Стимуляция бройлеров оптическим излучением нетепловой интенсивности

М. Даниловских, доцент кафедры информационных технологий и систем.
Л. Винник, доцент кафедры информационных технологий и систем, Новгородский ГУ им. Я. Мудрого.
По мере сокращения сырьевых и топливных ресурсов, роста численности населения и ухудшения экологической обстановки проблема повышения продуктивности бройлеров приобретает большое значение.
Солнце — основа возникновения и существования жизни на нашей планете, биологические системы в процессе своего развития приспособились к этому излучению, и оно стало не только привычным, но и необходимым условием жизни. Поэтому всё большую популярность приобретает стимуляция биологических объектов электромагнитным полем оптического диапазона (ЭМП). Подобный вид обработки привлекает высокой технологичностью и экологичностью, к тому же контролируемое в пространстве и времени воздействие более эффективно для управления параметрами биологических систем.
Перспективность применения в биорегуляторных целях электромагнитных полей (от СВЧ до ионизирующего диапазона) обоснована И.Ф. Бородиным, А.А. Шаховым, Н.Д. Девятковым, В.М. Инюшиным, А.М. Кузиным, Л.Г. Прищепом и их научными школами. Наибольшей экологической без­опасностью и технологичностью обладает излучение в инфракрасной, видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра.
В биологических системах оно выполняет не только энергетические, но и важные регуляторные функции, управляя различными процессами, вплоть до экспрессии генов.
В основе световой регуляции лежит резонансное поглощение электромагнитного излучения составляющими биологической системы. Фундаментальные работы Г. Мо­ра, Т.Й. Кару, Н.Ф. Гамалея, Н.П. Воскресенской позволили установить пути преобразования светового сигнала в химический и его воздействие на метаболизм клетки.
На определённых этапах технологического производства мяса бройлеров на базе оптических источников излучения возможно внедрение новых способов и технологических приёмов, позволяющих сократить применение пестицидов, химических и гормональных препаратов, повысить продуктивность птицы и экологичность получаемой продукции.
Спектр электромагнитных излучений оптического диапазона.
Под оптическим диапазоном в радиофизике рассматривают диапазон длин волн от субмиллиметрового до дальне­го ультрафиолетового излучения — 1 мм - 1 нм (Ю.И. Куклев).
Оптическое излучение, обладающее высокой биологической активностью, во многом определяет жизненно важные процессы живых организмов разного уровня организации. В различных частях спектра оптическое излучение неодинаково воздействует на биологические объекты. Поэтому его спектр подразделяют на три диапазона: инфракрасное из­лучение (ИК); видимое (ВИ); ультрафиолетовое (УФИ).
Инфракрасное излучение (ИК).
Его принято делить на четыре части: ближнюю зону (λ = 0,76-3 мкм); среднюю (λ = З-6 мкм); дальнюю (λ = 6-15 мкм) и сверхдальнюю (λ = 15-34 мкм).
Видимое излучение (свет).
Спектр видимого из­лучения можно условно разделить на следующие области: красную (770-650 нм); оранжевую (650-585 нм); жёлтую (585-575 нм); зелёную (575-510 нм); голубую (510-480 нм); синюю (480-440 нм); фиолетовую (440-390 нм).
Ультрафиолетовое излучение (УФИ).
Ультрафиолетовое излучение делится на длинноволновый ультрафиолет (ДУФ — 400-315 нм); средневолновый (СУФ — 315-280 нм); коротковолновый (КУФ — 280-200 нм); вакуумный (ВУФ — 200-1 нм).
В медицине существует разделение на УФ-А-, УФ-В- и УФ-С-диапазоны: ближнее — с длиной волн от 390 до 320 нм (область А); среднее — от 320 до 280 нм (область В); дальнее — с длиной волн короче 28-200 нм (область С).
Влияние на биосистему оптического излучения нетепловой интенсивности.
