JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Biologie

En eksperimentel tilgang til undersøgelse af virkningerne af kunstigt lys om natten på fritgående dyr: implementering, resultater og retninger for fremtidig forskning

Published: February 02, 2022
doi:
10.3791/63381
, , , ,
1Department of Biology, Behavioural Ecology and Ecophysiology Group,University of Antwerp, 2Faculty of Social Sciences, Antwerp School of Education,University of Antwerp

Summary

Kunstigt lys om natten (ALAN) har vidtrækkende biologiske virkninger. Denne artikel beskriver et system til manipulation af ALAN inde i redekasser under overvågning af adfærd, der består af LED-lys koblet til et batteri, timer og lydkompatible infrarødt videokamera. Forskere kunne anvende dette system til at udforske mange udestående spørgsmål vedrørende virkningerne af ALAN på organismer.

Abstract

Dyr har udviklet sig med naturlige mønstre af lys og mørke. Imidlertid introduceres kunstigt lys i stigende grad i miljøet fra menneskelig infrastruktur og rekreativ aktivitet. Kunstigt lys om natten (ALAN) har potentialet til at have udbredte virkninger på dyreadfærd, fysiologi og fitness, hvilket kan oversættes til bredere virkninger på befolkninger og samfund. At forstå virkningerne af ALAN på fritgående dyr er ikke trivielt på grund af udfordringer såsom måling af lysniveauer, som mobile organismer støder på, og adskillelse af virkningerne af ALAN fra virkningerne af andre menneskeskabte forstyrrelsesfaktorer. Her beskriver vi en tilgang, der giver os mulighed for at isolere virkningerne af kunstig lyseksponering på individuelle dyr ved eksperimentelt at manipulere lysniveauer inde i redekasser. Til dette formål kan et system bruges bestående af lysdiode (LED) lys (er), der klæbes til en plade og tilsluttes et batteri- og timersystem. Opsætningen gør det muligt at eksponere individer inde i redekasser for varierende intensiteter og varigheder af ALAN, samtidig med at der opnås videooptagelser, som også inkluderer lyd. Systemet er blevet brugt i studier af fritgående stormejser (Parus major) og blåmejser (Cyanistes caeruleus) for at få indsigt i, hvordan ALAN påvirker søvn- og aktivitetsmønstre hos voksne og fysiologi og telomerdynamik i udviklingen af nestlings. Systemet, eller en tilpasning heraf, kan bruges til at besvare mange andre spændende forskningsspørgsmål, såsom hvordan ALAN interagerer med andre forstyrrelsesfaktorer og påvirker bioenergetisk balance. Desuden kan lignende systemer installeres i eller i nærheden af redekasser, reder eller huler af en række arter for at manipulere niveauer af ALAN, evaluere biologiske reaktioner og arbejde hen imod at opbygge et interspecifikt perspektiv. Især når den kombineres med andre avancerede tilgange til overvågning af adfærd og bevægelse af fritlevende dyr, lover denne tilgang at give løbende bidrag til vores forståelse af de biologiske konsekvenser af ALAN.

Introduction

Dyr har udviklet sig med de naturlige mønstre af lys og mørke, der definerer dag og nat. Således orkestrerer døgnrytmer i hormonelle systemer hvile- og aktivitetsmønstre og giver dyrene mulighed for at maksimerekonditionen 1,2,3. For eksempel primer døgnrytmen i glukokortikoidhormoner, med et højdepunkt ved begyndelsen af den daglige aktivitet, hvirveldyr til at opføre sig hensigtsmæssigt i løbet af 24-timers perioden via virkninger på glukosemetabolisme og lydhørhed over for miljømæssige stressfaktorer4. Tilsvarende er pinealhormonet melatonin, som frigives som reaktion på mørke, integreret involveret i styrende mønstre af døgnrytme og har også antioxidantegenskaber 5,6. Indlejring af mange aspekter af døgnrytme, såsom melatoninfrigivelse, påvirkes af fotoreceptionen af lysniveauer i miljøet. Således har indførelsen af kunstigt lys i miljøet for at understøtte menneskelig aktivitet, rekreation og infrastruktur potentialet til at have vidtrækkende virkninger på adfærd, fysiologi og egnethed hos fritgående dyr 7,8. Faktisk er forskellige virkninger af eksponering for kunstigt lys om natten (ALAN) blevet dokumenteret 9,10, og ALAN er blevet fremhævet som en prioritet for forskning i globale forandringeri det 21. århundrede10.

