JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biology

Экспериментальный подход к исследованию влияния искусственного света ночью на животных свободного выгула: реализация, результаты и направления будущих исследований

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

Искусственное освещение в ночное время (ALAN) имеет широкие биологические эффекты. В этой статье описывается система для манипулирования ALAN внутри гнездовых ящиков при мониторинге поведения, состоящая из светодиодных индикаторов, соединенных с батареей, таймером и инфракрасной видеокамерой с поддержкой звука. Исследователи могли бы использовать эту систему для изучения многих нерешенных вопросов, касающихся влияния ALAN на организмы.

Abstract

Животные эволюционировали с естественными узорами света и тьмы. Тем не менее, искусственный свет все чаще внедряется в окружающую среду из человеческой инфраструктуры и рекреационной деятельности. Искусственное освещение ночью (ALAN) может оказать широкое влияние на поведение животных, физиологию и приспособленность, что может привести к более широкомасштабному воздействию на популяции и сообщества. Понимание влияния ALAN на животных, находящихся на свободном выгуле, нетривиально из-за таких проблем, как измерение уровней света, с которыми сталкиваются мобильные организмы, и отделение эффектов ALAN от эффектов других факторов антропогенного нарушения. Здесь мы описываем подход, который позволяет нам изолировать эффекты искусственного воздействия света на отдельных животных путем экспериментального манипулирования уровнями освещенности внутри гнездовых ящиков. С этой целью может быть использована система, состоящая из светодиодного (светодиодного) света (светодиодов), прикрепленного к пластине и подключенного к системе батареи и таймера. Установка позволяет подвергать особей внутри гнездовых ящиков различной интенсивности и продолжительности ALAN при одновременном получении видеозаписей, которые также включают аудио. Система была использована в исследованиях свободных синиц (Parus major) и синих синиц (Cyanistes caeruleus), чтобы получить представление о том, как ALAN влияет на сон и паттерны активности у взрослых, а также на физиологию и динамику теломер у развивающихся птенцов. Система или ее адаптация могут быть использованы для ответа на многие другие интригующие исследовательские вопросы, такие как то, как ALAN взаимодействует с другими факторами возмущения и влияет на биоэнергетический баланс. Кроме того, подобные системы могут быть установлены в гнездовых ящиках, гнездах или норах различных видов или рядом с ними для манипулирования уровнями ALAN, оценки биологических реакций и работы над созданием межвидовой перспективы. Особенно в сочетании с другими передовыми подходами к мониторингу поведения и передвижения свободно живущих животных, этот подход обещает внести постоянный вклад в наше понимание биологических последствий ALAN.

Introduction

Животные эволюционировали с естественными паттернами света и тьмы, которые определяют день и ночь. Таким образом, циркадные ритмы в гормональных системах организуют режимы отдыха и активности и позволяют животным максимизировать физическую форму 1,2,3. Например, циркадный ритм в глюкокортикоидных гормонах с пиком в начале повседневной активности заставляет позвоночных вести себя надлежащим образом в течение 24-часового периода через влияние на метаболизм глюкозы и реакцию на стрессоры окружающей среды4. Аналогичным образом, шишковидный гормон мелатонин, который высвобождается в ответ на темноту, интегрально участвует в управлении паттернами циркадной ритмичности, а также обладает антиоксидантными свойствами 5,6. На увлечение многими аспектами циркадной ритмичности, такими как высвобождение мелатонина, влияет фоторецепция уровней света в окружающей среде. Таким образом, внедрение искусственного света в окружающую среду для поддержки человеческой деятельности, отдыха и инфраструктуры может оказать широкомасштабное воздействие на поведение, физиологию и приспособленность животных свободного выгула 7,8. Действительно, различные эффекты воздействия искусственного света в ночное время (ALAN) были задокументированы 9,10, и ALAN был выделен в качестве приоритета для исследований глобальных изменений в21-м веке10.

