JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biologie

Ett experimentellt tillvägagångssätt för att undersöka effekter av artificiellt ljus på natten på frigående djur: implementering, resultat och riktningar för framtida 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

Artificiellt ljus på natten (ALAN) har omfattande biologiska effekter. I den här artikeln beskrivs ett system för att manipulera ALAN inuti bolådor under övervakning av beteende, bestående av LED-lampor kopplade till ett batteri, timer och ljudkapslad infraröd videokamera. Forskare kan använda detta system för att utforska många utestående frågor om effekterna av ALAN på organismer.

Abstract

Djur har utvecklats med naturliga mönster av ljus och mörker. Artificiellt ljus introduceras dock alltmer i miljön från mänsklig infrastruktur och fritidsaktiviteter. Artificiellt ljus på natten (ALAN) har potential att ha omfattande effekter på djurbeteende, fysiologi och fitness, vilket kan översättas till bredare effekter på populationer och samhällen. Att förstå effekterna av ALAN på frigående djur är inte trivialt på grund av utmaningar som att mäta ljusnivåer som möter mobila organismer och separera effekterna av ALAN från andra antropogena störningsfaktorer. Här beskriver vi ett tillvägagångssätt som gör att vi kan isolera effekterna av artificiell ljusexponering på enskilda djur genom att experimentellt manipulera ljusnivåer inuti bolådor. För detta ändamål kan ett system användas bestående av lysdiod (LED) -lampor som fästs vid en platta och ansluts till ett batteri- och timersystem. Installationen möjliggör exponering av individer inuti bolådor för varierande intensiteter och varaktigheter av ALAN samtidigt som man får videoinspelningar, som också inkluderar ljud. Systemet har använts i studier på frigående talgoxar (Parus major) och blåmesar (Cyanistes caeruleus) för att få insikt i hur ALAN påverkar sömn och aktivitetsmönster hos vuxna och fysiologi och telomerdynamik vid utveckling av ungar. Systemet, eller en anpassning därav, skulle kunna användas för att besvara många andra spännande forskningsfrågor, till exempel hur ALAN interagerar med andra störningsfaktorer och påverkar bioenergetisk balans. Dessutom kan liknande system installeras i eller nära bolådor, bon eller hålor av en mängd olika arter för att manipulera nivåer av ALAN, utvärdera biologiska svar och arbeta för att bygga ett interspecifikt perspektiv. Speciellt i kombination med andra avancerade metoder för övervakning av beteende och rörelse hos fritt levande djur, lovar detta tillvägagångssätt att ge pågående bidrag till vår förståelse av de biologiska konsekvenserna av ALAN.

Introduction

Djur har utvecklats med de naturliga mönster av ljus och mörker som definierar dag och natt. Således orkestrerar cirkadiska rytmer i hormonella system vilo- och aktivitetsmönster och tillåter djur att maximerakonditionen 1,2,3. Till exempel, dygnsrytmen i glukokortikoidhormoner, med en topp vid början av den dagliga aktiviteten, primar ryggradsdjur att bete sig lämpligt under 24-timmarsperioden via effekter på glukosmetabolism och lyhördhet för miljöstressorer4. På samma sätt är pinealhormonet melatonin, som frigörs som svar på mörker, integrerat involverat i styrande mönster av dygnsrytm och har också antioxidantegenskaper 5,6. Entrainment av många aspekter av dygnsrytmen, såsom melatoninfrisättning, påverkas av fotomottagningen av ljusnivåer i miljön. Således har införandet av artificiellt ljus i miljön för att stödja mänsklig aktivitet, rekreation och infrastruktur potential att ha omfattande effekter på beteendet, fysiologin och konditionen hos frigående djur 7,8. Faktum är att olika effekter av exponering för artificiellt ljus på natten (ALAN) har dokumenterats 9,10, och ALAN har lyfts fram som en prioritet för global förändringsforskning under 2000-talet 10.

Att mäta effekterna av ALAN på frigående djur utgör icke-triviala utmaningar av flera skäl. För det första upplever mobila djur som rör sig genom miljön ständigt olika ljusnivåer. Således, hur kvantifierar man ljusnivån som enskilda djur utsätts för? Även om ljusnivåer på djurets territorium kan kvantifieras kan djuret använda undvikande strategier som påverkar exponeringsmönster, vilket kräver samtidig spårning av djurens plats och ljusnivåer. I de flesta fältstudier är medelvärdet och variationen i ljusexponeringsnivåer okända11. För det andra är exponering för ALAN ofta korrelerad med exponering för andra antropogena störningsfaktorer, såsom bullerföroreningar, kemisk exponering och nedbrytning av livsmiljöer. Till exempel kommer djur som upptar livsmiljöer längs vägarnas marginaler att utsättas för ljus från gatlyktor, buller från fordonstrafik och luftföroreningar från fordonsutsläpp. Hur isolerar man då effektivt effekterna av ALAN från effekterna av förvirrande variabler? Rigorösa fältförsök som möjliggör bra mätningar av både ljusexponeringsnivåer och svarsvariabler är avgörande för att utvärdera svårighetsgraden av de biologiska effekterna av ALAN och för att utveckla effektiva begränsningsstrategier11.

