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

Geceleri Yapay Işığın Serbest Dolaşan Hayvanlar Üzerindeki Etkilerini Araştırmaya Deneysel Bir Yaklaşım: Gelecekteki Araştırmalar için Uygulama, Sonuçlar ve Yönler

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

Geceleri yapay ışık (ALAN) geniş kapsamlı biyolojik etkilere sahiptir. Bu makalede, bir pile, zamanlayıcıya ve ses özellikli kızılötesi video kameraya bağlı LED ışıklarından oluşan davranışı izlerken yuva kutularının içindeki ALAN’ı manipüle etmek için bir sistem açıklanmaktadır. Araştırmacılar bu sistemi, ALAN’ın organizmalar üzerindeki etkileriyle ilgili birçok olağanüstü soruyu araştırmak için kullanabilirler.

Abstract

Hayvanlar, doğal ışık ve karanlık kalıplarıyla evrimleşmiştir. Bununla birlikte, yapay ışık, insan altyapısından ve rekreasyonel faaliyetlerden çevreye giderek daha fazla tanıtılmaktadır. Geceleri yapay ışık (ALAN), hayvan davranışı, fizyolojisi ve zindeliği üzerinde yaygın etkilere sahip olma potansiyeline sahiptir ve bu da popülasyonlar ve topluluklar üzerinde daha geniş çaplı etkilere dönüşebilir. ALAN’ın serbest dolaşan hayvanlar üzerindeki etkilerini anlamak, hareketli organizmaların karşılaştığı ışık seviyelerini ölçmek ve ALAN’ın etkilerini diğer antropojenik rahatsızlık faktörlerinden ayırmak gibi zorluklar nedeniyle önemsiz değildir. Burada, yuva kutularının içindeki ışık seviyelerini deneysel olarak manipüle ederek yapay ışığa maruz kalmanın bireysel hayvanlar üzerindeki etkilerini izole etmemizi sağlayan bir yaklaşımı açıklıyoruz. Bu amaçla, bir plakaya yapıştırılmış ve bir batarya ve zamanlayıcı sistemine bağlanmış ışık yayan diyot (LED) ışıklarından oluşan bir sistem kullanılabilir. Kurulum, yuva kutularının içindeki bireylerin ALAN’ın değişen yoğunluklarına ve sürelerine maruz kalmasına izin verirken, aynı zamanda ses de içeren video kayıtları elde edilmesini sağlar. Sistem, ALAN’ın yetişkinlerde uyku ve aktivite düzenlerini ve gelişmekte olan yavrularda fizyoloji ve telomer dinamiklerini nasıl etkilediği hakkında fikir edinmek için serbest aralıklı büyük memeler (Parus major) ve mavi memeler (Cyanistes caeruleus) üzerine yapılan çalışmalarda kullanılmıştır. Sistem veya bunun bir uyarlaması, ALAN’ın diğer rahatsızlık faktörleriyle nasıl etkileşime girdiği ve biyoenerjetik dengeyi nasıl etkilediği gibi diğer birçok ilginç araştırma sorusunu cevaplamak için kullanılabilir. Ayrıca, benzer sistemler, ALAN seviyelerini manipüle etmek, biyolojik tepkileri değerlendirmek ve interspesifik bir bakış açısı oluşturmaya yönelik çalışmak için çeşitli türlerin yuva kutularına, yuvalarına veya yuvalarına veya yakınlarına kurulabilir. Özellikle serbest yaşayan hayvanların davranışlarını ve hareketlerini izlemek için diğer gelişmiş yaklaşımlarla birleştirildiğinde, bu yaklaşım ALAN’ın biyolojik etkilerini anlamamıza sürekli katkılar sağlamayı vaat etmektedir.