Процессы взаимодействия ЭМ-излучений с живыми организмами довольно сложны, до сих пор не получили теоретического обоснования. При анализе взаимодействия ЭМИ с биологической системой различают излучения, ионизирующие и неионизирующие, тепловой и нетепловой интенсивности, стохастические и когерентные, экзогенные и эндогенные.
В общем случае взаимодействие электромагнитных полей с биологическим объектом определяется (А.С. Пресман, О.В. Бецкий и др.);
- параметрами излучения (частотой и длиной волны, когерентностью колебания, монохроматичностью и поляризацией волны);
- физическими и биологическими свойствами биологического объекта как среды распространения ЭМП (диэлектрической проницаемостью, электрической проводимостью, длиной электромагнитной волны в тканях, глуби­ной проникновения, рассеяния, отражения и др.);
- собственной биоэлектрической активностью орган тканей.
К информационному виду воздействия ЭМП на биологический объект относится тот случай, когда излучение низкой интенсивности не вызывает нагрева ткани, то это носит нетепловой, биоинформационный характер внутреннего излучения, но произведённый эффект оказывается значимым. Пресман А.С., изучавший эти процессы, писал: «...Характер реакций организмов на электромагнитные поля зависит не от величины электромагнитной энергии, поглощаемой в тканях, а от модуляционно-временных параметров электромагнитных полей, от того, на кие именно системы организма осуществлялось воздействие... Более того, величина той или иной реакции только не пропорциональна интенсивности воздействующих электромагнитных полей, но, наоборот, в ряде случаев уменьшалась по мере возрастания интенсивности, некоторые реакции не возникали при высоких интенсивностях».
Поданным исследований, верхней границей нетепловой интенсивности ЭМИ при облучении биологических тканей считается плотность потока мощности порядка 10 мВт/см.
При нетепловом действии ЭМ-излучения с определённой вероятностью могут изменяться характер и скорость передачи информации внутри организма, процесс формирования условных рефлексов, количество ключевых ферментов энергетического обмена и др.
Фотобиологическое действие полихроматического оптического излучения. Оптическое излучение оказывает разнообразное влияние на все функции живого организма в виде зрительного, теплового и химического воздействий. Фотобиологическое действие — основная форма преобразования энергии при оптическом облучении биологических объектов, при этом различают несколько основных видов биологического действия ЭМ-излучения оптического диапазона.
Фотобиологические процессы и их стадии.
Поглощение фотонов света веществом — необходимое условие преобразования оптического излучения. Фотобиологические процессы, начинающиеся с поглощения кванта света биологически важной молекулой, как правило, заканчиваются физиологической реакцией на уровне организма. К таким процессам относятся:
- фотосинтез — синтез органических молекул за счёт энергии солнечного света;
- фототаксис — движение организмов, например бактерий, к свету или от света;
- зрение — превращение световой энергии в энергию нервного импульса в сетчатке глаза или в аналогичных фоторецепторах;
- действие ультрафиолетовых лучей (бактерицид­ное действие на микроорганизмы, мутагенное, канцерогенное, образование витамина D из провитаминов, эритемное действие на кожу, терапевтические эффекты);
- действие инфракрасных лучей (тепловое, эритемное, терапевтические эффекты, ожоги и др.);
- люминесценция— испускание молекулами части поглощенной энергии в виде кванта света (свечение некоторых бактерий и др.),
В механизме фотобиологического действия ЭМИ оптического диапазона указанных выше фотобиологических процессов определяющим является поглощение энергии световых квантов атомами и молекулами биологических тканей (закон Гротгуса-Дрейпера), в результате которого образуются электронно-возбуждённые состояния молекул с переносом энергии кванта (внутренний фотоэффект), происходит электролитическая диссоциация и ионизация биологических молекул. Характер первичных фотобиологических реакций определяется энергией квантов оптического излучения.