Denna artikel beskriver ett experimentellt tillvägagångssätt som, även om det inte är utan begränsningar (se diskussionsavsnittet), hjälper till att dämpa, om inte eliminera de svårigheter som identifierats ovan. Tillvägagångssättet innebär att experimentellt manipulera ALAN-nivåer inuti bolådorna hos en fritt levande, daglig fågelart, talgoxen (Parus major), med hjälp av ett system av ljusdiod (LED) -lampor och en infraröd (IR) kamera installerad i bolådor. Installationen möjliggör samtidig förvärv av videoinspelningar, inklusive ljud, vilket gör det möjligt för forskare att bedöma effekter på beteenden och vokaliseringar. Talgoxar använder holkar för avel och sover i bolådorna mellan november och mars. Kvinnor sover också inuti bolådorna under häckningssäsongen12. Systemet har också använts i mindre utsträckning för att studera effekter av ALAN på blåmesar (Cyanistes caeruleus). Den första svårigheten, som involverar att känna till ljusnivåer som djuret stöter på, mildras genom att, med tanke på att en individ är villig att komma in i bolådan (eller redan finns i bolådan när det gäller orörliga nestlings), kan ljusnivåerna bestämmas exakt av forskaren. Den andra svårigheten, som involverar korrelationer till förvirrande variabler, kan styras genom att använda bolådor i liknande miljöer och / eller mäta nivåerna av förvirrande variabler nära bolådor. Dessutom är det kraftfullt att anta ett experimentellt tillvägagångssätt hos kavitetshäckande fåglar eftersom bolådor eller naturliga håligheter kan skydda ungar och vuxna från ALAN13, vilket kan förklara varför vissa korrelativa studier finner liten effekt av ALAN (eller antropogent brus)14, medan experimentella studier oftare finner tydliga effekter (se nedan). Dessutom kan en upprepad experimentell design antas där individer tjänar som sin egen kontroll, vilket ytterligare ökar statistisk kraft och sannolikheten för att upptäcka meningsfulla biologiska effekter. Avsnitten nedan: (1) förklara detaljerna i systemets utformning och implementering, (2) sammanfatta de viktiga resultat som hittills har härletts med hjälp av systemet och (3) föreslå framtida forskningsriktningar som kan följas, både hos bröst och andra djur.

Protocol

Alla tillämpningar av detta system på djurförsök godkändes av Antwerpens universitets etiska kommitté och genomfördes i enlighet med belgiska och flamländska lagar. Metodiken följde ASAB/ABS-riktlinjerna för användning av djur i beteendeforskning. Belgiens kungliga naturvetenskapliga institut (Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen; KBIN) tillhandahöll licenser för alla forskare och personal. 1. Skapa det experimentella systemet Skaffa br…

Representative Results

De referentgranskade forskningsartiklar som publicerats med hjälp av detta system sammanfattas i tabell 2. Flera andra manuskript är på gång. Dessa studier behandlar tre stora sviter av forskningsfrågor. För det första har systemet använts för att studera effekterna av ljusexponering på sömnbeteende och aktivitetsnivåer hos vuxna. För detta ändamål användes en experimentell design med upprepade åtgärder, där samma individ först registrerades sova under naturliga förhållanden och dä…

Discussion

Detta boboxbaserade system av LED-lampor och en parad IR-kamera har gjort det möjligt för forskare att bedöma en rad spännande frågor om de biologiska effekterna av ALAN. Dessutom finns det många fler forskningsriktningar som kan följas med systemet. Dessutom kan en utvidgning av användningen av systemet till andra arter bidra till att främja en förståelse för interspecifika skillnader i känslighet för ALAN. Nedan presenteras några icke-uttömmande möjligheter för framtida forskning i hopp om att detta d…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vårt forskningsprogram som involverar de biologiska effekterna av ALAN på fåglar har fått finansiering från FWO Flandern (till M.E. och R.P., projekt-ID: G.0A36.15N), Antwerpens universitet och Europeiska kommissionen (till M.L.G, Marie Skłodowska-Curie Fellowship ID: 799667). Vi erkänner det intellektuella och tekniska stödet från medlemmar i forskargruppen Behavioral Ecology and Ecophysiology vid Universitetet i Antwerpen, särskilt Peter Scheys och 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
check_url/fr/63381?article_type=t

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