Måling af virkningerne af ALAN på fritgående dyr udgør ikke-trivielle udfordringer af en række årsager. For det første oplever mobile dyr, der bevæger sig gennem miljøet, konstant forskellige niveauer af lys. Hvordan kvantificerer man således det lysniveau, som de enkelte dyr udsættes for? Selv om lysniveauet på dyrets område kan kvantificeres, kan dyret anvende undgåelsesstrategier, der påvirker eksponeringsmønstre, hvilket kræver samtidig sporing af dyrets placering og lysniveauer. I de fleste feltundersøgelser er gennemsnittet og variationen i lyseksponeringsniveauer faktisk ukendt11. For det andet er eksponering for ALAN ofte korreleret med eksponering for andre menneskeskabte forstyrrelsesfaktorer, såsom støjforurening, kemisk eksponering og nedbrydning af levesteder. For eksempel vil dyr, der har levesteder langs vejkanten, blive udsat for lys fra gadelamper, støj fra biltrafik og luftforurening fra køretøjsemissioner. Hvordan isolerer man så effektivt virkningerne af ALAN fra virkningerne af forvirrende variabler? Strenge felteksperimenter, der muliggør gode målinger af både lyseksponeringsniveauer og responsvariabler, er afgørende for at evaluere sværhedsgraden af de biologiske virkninger af ALAN og for at udvikle effektive afbødningsstrategier11.

Denne artikel beskriver en eksperimentel tilgang, der, selvom den ikke er uden sine begrænsninger (se diskussionsafsnittet), hjælper med at dæmpe, hvis ikke eliminere de vanskeligheder, der er identificeret ovenfor. Fremgangsmåden indebærer eksperimentelt manipulation af ALAN-niveauer inde i redekasserne hos en fritlevende, daglig fugleart, musvitten (Parus major), ved hjælp af et system af lysdiode (LED) lys og et infrarødt (IR) kamera installeret i redekasser. Opsætningen muliggør samtidig erhvervelse af videooptagelser, herunder lyd, som gør det muligt for forskere at vurdere effekter på adfærd og vokaliseringer. Stormejser bruger redekasser til avl, og sover i redekasserne mellem november og marts. Hunnerne sover også inde i redekasserne i ynglesæsonen12. Systemet er også blevet brugt i mindre grad til at studere effekter af ALAN på blåmejser (Cyanistes caeruleus). Den første vanskelighed, der involverer at kende lysniveauer, som dyret støder på, mindskes ved, at lysniveauet kan bestemmes præcist af forskeren, da en person er villig til at komme ind i redekassen (eller allerede er i redekassen i tilfælde af immobile nestlings). Den anden vanskelighed, der involverer korrelationer til forvirrende variabler, kan styres ved at bruge redekasser i lignende miljøer og / eller måle niveauerne af forvirrende variabler nær redekasser. Derudover er det i hulrumsrugende fugle stærkt at vedtage en eksperimentel tilgang, fordi redekasser eller naturlige hulrum kan beskytte nestlings og voksne mod ALAN13, hvilket kan forklare, hvorfor nogle korrelative undersøgelser finder ringe effekt af ALAN (eller menneskeskabt støj)14, mens eksperimentelle undersøgelser oftere finder klare effekter (se nedenfor). Desuden kan der vedtages et eksperimentelt design med gentagne foranstaltninger, hvor enkeltpersoner tjener som deres egen kontrol, hvilket yderligere øger statistisk magt og sandsynligheden for at detektere meningsfulde biologiske virkninger. Afsnittene nedenfor: (1) forklare detaljerne i systemets design og implementering, (2) opsummere de vigtige resultater, der hidtil er blevet afledt ved hjælp af systemet, og (3) foreslå fremtidige forskningsretninger, der kan forfølges, både i bryster og andre dyr.

