Un approccio sperimentale per studiare gli effetti della luce artificiale di notte sugli animali liberi: implementazione, risultati e indicazioni per la ricerca futura
Summary
La luce artificiale di notte (ALAN) ha effetti biologici di vasta portata. Questo articolo descrive un sistema per manipolare ALAN all’interno di nidi durante il monitoraggio del comportamento, costituito da luci a LED accoppiate a una batteria, un timer e una videocamera a infrarossi con capacità audio. I ricercatori potrebbero impiegare questo sistema per esplorare molte domande in sospeso riguardanti gli effetti di ALAN sugli organismi.
Abstract
Gli animali si sono evoluti con modelli naturali di luce e oscurità. Tuttavia, la luce artificiale viene sempre più introdotta nell’ambiente dalle infrastrutture umane e dalle attività ricreative. La luce artificiale di notte (ALAN) ha il potenziale per avere effetti diffusi sul comportamento animale, sulla fisiologia e sulla forma fisica, che possono tradursi in effetti su larga scala su popolazioni e comunità. Comprendere gli effetti di ALAN sugli animali liberi non è banale a causa di sfide come misurare i livelli di luce incontrati dagli organismi mobili e separare gli effetti di ALAN da quelli di altri fattori di disturbo antropogenico. Qui descriviamo un approccio che ci consente di isolare gli effetti dell’esposizione alla luce artificiale sui singoli animali manipolando sperimentalmente i livelli di luce all’interno delle cassette nido. A tal fine, è possibile utilizzare un sistema costituito da luci a diodi emettitori di luce (LED) aderenti a una piastra e collegate a una batteria e a un sistema timer. La configurazione consente l’esposizione degli individui all’interno di nidi a diverse intensità e durate di ALAN ottenendo contemporaneamente registrazioni video, che includono anche l’audio. Il sistema è stato utilizzato in studi su cinciallegre libere (Parus major) e cinciallegre (Cyanistes caeruleus) per ottenere informazioni su come ALAN influenza i modelli di sonno e attività negli adulti e la fisiologia e le dinamiche dei telomeri nello sviluppo dei nidiacei. Il sistema, o un suo adattamento, potrebbe essere utilizzato per rispondere a molte altre domande di ricerca intriganti, come il modo in cui ALAN interagisce con altri fattori di disturbo e influenza l’equilibrio bioenergetico. Inoltre, sistemi simili potrebbero essere installati all’interno o vicino alle cassette nido, ai nidi o alle tane di una varietà di specie per manipolare i livelli di ALAN, valutare le risposte biologiche e lavorare per costruire una prospettiva interspecifica. Soprattutto se combinato con altri approcci avanzati per il monitoraggio del comportamento e del movimento degli animali liberi, questo approccio promette di produrre contributi continui alla nostra comprensione delle implicazioni biologiche di ALAN.
Introduction
Gli animali si sono evoluti con i modelli naturali di luce e oscurità che definiscono il giorno e la notte. Pertanto, i ritmi circadiani nei sistemi ormonali orchestrano i modelli di riposo e attività e consentono agli animali di massimizzare la forma fisica 1,2,3. Ad esempio, il ritmo circadiano negli ormoni glucocorticoidi, con un picco all’inizio dell’attività quotidiana, innesca i vertebrati a comportarsi in modo appropriato durante il periodo di 24 ore attraverso effetti sul metabolismo del glucosio e sulla reattività ai fattori di stress ambientali4. Allo stesso modo, l’ormone pineale melatonina, che viene rilasciato in risposta all’oscurità, è integralmente coinvolto nel governo dei modelli di ritmicità circadiana e ha anche proprietà antiossidanti 5,6. Il trascinamento di molti aspetti della ritmicità circadiana, come il rilascio di melatonina, è influenzato dalla fotoricezione dei livelli di luce nell’ambiente. Pertanto, l’introduzione di luce artificiale nell’ambiente per supportare l’attività umana, la ricreazione e le infrastrutture ha il potenziale per avere effetti di vasta portata sul comportamento, la fisiologia e l’idoneità degli animali liberi 7,8. In effetti, diversi effetti dell’esposizione alla luce artificiale di notte (ALAN) sono stati documentati 9,10 e ALAN è stato evidenziato come una priorità per la ricerca sul cambiamento globale nel 21° secolo10.
