Une approche expérimentale pour étudier les effets de la lumière artificielle la nuit sur les animaux en liberté: mise en œuvre, résultats et orientations pour la recherche future

Summary

La lumière artificielle la nuit (ALAN) a des effets biologiques de grande portée. Cet article décrit un système de manipulation d’ALAN à l’intérieur des nichoirs tout en surveillant le comportement, composé de lumières LED couplées à une batterie, une minuterie et une caméra vidéo infrarouge compatible audio. Les chercheurs pourraient utiliser ce système pour explorer de nombreuses questions en suspens concernant les effets de l’ALAN sur les organismes.

Abstract

Les animaux ont évolué avec des motifs naturels de lumière et d’obscurité. Cependant, la lumière artificielle est de plus en plus introduite dans l’environnement à partir des infrastructures humaines et des activités récréatives. La lumière artificielle la nuit (ALAN) a le potentiel d’avoir des effets généralisés sur le comportement, la physiologie et la forme physique des animaux, ce qui peut se traduire par des effets à plus grande échelle sur les populations et les communautés. Comprendre les effets de l’ALAN sur les animaux en liberté n’est pas trivial en raison de défis tels que la mesure des niveaux de lumière rencontrés par les organismes mobiles et la séparation des effets de l’ALAN de ceux d’autres facteurs de perturbation anthropique. Nous décrivons ici une approche qui nous permet d’isoler les effets de l’exposition à la lumière artificielle sur des animaux individuels en manipulant expérimentalement les niveaux de lumière à l’intérieur des nichoirs. À cette fin, un système peut être utilisé composé de diodes électroluminescentes (LED) collées à une plaque et connectées à un système de batterie et de minuterie. La configuration permet d’exposer les individus à l’intérieur des nichoirs à des intensités et des durées variables d’ALAN tout en obtenant simultanément des enregistrements vidéo, qui incluent également l’audio. Le système a été utilisé dans des études sur les mésanges en liberté (Parus major) et les mésanges bleues (Cyanistes caeruleus) pour mieux comprendre comment ALAN affecte les habitudes de sommeil et d’activité chez les adultes et la physiologie et la dynamique des télomères dans le développement des oisillons. Le système, ou une adaptation de celui-ci, pourrait être utilisé pour répondre à de nombreuses autres questions de recherche intrigantes, telles que la façon dont ALAN interagit avec d’autres facteurs de perturbation et affecte l’équilibre bioénergétique. En outre, des systèmes similaires pourraient être installés dans ou près des nichoirs, des nids ou des terriers d’une variété d’espèces pour manipuler les niveaux d’ALAN, évaluer les réponses biologiques et travailler à la construction d’une perspective interspécifique. Surtout lorsqu’elle est combinée à d’autres approches avancées pour surveiller le comportement et le mouvement des animaux en liberté, cette approche promet d’apporter des contributions continues à notre compréhension des implications biologiques de l’ALAN.

Introduction

Les animaux ont évolué avec les motifs naturels de lumière et d’obscurité qui définissent le jour et la nuit. Ainsi, les rythmes circadiens dans les systèmes hormonaux orchestrent les schémas de repos et d’activité et permettent aux animaux de maximiser leur condition physique ^1,2,3. Par exemple, le rythme circadien dans les hormones glucocorticoïdes, avec un pic au début de l’activité quotidienne, incite les vertébrés à se comporter de manière appropriée tout au long de la période de 24 heures via des effets sur le métabolisme du glucose et la réactivité aux facteurs de stress^{environnementaux 4}. De même, l’hormone pinéale mélatonine, qui est libérée en réponse à l’obscurité, est intégralement impliquée dans la gouvernance des modèles de rythmicité circadienne et a également des propriétés antioxydantes ^5,6. L’entraînement de nombreux aspects de la rythmicité circadienne, tels que la libération de mélatonine, est affecté par la photoréception des niveaux de lumière dans l’environnement. Ainsi, l’introduction de lumière artificielle dans l’environnement pour soutenir l’activité humaine, les loisirs et les infrastructures a le potentiel d’avoir des effets de grande portée sur le comportement, la physiologie et la condition physique des animaux en liberté ^7,8. En effet, divers effets de l’exposition à la lumière artificielle la nuit (ALAN) ont été documentés ^9,10, et ALAN a été mis en évidence comme une priorité pour la recherche sur le changement global au^21ème siècle¹⁰.

