Ein experimenteller Ansatz zur Untersuchung der Auswirkungen von künstlichem Licht bei Nacht auf freilaufende Tiere: Umsetzung, Ergebnisse und Richtungen für zukünftige Forschung

Summary

Künstliches Licht in der Nacht (ALAN) hat weitreichende biologische Wirkungen. Dieser Artikel beschreibt ein System zur Manipulation von ALAN in Nistkästen bei gleichzeitiger Überwachung des Verhaltens, bestehend aus LED-Leuchten, die mit einer Batterie, einem Timer und einer audiofähigen Infrarot-Videokamera gekoppelt sind. Forscher könnten dieses System nutzen, um viele offene Fragen zu den Auswirkungen von ALAN auf Organismen zu untersuchen.

Abstract

Tiere haben sich mit natürlichen Mustern von Licht und Dunkelheit entwickelt. Künstliches Licht wird jedoch zunehmend durch menschliche Infrastruktur und Freizeitaktivitäten in die Umwelt eingeführt. Künstliches Licht in der Nacht (ALAN) hat das Potenzial, weitreichende Auswirkungen auf das Verhalten, die Physiologie und die Fitness von Tieren zu haben, was zu breiteren Auswirkungen auf Populationen und Gemeinschaften führen kann. Das Verständnis der Auswirkungen von ALAN auf freilaufende Tiere ist aufgrund von Herausforderungen wie der Messung des Lichtniveaus, auf das mobile Organismen stoßen, und der Trennung der Auswirkungen von ALAN von denen anderer anthropogener Störfaktoren nicht trivial. Hier beschreiben wir einen Ansatz, der es uns ermöglicht, die Auswirkungen der künstlichen Lichtexposition auf einzelne Tiere zu isolieren, indem wir die Lichtverhältnisse in Nistkästen experimentell manipulieren. Zu diesem Zweck kann ein System verwendet werden, das aus Leuchtdioden (LED) besteht, die an einer Platte haften und mit einem Batterie- und Timersystem verbunden sind. Das Setup ermöglicht es, Individuen in Nistkästen unterschiedlichen Intensitäten und Dauern von ALAN auszusetzen und gleichzeitig Videoaufnahmen zu erhalten, die auch Audio enthalten. Das System wurde in Studien an freilaufenden Kohlmeisen (Parus major) und Blaumeisen (Cyanistes caeruleus) verwendet, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie ALAN Schlaf- und Aktivitätsmuster bei Erwachsenen und die Physiologie und Telomerdynamik bei sich entwickelnden Nestlingen beeinflusst. Das System oder eine Adaption davon könnte verwendet werden, um viele andere faszinierende Forschungsfragen zu beantworten, z. B. wie ALAN mit anderen Störfaktoren interagiert und das bioenergetische Gleichgewicht beeinflusst. Darüber hinaus könnten ähnliche Systeme in oder in der Nähe der Nistkästen, Nester oder Höhlen einer Vielzahl von Arten installiert werden, um ALAN-Spiegel zu manipulieren, biologische Reaktionen zu bewerten und auf den Aufbau einer interspezifischen Perspektive hinzuarbeiten. Insbesondere in Kombination mit anderen fortschrittlichen Ansätzen zur Überwachung des Verhaltens und der Bewegung freilebender Tiere verspricht dieser Ansatz fortlaufende Beiträge zu unserem Verständnis der biologischen Implikationen von ALAN.

Introduction

Tiere haben sich mit den natürlichen Mustern von Licht und Dunkelheit entwickelt, die Tag und Nacht definieren. So orchestrieren zirkadiane Rhythmen in hormonellen Systemen Ruhe- und Aktivitätsmuster und ermöglichen es den Tieren, die Fitness^{zu maximieren} 1,2,3. Zum Beispiel bereitet der circadiane Rhythmus in glukokortikoiden Hormonen, mit einem Höhepunkt zu Beginn der täglichen Aktivität, Wirbeltiere dazu an, sich über die 24-Stunden-Periode hinweg angemessen zu verhalten, über Auswirkungen auf den Glukosestoffwechsel und die Reaktion auf Umweltstressoren⁴. In ähnlicher Weise ist das Zirbeldrüsenhormon Melatonin, das als Reaktion auf Dunkelheit freigesetzt wird, integraler Bestandteil der Steuerung von Mustern der circadianen Rhythmizität und hat auch antioxidative Eigenschaften ^5,6. Die Mitnahme vieler Aspekte der circadianen Rhythmizität, wie z.B. die Freisetzung von Melatonin, wird durch die Photorezeption von Lichtniveaus in der Umwelt beeinflusst. Daher hat die Einführung von künstlichem Licht in die Umwelt zur Unterstützung menschlicher Aktivitäten, Erholung und Infrastruktur das Potenzial, weitreichende Auswirkungen auf das Verhalten, die Physiologie und die Fitness freilaufender Tiere zu haben ^7,8. Tatsächlich wurden verschiedene Auswirkungen der Exposition gegenüber künstlichem Licht in der Nacht (ALAN) dokumentiert^9,10, und ALAN wurde als eine Priorität für die Erforschung des globalen Wandels im 21. Jahrhundert ^{10 hervorgehoben.}

