نهج تجريبي للتحقيق في آثار الضوء الاصطناعي في الليل على الحيوانات الحرة: التنفيذ والنتائج والاتجاهات للبحوث المستقبلية
Summary
الضوء الاصطناعي في الليل (ALAN) له تأثيرات بيولوجية واسعة النطاق. توضح هذه المقالة نظاما لمعالجة ALAN داخل مربعات العش أثناء مراقبة السلوك ، يتكون من مصابيح LED مقترنة ببطارية ومؤقت وكاميرا فيديو تعمل بالأشعة تحت الحمراء قادرة على الصوت. يمكن للباحثين استخدام هذا النظام لاستكشاف العديد من الأسئلة المعلقة المتعلقة بآثار ALAN على الكائنات الحية.
Abstract
تطورت الحيوانات مع أنماط طبيعية من الضوء والظلام. ومع ذلك ، يتم إدخال الضوء الاصطناعي بشكل متزايد في البيئة من البنية التحتية البشرية والنشاط الترفيهي. الضوء الاصطناعي في الليل (ALAN) لديه القدرة على أن يكون له آثار واسعة النطاق على سلوك الحيوان ، وعلم وظائف الأعضاء ، واللياقة البدنية ، والتي يمكن أن تترجم إلى آثار أوسع نطاقا على السكان والمجتمعات. إن فهم آثار ALAN على الحيوانات الحرة النطاق ليس تافها بسبب تحديات مثل قياس مستويات الضوء التي تواجهها الكائنات الحية المتنقلة وفصل آثار ALAN عن تأثيرات عوامل الاضطراب البشرية المنشأ الأخرى. هنا نصف نهجا يسمح لنا بعزل آثار التعرض للضوء الاصطناعي على الحيوانات الفردية عن طريق التلاعب التجريبي بمستويات الضوء داخل صناديق العش. تحقيقا لهذه الغاية ، يمكن استخدام نظام يتكون من ضوء (ضوء) الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) الملتصق بلوحة ومتصل بنظام بطارية ومؤقت. يسمح الإعداد بتعرض الأفراد داخل صناديق العش لدرجات ومدد مختلفة من ALAN مع الحصول في نفس الوقت على تسجيلات الفيديو ، والتي تشمل أيضا الصوت. وقد استخدم هذا النظام في الدراسات التي أجريت على الثدي الكبير الحر (Parus major) والثدي الأزرق (Cyanistes caeruleus) لاكتساب نظرة ثاقبة حول كيفية تأثير ALAN على أنماط النوم والنشاط لدى البالغين وعلم وظائف الأعضاء وديناميكيات التيلومير في تطوير الأعشاش. يمكن استخدام النظام ، أو تكييفه ، للإجابة على العديد من الأسئلة البحثية الأخرى المثيرة للاهتمام ، مثل كيفية تفاعل ALAN مع عوامل الاضطراب الأخرى والتأثير على توازن الطاقة الحيوية. علاوة على ذلك ، يمكن تركيب أنظمة مماثلة في أو بالقرب من صناديق الأعشاش أو الأعشاش أو الجحور لمجموعة متنوعة من الأنواع للتعامل مع مستويات ALAN ، وتقييم الاستجابات البيولوجية ، والعمل على بناء منظور متعدد الأنواع. خاصة عندما يقترن هذا النهج بمناهج متقدمة أخرى لمراقبة سلوك وحركة الحيوانات الحية الحرة ، فإنه يعد بتقديم مساهمات مستمرة في فهمنا للآثار البيولوجية ل ALAN.