Mesurer les effets de l’ALAN sur les animaux en liberté pose des défis non triviaux pour un certain nombre de raisons. Tout d’abord, les animaux mobiles se déplaçant dans l’environnement subissent constamment différents niveaux de lumière. Ainsi, comment quantifier le niveau de lumière auquel les animaux individuels sont exposés? Même si les niveaux de lumière sur le territoire de l’animal peuvent être quantifiés, l’animal peut employer des stratégies d’évitement qui affectent les modèles d’exposition, exigeant ainsi un suivi simultané de l’emplacement de l’animal et des niveaux de lumière. En effet, dans la plupart des études sur le terrain, la moyenne et la variation des niveaux d’exposition à la lumière sont inconnues¹¹. Deuxièmement, l’exposition à l’ALAN est souvent corrélée à l’exposition à d’autres facteurs de perturbation anthropique, tels que la pollution sonore, l’exposition chimique et la dégradation de l’habitat. Par exemple, les animaux occupant des habitats le long des bords des routes seront exposés à la lumière des lampadaires, au bruit de la circulation automobile et à la pollution atmosphérique due aux émissions des véhicules. Comment alors isoler efficacement les effets de l’ALAN des effets des variables confondantes ? Des expériences rigoureuses sur le terrain qui permettent de bien mesurer les niveaux d’exposition à la lumière et les variables de réponse sont essentielles pour évaluer la gravité des effets biologiques de l’ALAN et pour élaborer des stratégies d’atténuation efficaces¹¹.

Cet article décrit une approche expérimentale qui, bien que non sans limites (voir la section de discussion), aide à apaiser, sinon à éliminer les difficultés identifiées ci-dessus. L’approche consiste à manipuler expérimentalement les niveaux d’ALAN à l’intérieur des nichoirs d’une espèce d’oiseau diurne vivant librement, la mésange charbonnière (Parus major), à l’aide d’un système de lumières à diodes électroluminescentes (LED) et d’une caméra infrarouge (IR) installée dans les nichoirs. La configuration permet l’acquisition simultanée d’enregistrements vidéo, y compris audio, ce qui permet aux chercheurs d’évaluer les effets sur les comportements et les vocalisations. Les mésanges utilisent des nichoirs pour la reproduction et dorment dans les nichoirs entre novembre et mars. Les femelles dorment également à l’intérieur des nichoirs pendant la saison^{de reproduction 12}. Le système a également été utilisé dans une moindre mesure pour étudier les effets de l’ALAN sur les mésanges bleues (Cyanistes caeruleus). La première difficulté, consistant à connaître les niveaux de lumière rencontrés par l’animal, est atténuée en ce que, étant donné qu’un individu est prêt à entrer dans le nichoir (ou se trouve déjà dans le nichoir dans le cas d’oisillons immobiles), les niveaux de lumière peuvent être déterminés avec précision par le chercheur. La deuxième difficulté, impliquant des corrélations avec des variables confondantes, peut être contrôlée en utilisant des nichoirs dans des environnements similaires et/ou en mesurant les niveaux de variables confondantes près des nichoirs. De plus, chez les oiseaux nichant dans des cavités, l’adoption d’une approche expérimentale est puissante parce que les nichoirs ou les cavités naturelles peuvent protéger les oisillons et les adultes de l’ALAN^{13, ce} qui peut expliquer pourquoi certaines études corrélatives trouvent peu d’effet de l’ALAN (ou du bruit anthropique)¹⁴, alors que les études expérimentales trouvent plus souvent des effets clairs (voir ci-dessous). En outre, un plan expérimental de mesures répétées peut être adopté dans lequel les individus servent de leur propre contrôle, ce qui augmente encore la puissance statistique et la probabilité de détecter des effets biologiques significatifs. Les sections ci-dessous : (1) expliquer les détails de la conception et de la mise en œuvre du système, (2) résumer les résultats importants qui ont été obtenus jusqu’à présent à l’aide du système, et (3) proposer des orientations de recherche futures qui pourraient être poursuivies, tant chez les mésanges que chez d’autres animaux.

Protocol

Toutes les applications de ce système à l’expérimentation animale ont été approuvées par le comité d’éthique de l’Université d’Anvers et menées conformément aux lois belges et flamandes. La méthodologie a respecté les directives ASAB / ABS pour l’utilisation des animaux dans la recherche comportementale. L’Institut royal des sciences naturelles de Belgique (Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen; KBIN) a fourni des licences à tous les chercheurs et au personnel. <p class="jov…

Representative Results

Les articles de recherche évalués par des pairs publiés à l’aide de ce système sont résumés dans le tableau 2. Plusieurs autres manuscrits sont en cours. Ces études portent sur trois grandes séries de questions de recherche. Tout d’abord, le système a été utilisé pour étudier les effets de l’exposition à la lumière sur le comportement de sommeil et les niveaux d’activité chez les adultes. À cette fin, un plan expérimental de mesures répétées a été utilisé, dans lequel le …

Discussion

Ce système de nichoirs à LED et une caméra infrarouge jumelée a permis aux chercheurs d’évaluer une série de questions intrigantes concernant les effets biologiques de l’ALAN. De plus, il y a beaucoup plus d’orientations de recherche qui peuvent être poursuivies avec le système. De plus, l’élargissement de l’utilisation du système à d’autres espèces pourrait aider à mieux comprendre les différences interspécifiques de sensibilité à l’ALAN. Ci-dessous, quelques possibilités non exhaustives …

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