Introduction

Hayvanlar, geceyi ve gündüzü tanımlayan doğal ışık ve karanlık kalıplarıyla evrimleşmiştir. Böylece, hormonal sistemlerdeki sirkadiyen ritimler dinlenme ve aktivite kalıplarını düzenler ve hayvanların zindeliği en üst düzeye çıkarmasına izin verir 1,2,3. Örneğin, glukokortikoid hormonlardaki sirkadiyen ritim, günlük aktivitenin başlangıcında bir zirve ile, omurgalıları glikoz metabolizması üzerindeki etkiler ve çevresel stresörlere yanıt verme yoluyla 24 saatlik süre boyunca uygun şekilde davranmaya hazırlar4. Benzer şekilde, karanlığa yanıt olarak salınan epifiz hormonu melatonin, sirkadiyen ritmisitenin yönetim modellerinde ayrılmaz bir şekilde rol oynar ve ayrıca antioksidan özelliklere sahiptir 5,6. Melatonin salınımı gibi sirkadiyen ritmisitenin birçok yönünün sürüklenmesi, ortamdaki ışık seviyelerinin foto-alımından etkilenir. Bu nedenle, insan aktivitesini, rekreasyonunu ve altyapısını desteklemek için çevreye yapay ışığın sokulması, serbest dolaşan hayvanların davranışı, fizyolojisi ve uygunluğu üzerinde geniş kapsamlı etkilere sahip olma potansiyeline sahiptir 7,8. Gerçekten de, geceleri yapay ışığa maruz kalmanın çeşitli etkileri (ALAN) 9,10 olarak belgelenmiştir ve ALAN, 21. yüzyılda küresel değişim araştırması için bir öncelik olarak vurgulanmıştır10.

ALAN’ın serbest dolaşan hayvanlar üzerindeki etkilerini ölçmek, çeşitli nedenlerden dolayı önemsiz olmayan zorluklar ortaya çıkarmaktadır. İlk olarak, çevrede hareket eden hareketli hayvanlar sürekli olarak farklı ışık seviyeleri yaşarlar. Bu nedenle, bireysel hayvanların maruz kaldığı ışık seviyesi nasıl ölçülür? Hayvanın topraklarındaki ışık seviyeleri ölçülebilse bile, hayvan, maruz kalma kalıplarını etkileyen kaçınma stratejileri kullanabilir, böylece hayvan konumunun ve ışık seviyelerinin eşzamanlı olarak izlenmesini talep edebilir. Gerçekten de, çoğu saha çalışmasında, ışığa maruz kalma seviyelerindeki ortalama ve varyasyon bilinmemektedir11. İkincisi, ALAN’a maruz kalma genellikle gürültü kirliliği, kimyasal maruziyet ve habitat bozulması gibi diğer antropojenik rahatsızlık faktörlerine maruz kalma ile ilişkilidir. Örneğin, karayollarının kenarları boyunca habitatları işgal eden hayvanlar, sokak lambalarından gelen ışığa, araç trafiğinden gelen gürültüye ve araç emisyonlarından kaynaklanan hava kirliliğine maruz kalacaktır. Öyleyse, ALAN’ın etkilerini kafa karıştırıcı değişkenlerin etkilerinden nasıl etkili bir şekilde izole edebiliriz? Hem ışığa maruz kalma seviyelerinin hem de yanıt değişkenlerinin iyi ölçülmesini sağlayan titiz saha deneyleri, ALAN’ın biyolojik etkilerinin ciddiyetini değerlendirmek ve etkili azaltma stratejileri geliştirmek için gereklidir11.

