Перейти на стартовую страницу
2021-03-10 08:33:00 /РИА "Сибирь" /Томск
Томские ученые изучают планктон с помощью цифровой голографической камеры




Ученые лаборатории радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды Томского госуниверситета нашли способ определять загрязнения водоемов по планктону. Основной инструмент - цифровая голографическая камера. Она, находясь в воде, может определять размеры и форму планктонных и других частиц, их скорость, количество особей и другие параметры. Полученные данные, в свою очередь, служат основой для выводов о состоянии водоема и его биологическом разнообразии.

"Для записи голограммы нужно пучок лазерного излучения пропустить через объем среды и зарегистрировать на ПЗС-камеру - это и будет осевая голограмма этого объема среды, - объяснил первый проректор ТГУ, заведующий лабораторией радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды Виктор Дёмин. - От обычной фотографии она отличается тем, что мы можем полностью восстановить информацию о волне, прошедшей сквозь объём, а это значит – имеем всю информацию о маленьких частичках или организмах, которые в этой среде находились".

Как это работает

Из лазерного источника в расширитель направляется луч с излучением красного цвета. Расширитель формирует равномерный широкий пучок, который проходит через объем с частицами. То, что рассеивается на них, - предметная волна, она несет информацию об этих частицах. То, что проходит мимо, — это опорная волна, которая необходима, чтобы создавалась интерференционная картина, которую записывают на ПЗС-камеру в качестве голограммы.

Метод оптической голографии позволяет исследовать частицы различного происхождения в разных средах - аэрозоли, облачные частицы (самолетный вариант), неоднородности в оптических кристаллах, стеклах (в том числе самолетных), эритроциты и прочее. Сейчас радиофизики ТГУ занимаются голографированием морских частиц. Это может быть планктон, пузырьки газа, капли нефти - любые объекты, которые находятся в воде. Исследование планктона отвечает сразу на целый ряд вопросов.

По тому, какие виды планктона находятся в воде, как они себя ведут, можно понять, насколько эта экосистема динамична и движется она к расцвету или же деградирует. Это интересно и с точки зрения науки, и с точки зрения экологии.

Биоразнообразие водоема велико. Где планктон - там и рыба, которая им питается. Поэтому по наличию и по типам планктона в водоеме можно определять разновидности других обитателей и даже спрогнозировать, какой будет улов у рыболовных судов.

По планктону можно понять, в каком экологическом состоянии находится водоем. Планктон питается, прокачивая большое количество воды, поэтому изменения в нем происходят уже при небольших загрязнениях акватории. Поэтому по поведенческим реакциям планктона, по тому, как он выглядит, сколько его и какой он, можно оценивать экологическое состояние водоема, причем, на ранних стадиях. Это очень важно в акваториях, например, атомных станций, газопроводов или нефтяных платформ - таких объектов, где может происходить загрязнение окружающей среды.

При погружении цифровой голографической камеры в воду лазерный пучок выходит из одного герметичного корпуса, несколько раз отражается от призм и затем попадает во второй герметичный корпус, где находится камера. Это та же самая осевая схема, только в сложенном виде, чтобы уменьшить габариты оборудования. Под водой вместе с цифровой голографической камерой обычно устанавливаются и дополнительные датчики, например, температуры, давления и проводимости.

Чем больше информации о среде обитания получается, тем более конкретные можно делать выводы и более комплексно исследовать проблему.

Фокус исследований

Одно из направлений деятельности лаборатории сейчас - изучение фототропной реакции планктона. Цифровая голографическая камера помещается в аквариум с водой, где находятся несколько видов планктона. Воду с планктоном освещают аттракторным (притягивающим) излучением зеленого цвета, планктон начинает реагировать на него и собирается в пучке привлекающего света. Зеленый свет используется для привлечения планктона, поскольку по цвету он похож на свет, рассеянный микроводорослями, которыми планктон питается.

"По тому, насколько быстро планктон начинает концентрироваться в световом пучке, мы можем определить степень фототропной реакции. Далее в эксперименте мы добавляем загрязнители, такие как дихромат калия или сырая нефть, планктон при этом начинает реагировать - и тогда скорость концентрирования уменьшается. Это зависит и от дозы загрязнителя. Таким образом, исследуя фототропную реакцию планктона, можно диагностировать загрязнение природных водоемов на ранней стадии", - рассказала научный сотрудник лаборатории радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды ТГУ Александра Давыдова.

Зачем изучать планктон в Арктике

От лабораторных экспериментов томские радиофизики уже успели перейти к натурным исследованиям. Три месяца назад завершилась международная экспедиция на судне "Академик Мстислав Келдыш" в Карском, Восточно-Сибирском морях и море Лаптевых. Экспедиция продолжалась 40 суток, в ней участвовали ученые из Института океанологии РАН, Тихоокеанского океанологического института ДВЦ РАН, Томского государственного университета, Стокгольмского университета и других научных и образовательных организаций. Основной миссией экспедиции было исследование газогидратов при таянии вечной мерзлоты. Но у томских ученых был и собственный интерес - использовать оборудование и методы ТГУ для исследования особенностей планктонных и других частиц в окрестностях сипов (это зоны выхода метана на шельфе).

"В районе Восточно-Сибирского моря мы зарегистрировали пузырьки газогидрата, которые выходят со дна на поверхность. В них сконцентрирован метан, который создает парниковый эффект и влияет на глобальное потепление. Раньше это делали при помощи видеокамеры и не могли фиксировать пузырьки меньших размеров. Если их не учитывать, эмиссия метана может быть посчитана с ошибкой, - пояснил заместитель заведующего лабораторией радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды ТГУ Алексей Ольшуков. - Сейчас одна из задач — проследить, как выбросы метана влияют на поведение планктона".

Обычно исследование планктона происходит вне среды его обитания. Биологи забрасывают специальную сеть и собирают планктон в слое, например, от 150 до 100 метров. Таким образом исследуется планктон не в конкретной точке, а в этом 50-ти метровом слое, поэтому вместо конкретики получается обобщенный результат. Но при помощи цифровой голографической камеры можно исследовать планктон в среде обитания и четко определить, где именно проводятся измерения, а волоконная линия связи способна в реальном времени передать все измерения на корабль. За время последней экспедиции получено огромное количество голограмм, которые предстоит изучить и дополнить данными из следующих экспедиций. Ученым предстоит кропотливая работа, но как утверждают радиофизики, результаты они планируют получить уже через пару лет.

 

Источник: http://www.tsu.ru/