Лаборатория биолюминесценции

Идея развития исследований биолюминесценции в ИнБЮМ принадлежала известному планктонологу, доктору биологических наук Владимиру Николаевичу Грезе. Одновременно это направление тогда активно развивалось в США, а также в Институте физики им. Л.С. Киренского СО АН СССР коллективом Иосифа Исаевича Гительзона. В.Н. Грезе оценил возможности биолюминесценции для визуализации вертикальной структуры планктонного сообщества. Он приглашает в Севастополь своего ученика – Эдуарда Павловича Битюкова и передаёт ему перспективное направление исследований. Именно с именем Э.П. Битюкова связан комплексный научный подход к изучению биолюминесценции в ИнБЮМ. В 1967 г. создаётся Кабинет биолюминесценции. В последующие годы в тематику Кабинета кроме планктонологических и биолюминесцентных работ вошли также гидроакустические исследования, связанные с оценкой влияния планктона на акустические характеристики водной толщи, определение регрессионных соотношений между интенсивностью рассеяния звука с одной стороны, а также численностью и видовым составом звукорассеивателей с другой.

В 1974 году Кабинет биолюминесценции реорганизован в неструктурную Лабораторию биолюминесценции и биоакустики (ЛББ) Отдела планктона. В 1982 году ЛББ была реорганизована в структурную, а в 1994 г. получила название Лаборатория биофизической экологии (ЛБЭ). В таком виде она существовала уже в Отделе функционирования морских экосистем до 1995 г., когда в соответствии с распоряжением Президиума НАНУ структурной единицей ИнБЮМ остались только отделы.

Наконец, в 2001 г. постановлением учёного совета ИнБЮМ НАНУ в институте был создан Отдел биофизической экологии на базе Отдела экологической информатики и Лаборатории биофизической экологии. Руководителем отдела многие годы был доктор биологических наук, профессор Токарев Юрий Николаевич.  В настоящее время лаборатория биолюминесценции входит в состав Отдела планктона.

Сфера научно-исследовательской деятельности

Изучение биоразнообразия светящихся гидробионтов. Одним из направлений исследований является изучение пространственной структуры поля биолюминесценции. Также лаборатория занимается разработкой новых измерительных комплексов и методических приемов для изучения биофизических характеристик жизнедеятельности гидробионтов в лабораторных и полевых условиях.

Задачи исследований

1. Изучение механизмов генерации и эволюции пространственно-временной изменчивости биофизических полей в условиях различных градиентов биологических и гидрологических параметров

2. Изучение биоразнообразия (каталогизация) светящихся гидробионтов, определение биофизических и физиологических параметров их светоизлучения. Изучение парциального вклада различных таксонов в пространственно-временную изменчивость биофизических полей пелагиали. Установление корреляционных зависимостей биофизических характеристик с численностью и видовым составом гидробионтов

3. Биофизический мониторинг пелагиали, экспресс-оценка функционального состояния пелагических сообществ. Экологическое районирование морских и прибрежных акваторий и экспертиза зон “экологического риска”

4. Разработка концепции новых измерительных комплексов и методических приемов для изучения биофизических характеристик жизнедеятельности гидробионтов в лабораторных и полевых условиях

Основные результаты исследований

Весомы достижения сотрудников лаборатории в развитии методологии полевых исследований биолюминесценции. Разработано и активно используется локально-динамическое направление в изучении биофизических полей водной толщи, при котором с помощью метода многократных (10–100) зондирований выясняется их мелкомасштабная неоднородность. Получила развитие локально-динамическая концепция исследований поля биолюминесценции и разработка методологии изучения мелкомасштабной пространственной структурированности планктонных популяций.

Изучены спектральные характеристики поля биолюминесценции (ПБ), оказавшиеся независимыми от региона Мирового океана, и суточная изменчивость характеристик ПБ в различных регионах Мирового океана, что позволило выявить ряд важных закономерностей функционирования планктонных сообществ. На этой основе была сделана одна из первых попыток оценки информационного значения характеристик поля биолюминесценции для исследования структурированности планктонных сообществ, а в дальнейшем выдвинуты пионерские гипотезы относительно экологического смысла биолюминесценции одноклеточных водорослей и проведены важные обобщения касательно ее роли в экологии копепод.

