актов рачка, составляющих законченную серию (см, фиг.1).55Анализ результатов киносъемки и ре- гистрации тяговых усилий показал, что рачок совершает серии спокойных локомоторных актов, в каждом из которых между амплитудой тяговых усилий иее результирующим интегральным зна"чением, а также круговой скоростьюног и длительностью локомоториого акта существуют зависимости, определяемые формулами: Р=3,42 Р, Ч=25,5 РА,г.=0,0097 Р , откуда работа, совершаемая рачком при одном спокойном локомоторном акте А=РЧяТ, с учетом укаэанных зависимостей будет определяться формулой А=0,86 Р,На втором этапе изучают скачкообразную локомоцию рачка. Для этогоподключают к электростимулятору дваэлектрода площадью 10 х 10 мм и погружают их в кювету так, чтобы промежуток между электродами составил 1015 мм, а рачок находился в серединеэтого промежутка в центральной области электродов, при этом электродыне препятствовали киносъемке рачка.Одновременно с подачей стимулирующего импульса включают кинокамеру изапись тяговых усилий и производяткиносъемку со скоростью 3000 кадровв секунду локомоции рачка и регистрацию развиваемых им тяговых усилий втечение нескольких десятков локомоторных актов, составляющих законченную серию (см. Фиг. 2),Анализ результатов киносъемки и регистрации тяговых усилий показал, что рачок совершает серии скачкообразных локомоторных актов, в каждом из которых между амплитудой тяговых усилий и ее интегральным значением, а также круговой скоростью ног и длительностью локомоторного акта прояв" ляются зависимости, определяемые формулами: Р=0,5 Р , Чн=5,5 Р=0,16 Р; , откуда работа, совершае" мая рачком при одном скачкообразном локомоторном акте А=РЧн й, с учетом приведенных для этого типа движения формул связи РАсР,Чд, будет опреде" ляться формулой А=0,44 РВ дальнейшем к датчику прикрепляют такого же, не подвергавшегося дейст" вию электрического тока, рачка и в течение 5 ч производят исследование его локомоторной активности. При этом производят счет спокойных и скачкооб разных локомоторных актов и контроль" ные измерения средней амплитуды тяговых усилий через каждый час, Результаты эксперимента приведены в таблице.Анализ таблицы показывает, что за первый час (с 16 до 17 ч) рачок совершает 5600 спокойных и 188 скачкообразных локомоторных актов, средние амплитуды из тяговых усилий соответственно равны 0,5 и 28 дин. Следовательно, за первый час рачок затратил на спокойную локомоцию А=0,86 х х 0,5" 5600=2408 эрг, а на скачкообраз" 10 ную А=0,44 (28)188: =1659,8 эрг.Контрольные измерения амплитуды в конце второго часа исследований (в 18 ч) показали, что амплитуда спо койных актов возросла до 0,64, а скачкообразных до 30 дин. Следовательно, средняя амплитуда за этот час равна для спокойных актов 05+0 б 4 20 - " = 0,57 дин, а для скачкооб 28+30разных --- = 29 дин,2Таким образом, на втором часу исследований рачок совершает спокойных локомоторных актов (8300) Аи = =0,86 0,57 8300=4068,7 эрг, а скачкообразных (105) А ц =0,44 (29)105=956,8 эрг.В течение остальных 3 ч еще трижды контрольными измерениями определяют средние значения амплитуды за время между контрольными операциями и находят совершенную рачками работу. Общая работа, совершенная рачком в Зн заданный исследованием интервал времени (5 ч) составила 49954,7 эрг.Из примера видно, что измеряя только амплитуду тягового усилия и зная ее связь с величиной общей энергии, 40 затрачиваемой рачком на один спокойный и один скачкообразный локомоторный акт, можно рассчитать затраты общей энергии на локомоторные акты, произведенные за определенный интервал 45 времени, например 1 ч, 2 ч и т.д.Для осуществления способа используют устройство для исследования локомоции веслоногих ракообразных.На фиг. 3 изображена блок-схема 50 устройства; на фиг. 4 - общий вид устройства, используемого для исследования ракообразных с длиной тела более 1 мм; на фиг. 5 - схема подключения тензорезисторов датчика этого устройства; на фиг. 6 - общий вид устройства, используемого для исследования ракообразных с длиной тела менее 1 мм; на фиг, 7 - схема подключения тензорезисторов датчика этого устройства.Устройство для исследования локомоции веслоногих ракообразных состоит (см. фиг.3) из кинокамеры 1, датчика 2 тяговых усилий, источника 3 питания, усилителя 4, светолучевого ос-, циллографа 5, самопишущего прибора 6, двух частотомеров 7 и 8, транскриптора 9 с цифропечатающим устройством, а также электростимулятора 10 с электродами 11 и кюветы 12 для исследуемых рачков.Вход датчика 2 тяговых усилий подключен к источнику 3 питания, а выход - через усилитель 4 к входам светолучевого осциллографа 5, самопишущего прибора 6 и частотомеров 7 и 8, а выходы последних связаны с входом транскриптора 9 с цифропечатающим устройством.Самопишущий прибор 6 предназначен для регистрации спокойных локомоторных актов, имеющих частоту 30 Гц, а светолучевой осциллограф 5 - для регистрации скачкообразных, имеющих частоту более 200 Гц.Из двух частотомеров 7 и 8 один осуществляет счет всех локомоторных актов, а другой - только скачкообразных.Электростимулятор 10 необходим для стимулирования скачкообразных движений у рачка в начальной стадии исследований, когда исследуют работу (энергию), затрачиваемую рачком за один локомоторный акт. В естественных условиях такие движения рачок совершает редко, поэтому целесообразно принуждать его к этому.