Die Messung der Auswirkungen von ALAN auf freilaufende Tiere stellt aus einer Reihe von Gründen nicht triviale Herausforderungen dar. Erstens erleben mobile Tiere, die sich durch die Umgebung bewegen, ständig unterschiedliche Lichtstärken. Wie quantifiziert man also das Lichtniveau, dem einzelne Tiere ausgesetzt sind? Selbst wenn das Lichtniveau auf dem Territorium des Tieres quantifiziert werden kann, kann das Tier Vermeidungsstrategien anwenden, die die Expositionsmuster beeinflussen und somit eine gleichzeitige Verfolgung des Standorts und der Lichtverhältnisse des Tieres erfordern. Tatsächlich sind in den meisten Feldstudien der Mittelwert und die Variation der Lichtexposition unbekannt¹¹. Zweitens korreliert die Exposition gegenüber ALAN oft mit der Exposition gegenüber anderen anthropogenen Störfaktoren wie Lärmbelästigung, chemischer Exposition und Verschlechterung des Lebensraums. Zum Beispiel werden Tiere, die Lebensräume entlang der Straßenränder besetzen, dem Licht von Straßenlaternen, dem Lärm des Fahrzeugverkehrs und der Luftverschmutzung durch Fahrzeugemissionen ausgesetzt. Wie isoliert man dann effektiv die Auswirkungen von ALAN von den Auswirkungen von Störvariablen? Rigorose Feldexperimente, die gute Messungen sowohl der Lichtexpositionsniveaus als auch der Antwortvariablen ermöglichen, sind unerlässlich, um die Schwere der biologischen Wirkungen von ALAN zu bewerten und wirksame Minderungsstrategien^{zu entwickeln 11}.

Dieser Artikel beschreibt einen experimentellen Ansatz, der, obwohl nicht ohne Einschränkungen (siehe Diskussionsabschnitt), dazu beiträgt, die oben genannten Schwierigkeiten zu lindern, wenn nicht sogar zu beseitigen. Der Ansatz beinhaltet die experimentelle Manipulation der ALAN-Werte in den Nistkästen einer freilebenden, tagaktiven Vogelart, der Kohlmeise (Parus major), unter Verwendung eines Systems von Leuchtdiodenleuchten (LED) und einer Infrarotkamera (IR), die in Nistkästen installiert sind. Das Setup ermöglicht die gleichzeitige Aufnahme von Videoaufnahmen, einschließlich Audio, wodurch Forscher die Auswirkungen auf Verhaltensweisen und Vokalisationen beurteilen können. Kohlmeisen nutzen Nistkästen für die Zucht und schlafen zwischen November und März in den Nistkästen. Die Weibchen schlafen während der Brutzeit¹² auch in den Nistkästen. Das System wurde in geringerem Maße auch verwendet, um die Auswirkungen von ALAN auf Blaumeisen (Cyanistes caeruleus) zu untersuchen. Die erste Schwierigkeit, die darin besteht, die Lichtverhältnisse zu kennen, auf die das Tier trifft, wird dadurch gemildert, dass ein Individuum bereit ist, den Nistkasten zu betreten (oder sich bei unbeweglichen Nestlingen bereits im Nistkasten befindet), die Lichtverhältnisse vom Forscher genau bestimmt werden können. Die zweite Schwierigkeit, die Korrelationen zu verwirrenden Variablen beinhaltet, kann durch die Verwendung von Nistkästen in ähnlichen Umgebungen und/oder die Messung der Ebenen von Störvariablen in der Nähe von Nistkästen kontrolliert werden. Darüber hinaus ist bei Hohlraumnistvögeln ein experimenteller Ansatz von Vorteil, da Nistkästen oder natürliche Hohlräume Nestlinge und Erwachsene vor ALAN¹³ schützen können, was erklären könnte, warum einige korrelative Studien wenig Wirkung von ALAN (oder anthropogenem ^{Rauschen) finden14,} während experimentelle Studien häufiger klare Effekte finden (siehe unten). Darüber hinaus kann ein experimentelles Design mit wiederholten Messungen übernommen werden, bei dem Individuen als ihre eigene Kontrolle dienen, was die statistische Aussagekraft und die Wahrscheinlichkeit, sinnvolle biologische Effekte zu erkennen, weiter erhöht. Die folgenden Abschnitte: (1) erläutern die Details des Designs und der Implementierung des Systems, (2) fassen die wichtigen Ergebnisse zusammen, die bisher mit dem System erzielt wurden, und (3) schlagen zukünftige Forschungsrichtungen vor, die sowohl bei Meisen als auch bei anderen Tieren verfolgt werden könnten.

Protocol

Alle Anwendungen dieses Systems für Tierversuche wurden von der Ethikkommission der Universität Antwerpen genehmigt und in Übereinstimmung mit belgischen und flämischen Gesetzen durchgeführt. Die Methodik hielt sich an die ASAB/ABS-Richtlinien für den Einsatz von Tieren in der Verhaltensforschung. Das Königliche belgische Institut für Naturwissenschaften (Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen; KBIN) stellte Lizenzen für alle Forscher und Mitarbeiter zur Verfügung. <str…

Representative Results

Die mit diesem System veröffentlichten Peer-Review-Forschungsartikel sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Mehrere andere Manuskripte sind in Arbeit. Diese Studien befassen sich mit drei großen Forschungsfragen. Erstens wurde das System verwendet, um die Auswirkungen der Lichtexposition auf das Schlafverhalten und das Aktivitätsniveau bei Erwachsenen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde ein experimentelles Design mit wiederholten Messungen verwendet, bei dem dasselbe Individuum zunächst das Schlafen un…

Discussion

Dieses auf dem Nestkasten basierende System aus LED-Leuchten und einer gepaarten IR-Kamera hat es den Forschern ermöglicht, eine Reihe faszinierender Fragen zu den biologischen Auswirkungen von ALAN zu bewerten. Darüber hinaus gibt es viele weitere Forschungsrichtungen, die mit dem System verfolgt werden können. Darüber hinaus könnte die Ausweitung der Nutzung des Systems auf andere Arten dazu beitragen, das Verständnis der interspezifischen Unterschiede in der Empfindlichkeit gegenüber ALAN zu fördern. Im Folgen…

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