Важнейшими достижениями отмечены также биоакустические исследования лаборатории. С помощью оригинальных акустических комплексов «Планктон», «Планктон-2» и «Планктон-3» впервые оценены акустические параметры верхнего продуктивного слоя различных регионов Атлантического океана и морей Средиземноморского бассейна с использованием единой методики и цифровой акустической техники. Показана тесная связь уровня акустического рассеяния на частоте 80 кГц с биологической продуктивностью водной толщи, выявлено, что величина силы обратного объёмного рассеяния звука на частоте 80 кГц является достаточно надёжным индикатором (маркёром) пространственного распределения зоопланктонного сообщества.

За годы деятельности сформировалась и активно развивалась новая область знаний, биофизическая экология гидробионтов - новое направление в науке о море, раздел гидробиологии, предметом которого является взаимодействие организмов, их популяций и сообществ путём утилизации, трансформации или модификации физических полей, в том числе продуцируемых в процессе их жизнедеятельности. Установлены закономерности формирования мелкомасштабной структуры биологических полей, разработаны новые подходы к оценке и рациональному использованию биологических ресурсов Мирового океана, развиты представления о нетрофических взаимодействиях сообществ в морской пелагиали.

Актуальность и своевременность появления биофизических методов исследования экологии гидробионтов и применения новых информационных технологий для их описания и идентификации объясняется тем, что преобладающий ныне в гидробиологии синэкологический подход нуждается в новых подходах к изучению морской среды и населяющих её организмов, адекватных пространственным и временным масштабам происходящих событий. Очевидно также, что к традиционно используемым в качестве основных параметров функционирования морских экосистем трофическим характеристикам необходимо добавить параметры нетрофических взаимодействий гидробионтов (химических, оптических, акустических, механических и т.д.), способных существенно модифицировать и трансформировать действие трофических факторов. Учитывая полученные нами материалы об общеокеаническом масштабе биофизических полей, интегральности и экспрессивности их характеристик для оценки параметров морских экосистем на любых пространственно-временных масштабах их изучения, разработанные биофизические подходы к изучению пелагических сообществ существенно повысили эффективность синэкологических исследований.

Разработанный в лаборатории разномасштабный, мультисенсорный и многоуровневый подходы к изучению динамики морских экосистем позволил выработать концептуальные основы экологического биофизического мониторинга пелагических сообществ, подразумевающего схему одновременной обработки биофизической, гидробиологической и гидрофизической информации.

Темы госзадания

1. Госзадание 121040600178-6 «Структурно-функциональная организация, продуктивность и устойчивость морских пелагических экосистем».

2. Госзадание 121090800137-6 «Комплексные исследования современного состояния экосистемы Атлантического сектора Антарктики»

Гранты

Проект РФФИ КИАС № 18-45-920015 р_а «Биофизическая экология прибрежных вод Севастополя: исследование многолетних изменений светимости прибрежных вод Севастополя в условиях климатических изменений и антропогенного воздействия»
Период выполнения: 2018 – 2021 гг.
Номер госрегистрации: АААА-А18-118080190049-1

Сотрудники лаборатории

Мельник Александр Валерьевич, научный сотрудник, кандидат биологических наук, руководитель лаборатории

Серикова Ирина Михайловна, старший научный сотрудник, кандидат биологических наук

Жук Владимир Федорович, научный сотрудник

Мельник Лидия Александровна, младший научный сотрудник

Белогурова Юлия Борисовна, ведущий инженер

Мокин Александр Петрович, ведущий инженер

Степанова Екатерина Сергеевна, ведущий инженер

Оборудование

• 

  Гидробиофизический комплекс «Сальпа-М»
  

  Комплекс гидробиологический автономный «Сальпа-МА+» предназначен для исследования интенсивности биолюминесцентного излучения организмов в деятельном слое Мирового океана (0-250 м) в режиме многократного вертикального зондирования со скоростью до 1,2 м/с  с одновременным измерением, фотосинтетической активной радиации, концентрации хлорофилла-а, мутности, растворенного кислорода, температуры, электропроводности и гидростатического давления в автономном режиме с питанием от внутреннего источника и накоплении данных на внутреннюю Flash- карту, и управлением комплексом по удаленным каналам связи – радиоканал, Bluetooth и кабельному-порту USB.