Protocol

Alle anvendelser af dette system til dyreforsøg blev godkendt af Antwerpen Universitets etiske udvalg og udført i overensstemmelse med belgiske og flamske love. Metodologi overholdt ASAB / ABS-retningslinjerne for brug af dyr i adfærdsforskning. Det belgiske kongelige institut for naturvidenskab (Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen; KBIN) leverede licenser til alle forskere og personale. 1. Oprettelse af det eksperimentelle system Få bredspektr…

Representative Results

De peer-reviewed forskningsartikler, der offentliggøres ved hjælp af dette system, er opsummeret i tabel 2. Flere andre manuskripter er i gang. Disse undersøgelser omhandler tre store suiter af forskningsspørgsmål. For det første er systemet blevet brugt til at studere virkningerne af lyseksponering på søvnadfærd og aktivitetsniveauer hos voksne. Til dette formål blev der anvendt et eksperimentelt design med gentagne foranstaltninger, hvor det samme individ først blev registreret sovende under…

Discussion

Dette redekassebaserede system af LED-lys og et parret IR-kamera har gjort det muligt for forskere at vurdere en række spændende spørgsmål vedrørende de biologiske virkninger af ALAN. Desuden er der mange flere forskningsretninger, der kan forfølges med systemet. Desuden kan en udvidelse af brugen af systemet til andre arter bidrage til at fremme forståelsen af interspecifikke forskelle i følsomhed over for ALAN. Nedenfor præsenteres nogle ikke-udtømmende muligheder for fremtidig forskning i håb om, at dette p…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vores forskningsprogram, der involverer de biologiske virkninger af ALAN på fugle, har modtaget finansiering fra FWO Flandern (til M.E. og R.P., projekt ID: G.0A36.15N), Antwerpen Universitet og Europa-Kommissionen (til M.L.G. Marie Skłodowska-Curie fellowship ID: 799667). Vi anerkender den intellektuelle og tekniske støtte fra medlemmer af Behavioral Ecology and Ecophysiology Research Group ved Universitetet i Antwerpen, især Peter Scheys og Thomas Raap.