Misurare gli effetti di ALAN sugli animali liberi pone sfide non banali per una serie di motivi. In primo luogo, gli animali mobili che si muovono attraverso l’ambiente sperimentano costantemente diversi livelli di luce. Quindi, come si quantifica il livello di luce a cui sono esposti i singoli animali? Anche se i livelli di luce sul territorio dell’animale possono essere quantificati, l’animale può impiegare strategie di evitamento che influenzano i modelli di esposizione, richiedendo così il monitoraggio simultaneo della posizione dell’animale e dei livelli di luce. Infatti, nella maggior parte degli studi sul campo, la media e la variazione dei livelli di esposizione alla luce sono sconosciute11. In secondo luogo, l’esposizione ad ALAN è spesso correlata con l’esposizione ad altri fattori di disturbo antropogenico, come l’inquinamento acustico, l’esposizione chimica e il degrado dell’habitat. Ad esempio, gli animali che occupano habitat lungo i margini delle strade saranno esposti alla luce dei lampioni, al rumore del traffico veicolare e all’inquinamento atmosferico causato dalle emissioni veicolari. Come si possono quindi isolare efficacemente gli effetti di ALAN dagli effetti delle variabili confondenti? Rigorosi esperimenti sul campo che consentano buone misurazioni sia dei livelli di esposizione alla luce che delle variabili di risposta sono essenziali per valutare la gravità degli effetti biologici di ALAN e per sviluppare efficaci strategie di mitigazione11.
Questo articolo descrive un approccio sperimentale che, sebbene non privo di limiti (vedi sezione di discussione), aiuta a placare, se non eliminare, le difficoltà sopra identificate. L’approccio prevede la manipolazione sperimentale dei livelli di ALAN all’interno delle cassette nido di una specie di uccelli diurni a vita libera, la cinciallegra (Parus major), utilizzando un sistema di luci a diodi emettitori di luce (LED) e una telecamera a infrarossi (IR) installata all’interno di nidi. La configurazione consente l’acquisizione simultanea di registrazioni video, incluso l’audio, che consente ai ricercatori di valutare gli effetti su comportamenti e vocalizzazioni. Le grandi tette utilizzano le cassette nido per l’allevamento e dormono nelle cassette nido tra novembre e marzo. Le femmine dormono anche all’interno delle cassette nido durante la stagione riproduttiva12. Il sistema è stato anche utilizzato in misura minore per studiare gli effetti di ALAN sulle tette blu (Cyanistes caeruleus). La prima difficoltà, che consiste nel conoscere i livelli di luce incontrati dall’animale, è mitigata in quanto, dato che un individuo è disposto ad entrare nella cassetta nido (o è già nella scatola del nido nel caso di nidiacei immobili), i livelli di luce possono essere determinati con precisione dal ricercatore. La seconda difficoltà, che coinvolge correlazioni con variabili confondenti, può essere controllata utilizzando cassette nido in ambienti simili e / o misurando i livelli di variabili confondenti vicino alle cassette nido. Inoltre, negli uccelli che nidificano in cavità, l’adozione di un approccio sperimentale è potente perché le cassette nido o le cavità naturali possono proteggere i nidiacei e gli adulti da ALAN13, il che potrebbe spiegare perché alcuni studi correlativi trovano scarso effetto di ALAN (o rumore antropogenico)14, mentre gli studi sperimentali trovano più spesso effetti chiari (vedi sotto). Inoltre, è possibile adottare un disegno sperimentale di misure ripetute in cui gli individui fungono da proprio controllo, il che aumenta ulteriormente il potere statistico e la probabilità di rilevare effetti biologici significativi. Le sezioni seguenti: (1) spiegano i dettagli della progettazione e dell’implementazione del sistema, (2) riassumono gli importanti risultati che sono stati finora derivati utilizzando il sistema e (3) propongono direzioni di ricerca future che potrebbero essere perseguite, sia nelle tette che in altri animali.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo sistema basato su nest box di luci a LED e una telecamera IR accoppiata ha permesso ai ricercatori di valutare una serie di domande intriganti riguardanti gli effetti biologici di ALAN. Inoltre, ci sono molte altre direzioni di ricerca che possono essere perseguite con il sistema. Inoltre, l’espansione dell’uso del sistema ad altre specie potrebbe aiutare a promuovere una comprensione delle differenze interspecifiche nella sensibilità all’ALAN. Di seguito vengono presentate alcune possibilità non esaustive per l…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Il nostro programma di ricerca che coinvolge gli effetti biologici di ALAN sugli uccelli ha ricevuto finanziamenti dalle Fiandre FWO (a M.E. e R.P., ID progetto: G.0A36.15N), dall’Università di Anversa e dalla Commissione Europea (a M.L.G, Marie Skłodowska-Curie fellowship ID: 799667). Riconosciamo il supporto intellettuale e tecnico dei membri del gruppo di ricerca di ecologia comportamentale ed ecofisiologia dell’Università di Anversa, in particolare Peter Scheys e 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 |
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