• 

  Приборно-лабораторный комплекс “Свет”
  Предназначен для регистрации биолюминесцентных сигналов светящихся гидробионтов. Определение характеристик биолюминесценции проводят при полной темноте, при этом организмы подвергают механической и химической стимуляции. Приборный комплекс включает высоковольтный блок питания (ВС-22), люминескоп, состоящий из приёмника светового излучения (ФЭУ-71) и темновой камеры для объекта, а также регистрирующее устройство – цифровой интерфейс. В темновую камеру люминескопа устанавливали кювету объёмом 50 см³ из прозрачного оргстекла, в которую отсаживали подопытные и контрольные организмы для механической и химической стимуляции свечения.

Основные публикации лаборатории

• Артёмкин А.С., Балдина Э.П., Грезе В.Н., Филимонов В.С. Предварительные результаты исследований люминесценции планктона Девисова пролива и Карибского моря // Исследования в Атлантическом океане (17-й рейс НИС «Михаил Ломоносов»). – Киев, 1965. – С. 81–91.

• Битюков Э.П. Люминесценция Noctiluca miliaris и характеристи­ки ее раздражимости // Журн. эволюц. биохимии и физиологии. – 1966. – 2, – № 5. – С. 452–456.

• Битюков Э.П. Использование биолюминесцентной реакции организмов для отбора физиологически однородного материала // Гидробиол. журн. – 1966. – 2, вып. 5. – С. 85–89.

• Битюков Э.П., Рыбасов В.П., Шайда В.Г. Годовые изменения интенсивности биолюминесцентного поля в неритической зоне Черного моря // Океанология. – 7, № 6. – 1967. – С. 1089–1099.

• Битюков Э.П. Характеристика суточного ритма биолюминесценции Noctiluca miliaris (Flagellata, Peridinea) // Зоол. журн. – 1968. – 47, вып. I. – С. 36–41.

• Битюков Э.П. Распределение и экология Noctiluca miliaris в Черном море // Биология моря. – 1969. – Вып. 17. – С. 76–95.

• Битюков Э.П. Биолюминесценция Noctiluca miliaris в разных температурных условиях // Биология моря. – 1971. – Вып. 24. – С. 70–77.

• Токарев Ю.Н., Битюков Э.П. Экология и характеристики свечения ноктилюки над шельфом Черного моря // Биология шельфа: Тез. докл. Всесоюз. конф. по биологии шельфа. – Владивосток, 1975. – С. 171–172.

• Токарев Ю.Н. Действие гамма-облучения на биолюминесценцию Noctiluca miliaris // Радиобиология. – 1976.–Т.16, вып. 1. – С. 131–134.

• Битюков Э.П., Василенко В.И., Токарев Ю.Н. О спектральном составе биолюминесцентного поля в Черном и Средиземном морях и в Атлантическом океане // Биология моря. –1978. – Вып. 47. – С. 40–48.

• Токарев Ю.Н. Влияние различных доз гамма-излучения на биолюминесценцию черноморской ночесветки // Взаимодействие между водой и живым веществом. – М. : Наука,1979. –Т.2. –С.38–41.

• Токарев Ю.Н., Соколов Б.Г., Рыжов Н.Н. Изменение характеристик биолюминесценции черноморской ночесветки под воздействием гамма-облучения // Экология моря. – 1982.– Вып. 9. – С. 89–94.

• Битюков Э.П. Горизонтальная неоднородность биолюминесцентного поля как показатель агрегированного распределения планктона. //Гидробиол. журн. – 1984. – 20, №5. – С. 24–31.

• Евстигнеев П.В., Серикова И.М. Изучение воздействия нефти на биолюминесценцию планктонных организмов // Экспериментальная водная токсикология. – 1987.– № 12. – С. 122–136.

• Евстигнеев П.В., Битюков Э.П. Биолюминесценция морских копепод. – Киев: Наук. думка, 1990. – 144 с.

• Гительзон И.И., Левин Л.А., Утюшев Р.Н., Черепанов О.А., Чугунов Ю.В. Биолюминесценция в океане. – С.-Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. – 283 с.