Materials

Broad spectrum; 15 mm x 5 mm; LED headlight RANEX; Gilze; Nederlands 6000.217 A similar model could also be used
Battery BYD R1210A-C Fe-battery 12 V 120 Wh ( lithium iron phosphate battery)
Dark green paint Optional. To color nest boxes/electronic enclosures
Electrical tape For electronics
Homemade timer system Amazon YP109A 12V A similar model could also be used
Infrared camera Koberts-Goods, Melsungen, DE 205-IR-L Mini camera; a similar model could also be used
Light level meter ISO-Tech ILM; Corby; UK 1335 To calibrate light intensity
Mini DVR video recorder Pakatak, Essex, UK MD-101 Surveillance DVR Recorder Mini SD Car DVR with 32 GB
Passive integrated transponder (PIT) tags Eccel Technology Ltd, Aylesbury, UK EM4102 125 Kh; Provides unique electronic ID
Radio frequency identification (RFID) Reader Trovan, Aalten, Netherlands GR-250 To scan PIT tags and determine bird identity
Resistor RS Components Value depending on voltage battery and illumination
SD card SanDisk 64 GB or larger
SongMeter Wildlife Acoustics; Maynard, MA Optional. Provides a means of monitoring vocalizations outside of nest boxes
TFT Color LED Portable Test Monitor Walmart Allows verification that the camera is on and recording the image correctly
Wood To construct nest boxes/electronic encolsures
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gwinner, E., Brandstätter, R. Complex bird clocks. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B. 356 (1415), 1801-1810 (2001).
  2. Dominoni, D., Helm, B., Lehmann, M., Dowse, H. B., Partecke, J. Clocks for the city: circadian differences between forest and city songbirds. Proceedings of the Royal Society of London B. 280 (1763), 20130593 (2013).
  3. Ouyang, J. Q., Davies, S., Dominoni, D. Hormonally mediated effects of artificial light at night on behavior and fitness: linking endocrine mechanisms with function. Journal of Experimental Biology. 221, (2018).
  4. Mohawk, J., Pargament, J., Lee, T. Circadian dependence of corticosterone release to light exposure. in the rat. Physiology and Behavior. 92 (5), 800-806 (2007).
  5. Reiter, R., Tan, D., Osuna, C., Gitto, E. Actions of melatonin in the reduction of oxidative stress: a review. Journal of Biomedical Science. 7 (6), 444-458 (2000).
  6. Jones, T., Durrant, J., Michaelides, E., Green, M. P. Melatonin: a possible link between the presence of artificial light at night and reductions in biological fitness. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B. 370 (1667), 20140122 (2020).
  7. Fonken, L. K., Nelson, R. J. The effects of light at night on circadian clocks and metabolism. Endocrine Reviews. 35 (4), 648-670 (2014).
  8. Falcón, J., et al. Exposure to artificial light at night and the consequences for flora, fauna, and ecosystems. Frontiers in Neuroscience. 14, 602796 (2020).
  9. Gaston, K. J., Bennie, J., Davies, T. W., Hopkins, J. The ecological impacts of nighttime light pollution: a mechanistic approach. Biological Reviews. 88 (4), 912-927 (2013).
  10. Davies, T. W., Smyth, T. Why artificial light at night should be a focus for global change research in the 21st century. Global Change Biology. 24 (3), 872-882 (2017).
  11. Raap, T., Pinxten, R., Eens, M. Rigorous field experiments are essential to understand the genuine severity of light pollution and to identify possible solutions. Global Change Biology. 23 (12), 5024-5026 (2017).
  12. Raap, T., Sun, J. C., Pinxten, R., Eens, M. Disruptive effects of light pollution on sleep in free-living birds: season and/or light intensity-dependent effects. Behavioral Processes. 144, 13-19 (2017).
  13. Raap, T., Pinxten, R., Eens, M. Cavities shield birds from effects of artificial light at night on sleep. Journal of Experimental Zoology A. 329 (8-9), 449-456 (2018).
  14. Casasole, G., et al. Neither artificial light at night, anthropogenic noise nor distance from roads are associated with oxidative status of nestlings in an urban population of songbirds. Comparative Biochemistry and Physiology A. 210, 14-21 (2017).
  15. Grunst, M. L., Raap, T., Grunst, A. S., Pinxten, R., Eens, M. Artificial light at night does not affect not telomere shortening in a developing free-living songbird: a field experiment. Science of the Total Environment. 662, 266-275 (2019).
  16. Raap, T., Pinxten, R., Eens, M. Light pollution disrupts sleep in free-living animals. Scientific Reports. 5, 13557 (2015).
  17. Raap, T., Pinxten, R., Eens, M. Artificial light at night disrupts sleep in female great tits (Parus major) during the nestling period, and is followed by a sleep rebound. Environmental Pollution. 215, 125-134 (2016).
  18. Raap, T., Thys, B., Grunst, A. S., Grunst, M. L., Pinxten, R., Eens, M. Personality and artificial light at night in a semi-urban songbird population: no evidence for personality-dependent sampling bias, avoidance or disruptive effects on sleep behaviour. Environmental Pollution. 243 (2), 1317-1324 (2018).
  19. Raap, T., et al. Artificial light at night affects body mass but not oxidative status in free-living nestling songbirds: an experimental study. Scientific Reports. 6, 35626 (2016).
  20. Grunst, M. L., et al. Early-life exposure to artificial light at night elevates physiological stress in free-living songbirds. Environmental Pollution. 259, 113895 (2020).