В инфракрасной области энергии фотонов (1,6-2,4) ∙ 10-19 Дж достаточно только для увеличения энергии колебательных процессов биологических молекул. Видимое излучение, энергия фотонов которого составляет (3,2-6,4) ∙ 10-19 Дж, способно вызвать их электронное возбуждение и фотолитическую диссоциацию. Кванты ультрафиолетового излучения с энергией (6,4-9,6) ∙ 1019 Дж вызывают ионизацию молекул и разрушение водородных связей.
На следующем этапе энергия оптического излучения трансформируется в тепло или образуются первичные фотопродукты, выступающие пусковым механизмом фотобиологических процессов.
Первый тип энергетических превращений присущ в боль­шей степени инфракрасному излучению, второй — ультра­фиолетовому. Анализ природы происходящих процессов позволяет утверждать, что специфичность наблюдаемых эффектов различных участков оптического излучения зависит от длины волны.
Термодинамическое действие когерентного оптического излучения. При воздействии НИЛИ возможен локальный нагрев акцепторов на десятки градусов (Т.Й. Кару). Хотя процесс длится очень короткий промежуток — менее 10-12 с —, этого вполне достаточно для весьма значительных термодинамических изменений как в группе хромофоров непосредственно, так и в окружающих областях, что приводит к существенным изменениям свойств молекул и является пусковым моментом индуцированной лазерным излучением реакции. В качестве акцептора может выступать любой внутриклеточный компонент, имеющий полосу поглощения для данной длины волны, в том числе и вода. То есть начальным пусковым моментом биологического действия НИЛИ является не фотобиологическая ре­акция как таковая, а локальный нагрев и проявление термодинамического эффекта.
При незначительных локальных возмущениях, недостаточных для перевода молекулы в новое конформационное состояние, может сравнительно сильно измениться геометрия, конфигурация молекул. Структуру молекулы как бы «ведёт», чему способствует возможность поворотов вокруг одинарных связей главной цепи. Это свойство макромолекул значительно влияет на их функционирование. Для эффективного преобразования энергии достаточно возбуждать такие степени свободы системы, которые медленно обмениваются энергией с тепловыми степенями свободы (Б. Гудвин).
Функционирование большинства внутриклеточных компонентов тесно связано не только с характером их конформаций, но, главное, с их конформационной подвижностью, зависящей от присутствия воды. Вследствие гидрофобных взаимодействий вода существует не только в виде объёмной фазы свободного растворителя «цитозоля», но также в виде связанной воды «цитогеля», состояние которой зависит от природы и мест локализации белковых групп, с которыми она взаимодействует. Время жизни слабосвязанных молекул воды в такой гидратной оболочке молекул невелико (t ~ 1012÷10-11 с), но около центра оно намного больше (t ~ 10-6 с). В целом около поверхности белка может удерживаться устойчиво несколько слоев воды. Небольшие изменения в количестве и состоянии относительно небольшой фракции молекул воды, образующих гидратный слой макромолекулы, приводит к резким изменениям термодинамических и релаксационных параметров всего раствора в целом (Л. Гейльбрун, А.Б. Рубин).
Эффект достигается при воздействии именно лазерным излучением и наиболее важным является такое его свой­ство, как монохроматичность. Если ширина спектральной линии будет значительна (более 30 нм), то есть соизмерима с полосой поглощения макромолекулы, то такое излучение вызовет колебание всех энергетических уровней и произойдет лишь слабый — на доли градусов — нагрев всей молекулы. Тогда как спектр с минимальной шириной, характерный для лазерного излучения (менее 3 нм), вызовет эффект локального нагрева уже на десятки градусов. В этом случае вся энергия лазера будет выделяться на не­большом локальном участке макромолекулы, способствуя термодинамическим изменениям, достаточным для запуска дальнейшего физиологического отклика.
Следствием фотоиндуцированного «поведения» макромолекул является, с одной стороны, изменение структуры воды, с другой — высвобождение ионов кальция из кальциевого депо. При этом увеличивается концентрация Са2+ в цитозоле (Н.Ф. Гамалея, Н.К. Смольянинова и др., П.И. Толстых и др.).