• Битюков Э.П., Евстигнеев П.В., Токарев Ю.Н. Светящиеся Dinoflagellata Черного моря и влияние на них антропогенных факторов. // Гидробиол.журн. –1993. – 29, № 4. – С. 27–34.

• Бутаков Е.А., Лелеков С.Г. Использование информационных технологий для создания определителей гидробионтов // Гидробиол. журн. – 1993. – № 6. –С. 96–100.

• Евстигнеев П.В., Битюков Э.П., Околодков Ж.Е. Видовой состав и специфичность биолюминесценции водорослей Dynophyceae // Ботан. журн. – 1993– Т.78. – C. 1–15.

• Бутаков Е.А., Лелеков С.Г., Сузак В.И., Салехова Л.П. Компьютерное определение личинок рыб Черного моря // Вопросы ихтиологии. – 1995. – 35, № 1. – С. 43–47.

• Битюков Э.П., Василенко В.И., Серикова И.М., Токарев Ю.Н. Результаты и перспективы биолюминесцентных исследований в Черном море // Экология моря. – 1996. – № 46. – С. 19–24.

• Tokarev Yu.N. Plankton as a factor modifying the physical characteristics in the marine environment / Mar. Ecol. – 1996. – 17. – P. 187–196.

• Vasilenko V.I., Bitykov E.P., Sokolov B. G., Tokarev Yu.N. Hydrobiophysical device “Salpa” of the Institute of Biology of the Southern Seas used for bioluminescent investigation of the upper layers of the ocean. - W.Hastings, L.J.Kricka & P.E. Stanley (eds). Bioluminescence and Chemiluminescence. Molecular reporting with photons // Proc. 9th Intern. Symp. (Woods Hole, October 1996). – Chichester: J.Willey & Sons, 1997. – P. 549–552.

• Серикова И.М., Василенко В.А.Влияние гидродинамического режима водных масс на тонкую структуру поля биолюминесценции. Экология моря. – 2000. – Т. 51. – С. 20–24.

• Бутаков Е.А., Лелеков С.Г. Методические аспекты компьютерного обучения навыкам идентификации и диагностики // Сб. тр. СевГТУ, серия «Педагогика». – 2001. – Вып. 34. – С. 64–67.

• Токарев Ю.Н. Биофизическая экология планктона – первые результаты и перспективы развития // Экология моря. – 2001– Вып. 57. – С. 51–59.

• Токарев Ю.Н., Лелеков С.Г., Лях А.М. Перспективы использования компьютерных технологий в области таксономии // Экология моря. – 2002. – Вып. 61. –С. 95–98.

• Tokarev Yu.N., Vasilenko V.I., Zhuk V.F., Sokolov B.G., Slipetsky D.Ya.Acoustical estimation of the antarctic krill swarms spatial distribution and biomass. Морской экологический журнал. –2005. – Т. 4. № 1. – С. 5-14.

• Токарев Ю.Н. Основы биофизической экологии гидробионтов. – Севастополь: ЭКОСИ–Гидрофизика, 2006. – 342 с.

• Шульман Г.Е., Токарев Ю.Н. Функциональное разнообразие как важный фактор существования биотических компонентов экосистем // Мор. экол. журн. – 2006. – Т. 5, № – С. 35–56.

• Серикова И.М., Токарев Ю.Н.Суточная изменчивость тонкой структуры поля биолюминесценции в Черном море. Труды Южного научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии. –2008. – Т. 46. С. 125–132.

• Серикова И.М., Токарев Ю.Н., Загородняя Ю.А., Василенко В.И.Тонкая структура поля биолюминесценции и её обусловленность характеристиками планктона и гидрологической структурой вод в Чёрном море. Морской экологический журнал. – 2010. – Т. 9. № 4. – С. 86–101.

• Токарев Ю.Н., Мельников В.В., Жук В.Ф., Василенко В.И. Новый метод экпрессной обработки и анализа данных гидробиофизических съёмок в экспедиционных условиях. Морской экологический журнал. – 2013. – Т. 12. № 2. – С. 63–68.

