Un enfoque experimental para investigar los efectos de la luz artificial en la noche en animales en libertad: implementación, resultados y direcciones para futuras investigaciones
Summary
La luz artificial en la noche (ALAN) tiene efectos biológicos de gran alcance. Este artículo describe un sistema para manipular ALAN dentro de cajas nido mientras se monitorea el comportamiento, que consiste en luces LED acopladas a una batería, temporizador y cámara de video infrarroja con capacidad de audio. Los investigadores podrían emplear este sistema para explorar muchas preguntas pendientes con respecto a los efectos de ALAN en los organismos.
Abstract
Los animales han evolucionado con patrones naturales de luz y oscuridad. Sin embargo, la luz artificial se está introduciendo cada vez más en el medio ambiente a partir de la infraestructura humana y la actividad recreativa. La luz artificial en la noche (ALAN) tiene el potencial de tener efectos generalizados en el comportamiento, la fisiología y la aptitud física de los animales, lo que puede traducirse en efectos a mayor escala en las poblaciones y comunidades. Comprender los efectos de ALAN en animales en libertad no es trivial debido a desafíos como medir los niveles de luz encontrados por organismos móviles y separar los efectos de ALAN de los de otros factores de perturbación antropogénica. Aquí describimos un enfoque que nos permite aislar los efectos de la exposición a la luz artificial en animales individuales mediante la manipulación experimental de los niveles de luz dentro de las cajas nido. Con este fin, se puede utilizar un sistema que consiste en luz (LED) de diodo emisor de luz (s) adherido a una placa y conectado a un sistema de batería y temporizador. La configuración permite la exposición de individuos dentro de cajas nido a diferentes intensidades y duraciones de ALAN mientras se obtienen simultáneamente grabaciones de video, que también incluyen audio. El sistema se ha utilizado en estudios sobre tetas grandes (Parus major) y tetas azules (Cyanistes caeruleus) para obtener información sobre cómo ALAN afecta los patrones de sueño y actividad en adultos y la fisiología y la dinámica de los telómeros en el desarrollo de polluelos. El sistema, o una adaptación del mismo, podría usarse para responder a muchas otras preguntas de investigación intrigantes, como la forma en que ALAN interactúa con otros factores de perturbación y afecta el equilibrio bioenergético. Además, se podrían instalar sistemas similares en o cerca de las cajas nido, nidos o madrigueras de una variedad de especies para manipular los niveles de ALAN, evaluar las respuestas biológicas y trabajar hacia la construcción de una perspectiva interespecífica. Especialmente cuando se combina con otros enfoques avanzados para monitorear el comportamiento y el movimiento de los animales de vida libre, este enfoque promete producir contribuciones continuas a nuestra comprensión de las implicaciones biológicas de ALAN.
Introduction
Los animales han evolucionado con los patrones naturales de luz y oscuridad que definen el día y la noche. Por lo tanto, los ritmos circadianos en los sistemas hormonales orquestan los patrones de descanso y actividad y permiten a los animales maximizar la aptitudfísica 1,2,3. Por ejemplo, el ritmo circadiano en las hormonas glucocorticoides, con un pico al inicio de la actividad diaria, prepara a los vertebrados para que se comporten adecuadamente durante el período de 24 horas a través de efectos sobre el metabolismo de la glucosa y la capacidad de respuesta a los factores estresantes ambientales4. Del mismo modo, la hormona pineal melatonina, que se libera en respuesta a la oscuridad, está integralmente involucrada en el gobierno de los patrones de rítmica circadiana y también tiene propiedades antioxidantes 5,6. El arrastre de muchos aspectos de la rítmica circadiana, como la liberación de melatonina, se ve afectado por la fotorrecepción de los niveles de luz en el medio ambiente. Por lo tanto, la introducción de luz artificial en el medio ambiente para apoyar la actividad humana, la recreación y la infraestructura tiene el potencial de tener efectos de amplio alcance en el comportamiento, la fisiología y la aptitud de los animales en libertad 7,8. De hecho, se han documentado diversos efectos de la exposición a la luz artificial en la noche (ALAN) 9,10, y ALAN se ha destacado como una prioridad para la investigación del cambio global enel siglo 2110.