Увеличение концентрации Са2+ в цитозоле является основным механизмом, запускающим лазерно-индуцированные процессы, и замечено, что все физиологические изменения, происходящие вследствие этого на самых различных уровнях, — кальций зависимые (С.В. Москвин).
Собственные ЭМ-излучения в организме. Эволюция биосистем происходила под действием внешних (экзогенных) и внутренних (эндогенных) ЭМП. Живые организмы, состоящие из множества клеток, молекул, атомов, заря­женных частиц, сами являются источниками ЭМ-колебаний в широком диапазоне частот — от ультравысоких до инфранизких. Эти колебания могут иметь случайный и периодический характер (О.В. Бецкий).
В оптическом диапазоне в организме регистрируется активное собственное излучение различных длин волн. В ИК-диапазоне поверхность тела человека, его органы и ткани излучают тепловой поток с максимумом излучения при длине волны 9,6 мкм, при этом с 1 см2 кожного покрова человека излучается около 40 Вт энергии (М.М. Мирошников). УФ-излучение тканей и клеток организма лежит в области длин волн 190-340 нм, его источником служат бел­ки, полипептиды и углеводы, оно полностью отсутствует у жиров (А.И. Журавлёв). Сверхслабое свечение в видимой области спектра (360-800 нм) свойственно всем тканям животных и характеризуется тем, что энергию для свечения клеток поставляет процесс свободнорадикального окисления тканевых липидов.
Применение ЭМ-излучений оптического диапазона в птицеводстве.
Освещение играет важную роль при выращивании птицы всех направлений и позволяет управлять процессами её физиологического развития, обеспечивать более комфортные условия содержания и добиваться существенно­го роста практически всех показателей продуктивности поголовья. Правильно организованная система совместно с правильно спроектированной программой освещения позволяет влиять на возраст полового созревания, обеспечить оптимальный режим развития птицы, увеличить яйценоскость, длительность периода яйцекладки, размер яиц и их массу, прочность скорлупы, оплодотворённость, снизить бой яиц. Кроме того, увеличить выживаемость молодняка, уменьшить затраты кормов и улучшить их ус­вояемость, снизить травматизм птицы и затраты электроэнергии в 1,5-3,0 раза.
Основные параметры освещения, влияющие на жизнедеятельность птицы — это освещённость, спектр излучения осветителей, длительность светового дня и её изменение.
Установлено, что ритмы дневной активности и ночного покоя у кур регулируются эпифизом путём выделения фермента, отвечающего за превращение серотонина в мелатонин, при повышении уровня которого в крови птица садится на насест, засыпает и температура тела у неё понижается. Эксперименты показали, что эпифиз чувствителен к свету, однако эта чувствительность неодинакова в разные периоды суток.
Предполагают, что длительность суток измеряется с по­мощью эндогенного ритма, который состоит из двух полуциклов: светочувствительного и темночувствительного. Световая стимуляция происходит только тогда, когда продолжительность светового дня распространяется на темночувствительную часть эндогенного ритма. По послед­ним данным, светочувствительная фаза для кур наступает спустя 11 ч после первого включения «рассвета» и продолжается 5 ч, несмотря на то, что этот период может прерываться короткими периодами темноты (А.Ш. Кавтарашвили).
Прединкубационная и инкубационная обработка яиц.
Одной из причин высокой себестоимости продукции птицеводства является диспаритет цен на продукцию и корма для птицы. Недостаточное питание, как правило, ведёт к снижению резистентности организма, следовательно, к по­вышению затрат труда и средств на единицу продукции. В связи с этим разработка технологий, не требующих значи­тельных затрат, но повышающих продуктивность птицы, является целесообразной (Б.Ф. Бессарабов). В этих целях можно успешно применять ЭМ-излучение оптического диапазона (Н.В. Михайлов, И.Л. Якименко и др.). Для воздействия энергией данного диапазона яйцо птицы является одной из тех биологических сред, где световое воздействие вызывает значительные сдвиги, как в эмбриональный, так и в постэмбриональный период развития (В.В. Пак и др., В.В. Коновалов).