• Токарев Ю.Н., Василенко В.И., Жук В.Ф., Белогурова Ю.Б.Определение пространственной неоднородности поля биолюминесценции с помощью буксируемого гидробиофизического комплекса "САЛЬПА-М". Морской экологический журнал. – 2014. – Т. 13. № 2. – С. 71–81.

• Serikova I.M., Tokarev Y.N., Vasilenko V.I., Briantseva Y.V., Stanichniy S.V., Suslin V.V.Response of phytoplankton of the Sevastopol coastal zone to climate peculiarities of the years 2009-2012. Hydrobiological Journal. – 2016. Т. 52. № 1. – С. 40–51.

• Мельник А.В., Токарев Ю.Н., Белогурова Ю.Б., Георгиева Е.Ю., Жук В.Ф., Силаков М.И. Роль абиотических и биотических факторов в формировании сезонной изменчивости поля биолюминесценции Азовского моря. Морской биологический журнал. – 2018. Т. 3, № 2. – С. 64–72.

• Мельник А. В., Мельников В. В.Исследования биолюминесценции в Красном море. Системы контроля окружающей среды. – 2018. № 13 (33). – С. 93–100.

• Мельник А.В., Белогурова Ю.Б.Сезонная изменчивость поля биолюминесценции у берегов Кавказа в 2018 г. Системы контроля окружающей среды. – 2019. Вып. 2 (36). – С. 100–106.

• Мельник А.В., Мельников В.В., Серебренников А.Н., Мельник Л.А., Машукова О.В.Характеристики поля биолюминесценции в прибрежье Севастополя: результаты многолетнего мониторинга. Системы контроля окружающей среды. – 2019. Вып. 1 (35). – С. 79–87.

• Мельник А.В., Георгиева Е.Ю., Мельник Л.А.Изменчивость пространственного распределения биолюминесценции и фитопланктона в фотическом слое Черного моря летом 2018 Г. Системы контроля окружающей среды. – 2019. № 3 (37). – С. 120–126.

• Melnik A.V., Melnikov V.V., Melnik L.A., Mashukova O.V. Influence of invader ctenophores on bioluminescence variability off the coast of Western Crimea. Морской биологический журнал. – 2020. Т. 5, № 2. – С. 67–75.

• Серикова И.М. Алгоритм математической обработки профилей биолюминесценции для изучения мелкомасштабной агрегированности планктона. Системы контроля окружающей среды. – 2020. № 1 (39). – С. 145–152. https://doi.org/10.33075/2220-5861-2020-1-145-152

• Melnik A., Melnik L., Mashukova O., Melnikov V. Field studies of bioluminescence in the Antarctic sector of the Atlantic Ocean in 2002 and 2020. Luminescence. – 2021. Vol. 36, iss. 8. – P. 1910–1921. https://doi.org/10.1002/bio.4125

• Serikova I., Mashukova O., Evstigneev V. Seasonal blooms of the dinoflagellate algae Noctiluca scintillans: Regional and global scale aspects. Regional Studies in Marine Science. – 2021. Vol. 44. Article no. 101771 (12 p.). https://doi.org/10.1016/j.rsma.2021.101771

• Melnik A.V., Melnik L.A., Mashukova O.V., Chudinovskikh E.S. Field studies of bioluminescence in Bransfield Strait in 2022. Luminescence. – 2022. Vol. 37, iss. 11. – P. 1906–1913. https://doi.org/10.1002/bio.4372

• Piontkovski S.A., Serikova I.M., Evstigneev V.P., Prusova I.Y., Zagorodnaya Y.A., Al-Hashmi K.A., Al-Abri N.M. Fading bioluminescence of the tropical Atlantic Ocean. Luminescence. – 2022. Vol. 37, iss. 3. – P. 514–519. https://doi.org/10.1002/bio.4188

• Bioluminescence of the tropical Indian Ocean: a multiple-scale variation. Luminescence. – 2022. Vol. 37, iss. 9. – P. 1436–1445. https://doi.org/10.1002/bio.4315

• Piontkovski S.A., Melnik A.V., Serikova I.M., Minsky I.A., Zhuk V.F. Bioluminescent eddies of the World Ocean. Luminescence. 2023. https://doi.org/10.1002/bio.4475