Датчик 2 тяговых усилий (см, фиг.4 и 5) состоит из основания 13, полупроводниковых тензорезисторов 14 и с ним связан стержень 15 из стекла, служащий для фиксации рачков. В случае использования устройства для ис следования рачков с длиной тела более 1 мм (см. фиг. 4,5) целесообразно датчик 2 снабдить балкой 16, вы" полненной в виде пластинки из слюды размерами 10,0 х 1,0 х 0, 1 мм. В средней части балки 16 располагают тензорезисторы 14, по два с каждой стороны, соединенные по мостовой схеме, так что на каждой стороне балки 16 находится по два тензорезистора 14, являющихся противоположными плечами моста. Балку 16 одним торцом (консольно) кре(до 10 раз) отличаются. для самыхмаленьких рачков (менее 1,0 мм) необходимая жесткость может быть обес 5 печена жесткостью самих тензорезисторов 14, защищенных от воды слоемлака и клея. Применяя один или два(один над другим) или четыре тензорезистора можно варьировать жесткостьт 10 и чувствительность образуемого корпусами тензорезисторов жесткого элемента 17.Рачки с размерами более 1 мм развивают настолько значительные усилия,15 что жесткость одних тензорезисторов 14недостаточна и балку 16 необходимо вы"а полнить в виде отдельного конструктивного элемента, Этот элемент должениметь минимальные габариты при необ 20 ходимой жесткости, быть инертным и неэлектропроводным. Наиболее удобнымматериалом для этого элемента является слюда, из которой изготавливаюти- балку 16,Наличие электрического сигнала откаждого локомоторного акта прзволяетпроизводить их счет в течение времени,ограниченного только жизнью рачка.Различные в амплитудах электрическихЗО сигналов спокойных и скачкообразныхлокомоторных актов более чем в 10 раздает возможность раздельного счетаих частотомерами 7 и 8.Формула изобретения пят к основанию 13, а к другому ееконцу подсоединяют стержень 15.При использовании устройства дляисследования рачков с длиной тела менее 1 мм целесообразно испольэоватьв датчике 2 расположенные один наддругим .и последовательно соединенныетенэорезисторы 14 (см. Фиг. 6,7),Корпуса тензорезисторов образуют жеский элемент 17, один конец которогоконсольно крепят к основанию 13, а кдругому его концу крепят стержень 15Работа устройства осуществляется,следующим образом,Рачка фиксируют на конце стержняПри локомоции (движении) рачка кинокмера 1 Фиксирует его локомоторные акты, в результате которых на выходедатчика 2 тяговых усилий, подключенного к источнику 3 питания, появляются электрические сигналы с амнлитудой, пропорциональной создаваемым услиям. Эти электрические сигналы усилваются усилителем 4 и поступают навходы светолучевого осциллографа 5или самопишущего прибора 6 и двухчастотомеров 7 и 8 и затем регистрируются с помощью транскриптора 9 сцифропечатающим устройством,При работе датчика 2 тяговых усилий под действием локомоторных актов рачка, закрепленного на стержне15, балка 16 или элемент 17 подвергаются изгибу, который с помощью тензорезисторов 14 преобразуется вэлектрический сигнал.При использовании устройства производят его градуировку путем подвешивания иа конце стержня 15 гирь-рейтеров массой 0,2; 1,0; 5,0; 25,0;50,0 мг, Регистрацию электрическихсигналов в диапазоне нагрузки 0,2 -5,0 мг производят на самопишущем при"боре б, а от 5,0 мг - на осциллографе 5. Для измерений тяговых усилийотдельных,локомоторных актов рачкапо деформации узел, к которому крепятстержень 15, т.е. элемент 17, и балка 16 должны быть предельно маленькими и жесткими, чтобы рачок вместес ними не перемещался в воде, таккак при этом среда будет оказыватьсопротивление и погрешность измерения усилия возрастет. С другой сторойы, деформация должна быть достаточной для ее преобразования в электри- .ческий сигнал. Тяговые усилия рачковс различными размерами значительно 1. Способ исследования локомоции веслоногих ракообразных, предусматривающий фиксацию рачка на стержне и киносъемку его локомоторных актов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью определения общей механической энергии, затраЧиваемой рачком в течение заданного интервала времени, и возможности прогнозирования энергетических затрат, связанных с формированием пространственных структур сообществ этих организмов, одновременно с киносъемкой проводят регистрацию тягового усилия, развиваемого рачком, и определяют длительность локомоторного акта, амплитудное и интегральное значение тягового усилия и круговую скорость движения ног рачка,киносъемку, регистрацию тягового"тусилия и определение указанных параметров проводят в два этапа, на первом из которых рачок находится в состоянии спокойной локомоции, а перед вторым его стимулируют электрическим13 4 1440442 Времйсутю Спок. Скач,Спок. Скач. пок. Скач. к. Скач. 0 33 1101 б,б Зб 84,8 20 18300 3 ь 71 34 13494 вЗ ЗЗб 4 71 3 21 22100 320 8305,3 116 4995 Число локомотор- Средняя амплитуданык актов в момент контро" Работа за все время исследований Средняя амплитуда эа интервал междуконтролем, дин Продолжение таблицы Работа эа интервалмежду контролем, эрг/.Редактор О.Спесивых Техред Л.Сердюкова КорректорА.Обручар Тираж 519 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5