Опубликованные в литературе экспериментальные данные свидетельствуют об эффективности применения ЭМ-излучения как в период перед закладкой на инкубацию, так и в процессе инкубации яиц. Так, наибольшее внимание привлекают работы сотрудников Московской академии ветеринарной медицины и биотехнологии, про ведённые под руководством профессора Б.Ф. Бессарабова. При обработке яиц перед инкубацией He-Ne лазером в экс­позициях 5, 10 и 15 мин было обнаружено лучшее развитие сосудистого поля зародыша, большее количество пар сомитов, наименьшая масса аллантоиса. Вывод цыплят от числа оплодотворённых яиц увеличился на 2-3%, а от числа заложенных — на 3-4 процента.

Ранняя стимуляция эмбриогенеза гелий-неоновым лазерным излучением отражается и на результатах вывода. В опытных группах вывод молодняка от числа заложенных яиц повысился на 3-4%, отход цыплят снизился в 1,8 раза. Подопытные цыплята отличались в 30-дневном возрасте лучшим развитием, большей живой массой, при этом сохранность поголовья была выше на 4,95%, чем в контроле (Е.Б. Петров).
В работе М.Н. Мамукаева показана комплексная обработка яиц мясных кур как перед закладкой на инкубацию, так и в процессе инкубации квазимонохроматическим и лазерным облучением. Воздействие на яйца красным светом лампы ДНЕСГ-500 с экспозицией 5 мин, а затем He-Ne лазером ЛГН-104 с экспозицией 3 мин и излучением ультрафиолетовой лампой ДРТ-400 с экспозицией 3 мин приводит к повышению эмбриональной и постэмбриональной жизнеспособности, выводу молодняка птицы на 1,5-7,1%, что положительно коррелируется с показателями естественной резистентности.
Постнатальная стимуляция суточных цыплят. В настоящее время разработка методов повышения продуктивных качеств птицы на ранних этапах жизни, раскрытие её биоресурсного потенциала по-прежнему остаются в зоне внимания и имеют большое практическое значение. Ранний постэмбриональный период является периодом становления пищеварительной (переход с липидного питания на углеводный), иммунной, гормональной систем и направленности метаболических процессов в организме. Поэтому важно именно в суточном возрасте стимулировать организм цыплят с целью улучшения обмена веществ, по­вышения жизненного тонуса, уменьшения или ликвидации стрессовых механизмов, снижению смертности и улучше­нию однородности поголовья по массе.
В литературе освещены экспериментальные данные об эффективности применения биостимуляции суточных цыплят-бройлеров. Так, в работе В.В. Головей по магнитолазерному воздействию использовались специально отобранные угнетённые, с низкой живой массой (36-37 г) цыплята. Их облучение с экспозицией 1 и 3 мин показало ускорение роста живой массы до 2400-2500 г, в то время как в конт­роле этот же показатель составил лишь 1500 г (Р < 0,001). Таким образом, магнитолазерное воздействие при выращивании и откорме слабых цыплят-бройлеров способствует повышению сохранности поголовья и интенсивности роста живой массы.
Исследования М.Г. Даниловских и Л.И. Винник проводи­ли на суточных цыплятах по воздействию низкоинтенсивного сканирующего лазерного (НИСЛИ) и квазимонохроматического излучений светодиодов красного диапазона (СДИ), модулированного пространственным модулятором (ПМ) с различными биологическими веществами (в течение первых часов жизни). Анализ показателей роста цыплят в двух экспериментах выявил (в опыте и контроле) различия по живой массе.
Так, в случае применения НИСЛИ через ПМ (с чаванпраш) максимальное значение увеличения первоначальной живой массы получено при экспозиции 120 с и дозе D = 1,7 мДж/см2, мясные цыплята опытной группы (ПМ с чаванпраш) на день убоя превышали массу контрольной группы на 26,93%, тог­да как без ПМ — на 20,51 процента. В целом увеличение первоначальной живой массы цыплят-бройлеров происходило в 35,12-42,11 раза соответственно.