Introduction
تطورت الحيوانات مع الأنماط الطبيعية للضوء والظلام التي تحدد الليل والنهار. وبالتالي ، فإن إيقاعات الساعة البيولوجية في الأنظمة الهرمونية تنظم أنماط الراحة والنشاط وتسمح للحيوانات بزيادة اللياقة البدنية إلى أقصى حد1،2،3. على سبيل المثال ، فإن إيقاع الساعة البيولوجية في هرمونات الجلوكورتيكويد ، مع ذروة في بداية النشاط اليومي ، يهيئ الفقاريات للتصرف بشكل مناسب خلال فترة 24 ساعة من خلال التأثيرات على استقلاب الجلوكوز والاستجابة للضغوطات البيئية4. وبالمثل ، فإن هرمون الميلاتونين الصنوبري ، الذي يتم إطلاقه استجابة للظلام ، يشارك بشكل متكامل في إدارة أنماط إيقاع الساعة البيولوجية وله أيضا خصائص مضادة للأكسدة 5,6. يتأثر تقييد العديد من جوانب إيقاع الساعة البيولوجية ، مثل إطلاق الميلاتونين ، بالاستقبال الضوئي لمستويات الضوء في البيئة. وبالتالي ، فإن إدخال الضوء الاصطناعي في البيئة لدعم النشاط البشري والترفيه والبنية التحتية لديه القدرة على أن يكون له آثار واسعة النطاق على السلوك وعلم وظائف الأعضاء واللياقة البدنية للحيوانات الحرة 7,8. في الواقع ، تم توثيق الآثار المتنوعة للتعرض للضوء الاصطناعي في الليل (ALAN) 9,10 ، وتم تسليط الضوء على ALAN كأولوية لأبحاث التغيير العالمي في القرن 21st 10.
يشكل قياس آثار ALAN على الحيوانات الحرة تحديات غير تافهة لعدد من الأسباب. أولا ، الحيوانات المتنقلة التي تتحرك عبر البيئة تواجه باستمرار مستويات مختلفة من الضوء. وبالتالي ، كيف يمكن للمرء أن يحدد مستوى الضوء الذي تتعرض له الحيوانات الفردية؟ حتى لو كان من الممكن تحديد مستويات الضوء على أراضي الحيوان كميا ، فقد يستخدم الحيوان استراتيجيات تجنب تؤثر على أنماط التعرض ، وبالتالي يتطلب تتبعا متزامنا لموقع الحيوان ومستويات الضوء. في الواقع ، في معظم الدراسات الميدانية ، يكون المتوسط والتباين في مستويات التعرض للضوء غير معروفين11. ثانيا ، غالبا ما يرتبط التعرض ل ALAN بالتعرض لعوامل اضطراب بشرية المنشأ أخرى ، مثل التلوث الضوضائي ، والتعرض للمواد الكيميائية ، وتدهور الموائل. على سبيل المثال ، ستتعرض الحيوانات التي تحتل موائل على طول هوامش الطرق للضوء من مصابيح الشوارع ، والضوضاء الناتجة عن حركة مرور المركبات ، وتلوث الهواء من انبعاثات المركبات. كيف إذن يمكن للمرء أن يعزل بشكل فعال آثار ALAN عن آثار المتغيرات المربكة؟ تعد التجارب الميدانية الصارمة التي تمكن من إجراء قياسات جيدة لكل من مستويات التعرض للضوء ومتغيرات الاستجابة ضرورية لتقييم شدة الآثار البيولوجية ل ALAN ، ولتطوير استراتيجيات تخفيف فعالة11.