La medición de los efectos de ALAN en animales en libertad plantea desafíos no triviales por varias razones. Primero, los animales móviles que se mueven a través del entorno experimentan constantemente diferentes niveles de luz. Por lo tanto, ¿cómo se cuantifica el nivel de luz al que están expuestos los animales individuales? Incluso si se pueden cuantificar los niveles de luz en el territorio del animal, el animal puede emplear estrategias de evitación que afectan los patrones de exposición, lo que exige un seguimiento simultáneo de la ubicación del animal y los niveles de luz. De hecho, en la mayoría de los estudios de campo, la media y la variación en los niveles de exposición a la luz son desconocidas11. En segundo lugar, la exposición a ALAN a menudo se correlaciona con la exposición a otros factores de perturbación antropogénica, como la contaminación acústica, la exposición química y la degradación del hábitat. Por ejemplo, los animales que ocupan hábitats a lo largo de los márgenes de las carreteras estarán expuestos a la luz de las farolas, al ruido del tráfico vehicular y a la contaminación del aire por las emisiones vehiculares. Entonces, ¿cómo se aíslan efectivamente los efectos de ALAN de los efectos de las variables de confusión? Los experimentos de campo rigurosos que permiten buenas mediciones tanto de los niveles de exposición a la luz como de las variables de respuesta son esenciales para evaluar la gravedad de los efectos biológicos de ALAN y para desarrollar estrategias de mitigación efectivas11.
Este artículo describe un enfoque experimental que, aunque no está exento de limitaciones (ver sección de discusión), ayuda a mitigar, si no eliminar, las dificultades identificadas anteriormente. El enfoque implica manipular experimentalmente los niveles de ALAN dentro de las cajas nido de una especie de ave diurna de vida libre, la teta grande (Parus major), utilizando un sistema de luces de diodo emisor de luz (LED) y una cámara infrarroja (IR) instalada dentro de las cajas nido. La configuración permite la adquisición simultánea de grabaciones de video, incluido audio, lo que permite a los investigadores evaluar los efectos en los comportamientos y vocalizaciones. Las grandes tetas utilizan cajas nido para la reproducción, y duermen en las cajas nido entre noviembre y marzo. Las hembras también duermen dentro de las cajas nido durante la temporada de reproducción12. El sistema también se ha utilizado en menor medida para estudiar los efectos de ALAN en las tetas azules (Cyanistes caeruleus). La primera dificultad, que implica conocer los niveles de luz encontrados por el animal, se mitiga en que, dado que un individuo está dispuesto a entrar en la caja nido (o ya está en la caja nido en el caso de los polluelos inmóviles), los niveles de luz pueden ser determinados con precisión por el investigador. La segunda dificultad, que implica correlaciones con variables de confusión, se puede controlar mediante el uso de cajas nido en entornos similares y/o midiendo los niveles de variables de confusión cerca de las cajas nido. Además, en las aves que anidan en cavidades, la adopción de un enfoque experimental es poderosa porque las cajas nido o cavidades naturales pueden proteger a los polluelos y adultos de ALAN13, lo que puede explicar por qué algunos estudios correlativos encuentran poco efecto de ALAN (o ruido antropogénico)14, mientras que los estudios experimentales a menudo encuentran efectos claros (ver más abajo). Además, se puede adoptar un diseño experimental de medidas repetidas en el que los individuos sirvan como su propio control, lo que aumenta aún más el poder estadístico y la probabilidad de detectar efectos biológicos significativos. Las siguientes secciones: (1) explican los detalles del diseño e implementación del sistema, (2) resumen los resultados importantes que se han derivado hasta ahora utilizando el sistema, y (3) proponen futuras direcciones de investigación que podrían seguirse, tanto en tetas como en otros animales.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este sistema basado en cajas nido de luces LED y una cámara IR emparejada ha permitido a los investigadores evaluar una serie de preguntas intrigantes con respecto a los efectos biológicos de ALAN. Además, hay muchas más direcciones de investigación que se pueden seguir con el sistema. Además, ampliar el uso del sistema a otras especies podría ayudar a fomentar la comprensión de las diferencias interespecíficas en la sensibilidad a ALAN. A continuación se presentan algunas posibilidades no exhaustivas para futu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nuestro programa de investigación sobre los efectos biológicos de ALAN en las aves ha recibido financiación de la FWO Flanders (a M.E. y R.P., ID del proyecto: G.0A36.15N), la Universidad de Amberes y la Comisión Europea (a M.L.G, Marie Skłodowska-Curie fellowship ID: 799667). Reconocemos el apoyo intelectual y técnico de los miembros del grupo de Investigación en Ecología del Comportamiento y Ecofisiología de la Universidad de Amberes, especialmente Peter Scheys y 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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