Измерение воздействия ALAN на животных свободного выгула создает нетривиальные проблемы по ряду причин. Во-первых, подвижные животные, перемещающиеся по окружающей среде, постоянно испытывают различные уровни света. Таким образом, как количественно оценить уровень света, которому подвергаются отдельные животные? Даже если уровни света на территории животного могут быть количественно определены, животное может использовать стратегии избегания, которые влияют на модели воздействия, тем самым требуя одновременного отслеживания местоположения животного и уровня освещенности. Действительно, в большинстве полевых исследований среднее значение и изменение уровней воздействия света неизвестны11. Во-вторых, воздействие ALAN часто коррелирует с воздействием других антропогенных факторов возмущения, таких как шумовое загрязнение, химическое воздействие и деградация среды обитания. Например, животные, занимающие места обитания вдоль краев дорог, будут подвергаться воздействию света от уличных фонарей, шума от автомобильного движения и загрязнения воздуха от автомобильных выбросов. Как же тогда эффективно изолировать эффекты ALAN от эффектов смешанных переменных? Тщательные полевые эксперименты, которые позволяют эффективно измерять как уровни воздействия света, так и переменные реакции, имеют важное значение для оценки серьезности биологических эффектов ALAN и для разработки эффективных стратегий смягчения последствий11.

В данной статье описывается экспериментальный подход, который, хотя и не без ограничений (см. раздел обсуждения), помогает смягчить, если не устранить трудности, указанные выше. Этот подход предполагает экспериментальное манипулирование уровнями ALAN внутри гнездовых ящиков свободно живущего суточного вида птиц, большой синицы (Parus major), с использованием системы светодиодных (LED) огней и инфракрасной (ИК) камеры, установленной в гнездовых ящиках. Настройка позволяет одновременно получать видеозаписи, включая аудио, что позволяет исследователям оценивать влияние на поведение и вокализацию. Большие сиськи используют гнездовые ящики для размножения и спят в гнездовых ящиках в период с ноября по март. Самки также спят внутри гнездовых ящиков во время12 сезона размножения. Система также была использована в меньшей степени для изучения влияния ALAN на синих синиц (Cyanistes caeruleus). Первая трудность, связанная с знанием уровней освещенности, с которыми сталкивается животное, смягчается тем, что, учитывая, что особь готова войти в гнездовой ящик (или уже находится в гнездовом ящике в случае неподвижных птенцов), уровни освещенности могут быть точно определены исследователем. Вторая трудность, связанная с корреляциями со смешанными переменными, может контролироваться с помощью гнездовых ящиков в аналогичных средах и/или измерения уровней смешения переменных вблизи гнездовых ящиков. Кроме того, у птиц, гнездящихся в полостях, принятие экспериментального подхода является мощным, поскольку гнездовые ящики или естественные полости могут защитить птенцов и взрослых особей от ALAN13, что может объяснить, почему некоторые коррелятивные исследования обнаруживают небольшой эффект ALAN (или антропогенного шума)14, тогда как экспериментальные исследования чаще обнаруживают явные эффекты (см. Ниже). Более того, при повторных мерах может быть принята экспериментальная конструкция, в которой индивиды служат в качестве собственного контроля, что еще больше увеличивает статистическую мощность и вероятность обнаружения значимых биологических эффектов. Разделы ниже: (1) объясняют детали проектирования и внедрения системы, (2) обобщают важные результаты, которые были получены до сих пор с использованием системы, и (3) предлагают будущие направления исследований, которые могут быть продолжены, как у синиц, так и у других животных.

Protocol

Все приложения этой системы к экспериментам на животных были одобрены этическим комитетом Университета Антверпена и проводились в соответствии с бельгийскими и фламандскими законами. Методология придерживалась руководящих принципов ASAB/ABS по использованию животных в поведенческих и…

Representative Results

Рецензируемые научные статьи, опубликованные с использованием этой системы, обобщены в таблице 2. Несколько других рукописей находятся в стадии разработки. В этих исследованиях рассматриваются три основных набора исследовательских вопросов. Во-первых, система была использов…

Discussion

Эта система светодиодных фонарей и парная ИК-камера позволили исследователям оценить ряд интригующих вопросов, касающихся биологических эффектов ALAN. Кроме того, существует гораздо больше направлений исследований, которые могут быть продолжены с системой. Кроме того, расширение испол…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Наша исследовательская программа, связанная с биологическим воздействием ALAN на птиц, получила финансирование от FWO Flanders (для M.E. и R.P., ID проекта: G.0A36.15N), Университета Антверпена и Европейской комиссии (для M.L.G, Marie Skłodowska-Curie fellowship ID: 799667). Мы признаем интеллектуальную и техническую поддержку членов исследовательской группы по поведенческой экологии и экофизиологии в Университете Антверпена, особенно Питера Шейса и Томаса Раапа.

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/63381?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This 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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image