تصف هذه المقالة نهجا تجريبيا يساعد على تخفيف الصعوبات المحددة أعلاه، إن لم يكن القضاء عليها، وإن لم يكن بدون قيود (انظر قسم المناقشة). وينطوي هذا النهج على التلاعب التجريبي بمستويات آلان داخل صناديق العش الخاصة بأنواع الطيور النهارية التي تعيش بحرية، وهي الحلمة العظيمة (Parus major)، باستخدام نظام من مصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) وكاميرا الأشعة تحت الحمراء (IR) المثبتة داخل صناديق العش. يتيح الإعداد الحصول المتزامن على تسجيلات الفيديو ، بما في ذلك الصوت ، مما يسمح للباحثين بتقييم التأثيرات على السلوكيات والأصوات. تستخدم الثدي الكبيرة صناديق العش للتكاثر ، وتنام في صناديق العش بين نوفمبر ومارس. تنام الإناث أيضا داخل صناديق العش خلال موسم التكاثر12. كما تم استخدام النظام بدرجة أقل لدراسة آثار ALAN على الثدي الأزرق (Cyanistes caeruleus). يتم تخفيف الصعوبة الأولى ، التي تنطوي على معرفة مستويات الضوء التي يواجهها الحيوان ، في ذلك ، بالنظر إلى أن الفرد على استعداد لدخول صندوق العش (أو هو بالفعل في صندوق العش في حالة الأعشاش غير المتحركة) ، يمكن تحديد مستويات الضوء بدقة من قبل الباحث. يمكن التحكم في الصعوبة الثانية ، التي تنطوي على ارتباطات بالمتغيرات المربكة ، باستخدام صناديق العش في بيئات مماثلة ، و / أو قياس مستويات المتغيرات المربكة بالقرب من صناديق العش. بالإضافة إلى ذلك ، في الطيور التي تعشش في التجويف ، يعد اعتماد نهج تجريبي قويا لأن صناديق العش أو التجاويف الطبيعية يمكن أن تحمي الأعشاش والبالغين من ALAN13 ، مما قد يفسر لماذا تجد بعض الدراسات المرتبطة تأثيرا ضئيلا ل ALAN (أو الضوضاء البشرية المنشأ)14 ، في حين أن الدراسات التجريبية غالبا ما تجد تأثيرات واضحة (انظر أدناه). علاوة على ذلك ، يمكن اعتماد تصميم تجريبي متكرر للمقاييس يعمل فيه الأفراد كعنصر تحكم خاص بهم ، مما يزيد من القوة الإحصائية ، واحتمال اكتشاف تأثيرات بيولوجية ذات مغزى. الأقسام أدناه: (1) شرح تفاصيل تصميم وتنفيذ النظام ، (2) تلخيص النتائج الهامة التي تم استخلاصها حتى الآن باستخدام النظام ، و (3) اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية التي يمكن اتباعها ، سواء في الثدي أو الحيوانات الأخرى.
Protocol
Representative Results
Discussion
سمح هذا النظام القائم على صندوق العش من مصابيح LED وكاميرا الأشعة تحت الحمراء المقترنة للباحثين بتقييم مجموعة من الأسئلة المثيرة للاهتمام فيما يتعلق بالآثار البيولوجية ل ALAN. علاوة على ذلك ، هناك العديد من الاتجاهات البحثية التي يمكن متابعتها مع النظام. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يساعد توسي…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تلقى برنامجنا البحثي الذي يتضمن الآثار البيولوجية ل ALAN على الطيور تمويلا من FWO Flanders (إلى M.E. و R.P. ، معرف المشروع: G.0A36.15N) ، وجامعة أنتويرب والمفوضية الأوروبية (إلى M.L.G ، Marie Skłodowska-Curie fellowship ID: 799667). نحن نعترف بالدعم الفكري والتقني لأعضاء مجموعة أبحاث علم البيئة السلوكية والفيزيولوجيا البيئية في جامعة أنتويرب ، وخاصة بيتر شيز وتوماس راب.
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 |
Referências
- Gwinner, E., Brandstätter, R. Complex bird clocks. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B. 356 (1415), 1801-1810 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Fonken, L. K., Nelson, R. J. The effects of light at night on circadian clocks and metabolism. Endocrine Reviews. 35 (4), 648-670 (2014).
- Falcón, J., et al. Exposure to artificial light at night and the consequences for flora, fauna, and ecosystems. Frontiers in Neuroscience. 14, 602796 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Raap, T., Pinxten, R., Eens, M. Light pollution disrupts sleep in free-living animals. Scientific Reports. 5, 13557 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lighton, J. R. B. . Measuring metabolic rates: A manual for scientists. , (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