В эксперименте со СДИ красного диапазона (без ПМ) при экспозиции 15 с мясные цыплята опытной группы увеличили свою первоначальную массу в 33,48 раза, тогда как в конт­роле лишь в 30,79 раза. Максимальные значения данного показателя получены в случае применения ПМ с компонентами муки семян крапивы, мелиссы и плодов рябины красной при экспозиции СДИК 15 с, и составили 34,66, 34,71 и 35,04 раза соответственно. В целом повышение первоначальной живой массы цыплят-бройлеров от 28,50 до 35,04 раза.
Заключение.
Таким образом, регуляторное воздействие ЭМ-излучений оптического диапазона во многом определяет функциональное состояние организма и его физиологической адаптации. Значительный экспериментальный и теоретический материал, накопленный к настоящему времени, свидетельствует о том, что в биологических тканях под влиянием ЭМ-излучений реализуются многие известные физике эффекты, связанные с поляризацией, прямой и отрицательной проводимостью биологических структур, генерацией собственных ЭМ-колебаний, пьезоэффектами, фотопроводимостью и др. На клеточном уровне, кроме дипольной, наблюдаются мембранная, ионная, полевая (не химическая) и другие теории взаимодействия ЭМП с клеточными структурами.
Наряду с энергетическим действием ЭМИ многие исследователи рассматривают в основе организации биосистем информационные взаимодействия, которые сформировались в процессе эволюции. Биологический организм представляет собой сложную систему, состоящую из многих органов и подсистем, которые в течение жизни согласованно работают при изменениях внутренних и внешних условий, адекватно реагируя на них. Поэтому функционирование биосистемы возможно лишь при наличии развитых информационно-управляемых систем.
Циркуляция огромного потока информации в процессе функционирования биосистемы возможна при использовании сигналов. Они должны обладать малой мощностью, так как затраты энергии на их формирование должны быть совместимы с энергетическими возможностями биосисте­мы, которые используются в основном для обеспечения ра­боты организма. По оценкам учёных, мощность сигналов составляет 1-10 мВт/см2, является нетепловой, то есть биоинформационной интенсивности.
Информационная основа, заложенная в защитном механизме биосистемы, не реагирует на многие сигналы, присутствующие в окружающей его природе, так как реакция на эти сигналы могла бы возбуждать и нарушать нормаль­ное функционирование внутренней информационной системы.
Подтверждением информационной природы воздействия является получение практически одинакового ин­формационного эффекта при облучении различных участков тела, удалённых как друг от друга, так и от органа, на который оказывается воздействие. Это свидетельствует о том, что речь идёт о действии на единую информационно­управляемую систему организма. Биологические эффекты, обусловленные этими взаимодействиями, зависят уже не от величины энергии, вносимой в ту или иную систему, а от её информационного содержания (модуляционно-времен­ных параметров амплитуды, частоты, длительности, поляризации, плотности, мощности и т.д.) и состояния самой биологической системы. Вместе с тем, определив соответствующие параметры режима облучения, можно целенаправленно воздействовать на отдельные органы и системы биообъекта.
Таким образом, рассмотрение взаимодействия стохастического, когерентного и квазимонохроматического ЭМ-из­лучения с биологической системой на всех уровнях организации как фотобиологического и термодинамического процесса, показывает значимость различных внешних электромагнитных полей, в первую очередь оптического диапазона в регулировании процессов жизнедеятельности биосистемы.
При производстве цыплят-бройлеров биостимуляцию не­обходимо проводить на разных этапах производства: перед инкубацией яиц, суточных цыплят, а в процессе роста до убоя досвечивать светодиодными светильниками со специально подобранным спектром и модулированными соответствующими частотами. В этом случае можно получить больший прирост массы и отказаться от применения химических стимуляторов
Источник: журнал «Птицеводство» №10, 2013 г.