夜間の人工光が放し飼い動物に及ぼす影響を調べるための実験的アプローチ:その実施、結果、今後の研究の方向性
Summary
夜間の人工光(ALAN)は、広範囲に及ぶ生物学的効果を有する。この記事では、バッテリー、タイマー、およびオーディオ対応赤外線ビデオカメラに結合されたLEDライトで構成される、動作を監視しながらネストボックス内のALANを操作するシステムについて説明します。 研究者は、このシステムを使用して、ALANが生物に及ぼす影響に関する多くの未解決の疑問を探求することができます。
Abstract
動物は光と闇の自然なパターンで進化してきました。しかし、人工光は、人間のインフラやレクリエーション活動から環境にますます導入されています。夜間の人工光(ALAN)は、動物の行動、生理学、フィットネスに広範な影響を与える可能性があり、人口やコミュニティに広範な影響を与える可能性があります。放し飼いの動物に対するALANの影響を理解することは、移動生物が遭遇する光のレベルを測定し、ALANの影響を他の人為的外乱要因の影響から分離するなどの課題のために、自明ではありません。ここでは、巣箱内の光レベルを実験的に操作することによって、個々の動物に対する人工光曝露の影響を分離できるアプローチについて説明します。この目的のために、発光ダイオード(LED)ライトをプレートに接着し、バッテリおよびタイマーシステムに接続するシステムを用いることができる。このセットアップにより、巣箱内の個人をALANのさまざまな強度と持続時間にさらしながら、同時にオーディオを含むビデオ録画を取得できます。このシステムは、放し飼いのオオシジュウカラ(Parus major)と青いシジュウカラ(Cyanistes caeruleus)に関する研究で使用され、ALANが成人の睡眠と活動パターン、および雛の発達における生理学とテロメアダイナミクスにどのように影響するかについての洞察を得ています。このシステムまたはその適応は、ALANが他の外乱因子とどのように相互作用し、生体エネルギーバランスに影響を与えるかなど、他の多くの興味深い研究上の質問に答えるために使用することができる。さらに、同様のシステムを様々な種の巣箱、巣箱、巣穴の中または近くに設置して、ALANのレベルを操作し、生物学的反応を評価し、種間視点の構築に取り組むことができる。特に、自由生活動物の行動と動きを監視するための他の高度なアプローチと組み合わせると、このアプローチはALANの生物学的影響の理解に継続的な貢献をもたらすことを約束します。
Introduction
動物は、昼と夜を定義する光と闇の自然なパターンで進化してきました。したがって、ホルモン系の概日リズムは、休息と活動パターンを調整し、動物がフィットネスを最大化することを可能にします1,2,3。例えば、グルココルチコイドホルモンの概日リズムは、日常活動の開始時にピークを有し、脊椎動物がグルコース代謝および環境ストレッサーに対する応答性に及ぼす影響を介して、24時間にわたって適切に行動するようにプライミングする4。同様に、暗闇に応答して放出される松果体ホルモンのメラトニンは、概日リズミシティの支配パターンに一体的に関与し、抗酸化特性も有する5,6。メラトニン放出などの概日リズミシティの多くの側面の巻き込みは、環境中の光のレベルを光受容することによって影響を受ける。したがって、人間の活動、レクリエーション、およびインフラストラクチャをサポートするために環境に人工光を導入することは、放し飼いの動物の行動、生理学および適応度に広範な影響を与える可能性を秘めている7,8。実際、夜間の人工光への曝露(ALAN)の多様な影響は9,10で文書化されており、ALANは21世紀の地球変動研究の優先事項として強調されています10。
放し飼いの動物に対するALANの効果を測定することは、多くの理由で自明ではない課題を提起します。第一に、環境中を移動する移動動物は、常に異なるレベルの光を経験します。では、個々の動物がさらされる光のレベルをどのように定量化すればよいのでしょうか。動物の領域上の光のレベルを定量化できたとしても、動物は曝露パターンに影響を与える回避戦略を採用する可能性があり、したがって、動物の位置と光レベルの同時追跡を必要とする。実際、ほとんどのフィールド研究では、光曝露レベルの平均と変動は不明です11。第二に、ALANへの曝露は、騒音公害、化学物質曝露、生息地の劣化などの他の人為的障害要因への曝露としばしば相関している。例えば、道路の縁に沿って生息地を占有している動物は、街路灯からの光、車両交通からの騒音、および車両排出物による大気汚染にさらされます。それでは、ALANの効果を交絡変数の影響から効果的に分離するにはどうすればよいでしょうか。光曝露レベルと応答変数の両方の良好な測定を可能にする厳格な野外実験は、ALANの生物学的影響の重症度を評価し、効果的な緩和戦略を開発するために不可欠である11。
この記事では、制限がないわけではありませんが(議論のセクションを参照)、上記で特定された困難を排除するものではないにしても、緩和に役立つ実験的なアプローチについて説明します。このアプローチでは、発光ダイオード(LED)ライトのシステムと巣箱内に設置された赤外線(IR)カメラを使用して、自由に生活する日周の鳥種であるオオシジュウカラ(Parus major)の巣箱内のALANレベルを実験的に操作します。このセットアップにより、オーディオを含むビデオ録画の同時取得が可能になり、研究者は行動や発声への影響を評価できます。大きなおっぱいは繁殖のために巣箱を利用し、11月から3月の間は巣箱で眠ります。雌はまた、繁殖期12の間に巣箱の中で眠る。このシステムはまた、青いおっぱい(Cyanistes caeruleus)に対するALANの効果を研究するために、より少ない程度で使用されています。動物が遭遇する光レベルを知ることを含む最初の困難は、個体が巣箱に入ることをいとわない(または不動の雛の場合にはすでに巣箱に入っている)ことを考えると、光レベルは研究者によって正確に決定され得るという点で軽減される。交絡変数との相関関係を含む第2の困難は、同様の環境でネストボックスを使用したり、ネストボックスの近くの交絡変数のレベルを測定したりすることによって制御できます。さらに、空洞巣の鳥類では、巣箱や自然の空洞が雛や成虫をALAN13から守ることができるため、実験的アプローチを採用することは強力であり、相関研究の中にはALAN(または人為的ノイズ)の影響がほとんど見られない理由が説明できる14が、実験的研究ではより頻繁に明確な効果が見られる(下記参照)。さらに、個人が自分のコントロールとして機能する反復測定実験計画を採用することができ、統計的検出力と意味のある生物学的効果を検出する確率がさらに高まります。以下のセクションでは、(1)システムの設計と実装の詳細を説明し、(2)これまでにシステムを使用して導き出された重要な結果を要約し、(3)おっぱいと他の動物の両方で追求できる将来の研究の方向性を提案します。
Protocol
Representative Results
Discussion
LEDライトとペアのIRカメラのこのネストボックスベースのシステムにより、研究者はALANの生物学的効果に関するさまざまな興味深い質問を評価することができました。さらに、このシステムで追求できる研究の方向性は他にもたくさんあります。さらに、このシステムの使用を他の種に拡大することは、ALANに対する感受性の種間差の理解を促進するのに役立つ可能性がある。以下に、この論…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ALANの鳥類に対する生物学的影響に関する私たちの研究プログラムは、FWOフランダース(M.E.およびR.P.、プロジェクトID:G.0A36.15N)、アントワープ大学、欧州委員会(M.L.G、Marie Skłodowska-CurieフェローシップID:799667)から資金提供を受けています。我々は、アントワープ大学の行動生態学及び生態生理学研究グループのメンバー、特にピーター・シェイズ及びトーマス・ラープの知的及び技術的支援を認める。
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 |
References
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