  21. Raap, T., Casasole, G., Pinxten, R., Eens, M. Early life exposure to artificial light at night affect the physiological condition: an experimental study on the ecophysiology of free-living nestling songbirds. Environmental Pollution. 218, 909-914 (2016).
  22. Raap, T., Pinxten, R., Eens, M. Artificial light at night causes an unexpected increase in oxalate in developing male songbirds. Conservation Physiology. 6 (1), 005 (2018).
  23. Sun, J., Raap, T., Pinxten, R., Eens, M. Artificial light at night affects sleep behaviour differently in two closely related songbird species. Environmental Pollution. 231 (1), 882-889 (2017).
  24. Ziegler, A. -. K., et al. Exposure to artificial light at night alters innate immune response in wild great tit nestlings. Journal of Expimental Biology. 224 (10), (2021).
  25. Dominoni, D. M., Teo, D., Branston, C. J., Jakhar, A., Albalawi, B. F. A., Feather Evans, N. P. but not plasma, glucocorticoid response to artificial light at night differs between urban and forest blue tit nestlings. Integrative and Comparative Biology. 16 (3), 1111-1121 (2021).
  26. Levy, K., Wegrzyn, Y., Efronny, R., Barnea, A., Ayali, A. Lifelong exposure to artificial light at night impats stridulation and locomotion activity patterns in the cricket Gryllus bimaculatus. Proceedings of the Royal Society of London B. 288 (1959), 20211626 (2021).
  27. Dominoni, D., Smit, J. A. H., Visser, M. E., Halfwerk, W. Multisensory pollution: artificial light at night and anthropogenic noise have interactive effects on activity patterns of great tits (Parus major). Environmental Pollution. 256, 113314 (2020).
  28. Ouyang, J. Q., de Jong, M., Hau, M., Visser, M. E., van Grunsven, R. H. A., Spoelstra, K. Stressful colours: Corticosterone concentrations in a free-living songbird vary with the spectral composition of experimental illumination. Biology Letters. 11 (8), 20150517 (2015).
  29. Van Dis, N. E., Spoelstra, K., Visser, M. E., Dominoni, D. M. Colour of artificial light at night affects incubation behaviour in the great tit, Parus major. Frontiers in Ecology and Evolution. 9, 697 (2021).
  30. Welbers, A. A. M. H., et al. Artificial light at night reduces daily energy expenditure in breeding great tits (Parus major). Frontiers in Ecology and Evolution. 5, 55 (2017).
  31. Lighton, J. R. B. . Measuring metabolic rates: A manual for scientists. , (2008).
  32. Butler, P. J., Green, J. A., Boyd, I. L., Speakman, J. R. Measuring metabolic rate in the field: The pros and cons of the doubly labeled water and heart rate methods. Functional Ecology. 18 (2), 168-183 (2004).
  33. Elliott, H., Le Vaillant, M., Kato, A., Speakman, J. R., Ropert-Coudert, Y. Accelerometry predicts daily energy expenditure in a bird with high activity levels. Biology Letters. 9, 20120919 (2013).
  34. Pettersen, A. K., White, C. R., Marshall, D. J. Metabolic rate covaries with fitness and pace of the life history in the field. Proceedings of the Royal Society of London B. 283 (1831), 20160323 (2016).
  35. Grunst, A. S., Grunst, M. L., Pinxten, R., Bervoets, L., Eens, M. Sources of individual variation in problem-solving performance in urban great tits (Parus major): Exploring effects of metal pollution, urban disturbance and personality. Science of the Total Environment. 749, 141436 (2020).
  36. Croston, R., Kozlovsky, D. Y., Branch, C. L., Parchman, T. L., Bridge, E. S., Pravosudoy, V. V. Individual variation in spatial memory performance in wild mountain chickadees from different elevations. Animal Behaviour. 111, 225-234 (2016).
  37. Iserbyt, A., Griffioen, M., Borremans, B., Eens, M., Müller, W. How to quantify animal activity from radio-frequency identification (RFID) recordings. Ecology and Evolution. 8 (20), 10166-10174 (2018).
  38. Naef-Daenzer, B., Fruh, D., Stalder, M., Wetli, P., Weise, E. Miniaturization (0.2 g) and evaluation of attachment techniques of telemetry transmitters. Journal of Experimental Biology. 208 (21), 4063-4068 (2005).
  39. Van Hasselt, S. J., Rusche, M., Vyssotski, A. L., Verhulst, S., Rattenborg, N. C., Meerlo, P. Sleep time in European starlings is strongly affected by night length and moon phase. Current Biology. 30 (9), 1664-1671 (2020).
  40. Eberle, M., Kappeler, P. M. Family insurance: kin selection and cooperative breeding in a solitary primate (Microcebus murinus). Behavioral Ecology Sociobiology. 60 (4), 582-588 (2006).
  41. Dominoni, D. M., Quetting, M., Partecke, J. Artificial light at night advances avian reproductive physiology. Proceedings of the Royal Society of London B. 280, 20123017 (2013).
  42. De Jong, M., Ouyang, J. Q., van Grunsven, R. H. A., Visser, M. E., Spoelstra, K. Do wild great tits avoid exposure to light at night. Plos ONE. 11 (6), 0157357 (2016).

Tags

Artificial Light At NightALANFree-ranging AnimalsNest BoxesExperimental SetupPassive Integrative TransponderPIT TagRFID ReaderInfrared CameraVideo RecordingRepeated Measures DesignSleep Behavior

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
Grunst, M. L., Grunst, A. S., Pinxten, R., Eens, G., Eens, M. An Experimental Approach to Investigating Effects of Artificial Light at Night on Free-Ranging Animals: Implementation, Results, and Directions for Future Research. J. Vis. Exp. (180), e63381, doi:10.3791/63381 (2022).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image