Bu makalede, sınırlamaları olmasa da (tartışma bölümüne bakınız), yukarıda belirtilen zorlukları ortadan kaldırmasa da yatıştırıcıya yardımcı olan deneysel bir yaklaşım açıklanmaktadır. Yaklaşım, serbest yaşayan, günlük bir kuş türünün, büyük baştankara (Parus major) yuva kutularının içindeki ALAN seviyelerini, ışık yayan diyot (LED) ışıklarından oluşan bir sistem ve yuva kutularına yerleştirilmiş bir kızılötesi (IR) kamera kullanarak deneysel olarak manipüle etmeyi gerektirir. Kurulum, araştırmacıların davranışlar ve seslendirmeler üzerindeki etkilerini değerlendirmelerine olanak tanıyan ses de dahil olmak üzere video kayıtlarının eşzamanlı olarak alınmasını sağlar. Büyük memeler üreme için yuva kutularını kullanır ve Kasım ve Mart ayları arasında yuva kutularında uyur. Dişiler ayrıca üreme mevsimi 12 boyunca yuva kutularının içindeuyurlar. Sistem ayrıca ALAN’ın mavi memeler (Cyanistes caeruleus) üzerindeki etkilerini incelemek için daha az ölçüde kullanılmıştır. Hayvanın karşılaştığı ışık seviyelerini bilmeyi içeren ilk zorluk, bir bireyin yuva kutusuna girmeye istekli olduğu (veya hareketsiz yavrular durumunda yuva kutusunda zaten bulunduğu) göz önüne alındığında, ışık seviyelerinin araştırmacı tarafından kesin olarak belirlenebileceği göz önüne alındığında hafifletilir. Kafa karıştırıcı değişkenlerle korelasyonları içeren ikinci zorluk, benzer ortamlarda yuva kutuları kullanılarak ve / veya yuva kutularının yakınındaki karıştırıcı değişkenlerin seviyelerini ölçerek kontrol edilebilir. Ek olarak, boşluk yuvalayan kuşlarda, deneysel bir yaklaşım benimsemek güçlüdür, çünkü yuva kutuları veya doğal boşluklar yavruları ve yetişkinleri ALAN13’ten koruyabilir, bu da bazı korelasyon çalışmalarının neden ALAN’ın (veya antropojenik gürültünün) çok az etkisini bulduğunu açıklayabilir14, oysa deneysel çalışmalar daha sık net etkiler bulmaktadır (aşağıya bakınız). Dahası, bireylerin kendi kontrolleri olarak hizmet ettiği, istatistiksel gücü ve anlamlı biyolojik etkileri tespit etme olasılığını daha da artıran tekrarlanan bir ölçü deneysel tasarımı benimsenebilir. Aşağıdaki bölümler: (1) sistemin tasarım ve uygulamasının ayrıntılarını açıklar, (2) sistem kullanılarak şimdiye kadar elde edilen önemli sonuçları özetler ve (3) hem göğüslerde hem de diğer hayvanlarda izlenebilecek gelecekteki araştırma yönlerini önerir.

Protocol

Bu sistemin hayvan deneylerine tüm uygulamaları Anvers Üniversitesi etik komitesi tarafından onaylanmış ve Belçika ve Flaman yasalarına uygun olarak yürütülmüştür. Metodoloji, davranışsal araştırmalarda hayvanların kullanımı için ASAB / ABS kılavuzlarına bağlı kalmıştır. Belçika Kraliyet Doğa Bilimleri Enstitüsü (Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen; KBIN) tüm araştırmacılar ve personel için lisans sağladı. 1. Deney sisteminin olu…

Representative Results

Bu sistem kullanılarak yayınlanan hakemli araştırma makaleleri Tablo 2’de özetlenmiştir. Diğer bazı makaleler devam etmektedir. Bu çalışmalar üç ana araştırma sorusu paketini ele almaktadır. İlk olarak, sistem ışığa maruz kalmanın yetişkinlerde uyku davranışı ve aktivite seviyeleri üzerindeki etkilerini incelemek için kullanılmıştır. Bu amaçla, aynı bireyin ilk önce doğal koşullar altında uyuduğu ve daha sonra ışıklı bir yuva kutusunda uyuduğu kaydedilen tekrar…

Discussion

LED ışıkların ve eşleştirilmiş bir IR kameranın bu yuva kutusu tabanlı sistemi, araştırmacıların ALAN’ın biyolojik etkileri ile ilgili bir dizi ilginç soruyu değerlendirmelerine izin verdi. Dahası, sistemle takip edilebilecek daha birçok araştırma yönü vardır. Ek olarak, sistemin kullanımını diğer türlere genişletmek, ALAN’a duyarlılıktaki spesifik farklılıkların anlaşılmasını teşvik etmeye yardımcı olabilir. Aşağıda, gelecekteki araştırmalar için kapsamlı olmayan bazı ola…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ALAN’ın kuşlar üzerindeki biyolojik etkilerini içeren araştırma programımız FWO Flanders (M.E. ve R.P., proje kimliği: G.0A36.15N), Anvers Üniversitesi ve Avrupa Komisyonu’ndan (M.L.G, Marie Skłodowska-Curie burs kimliği: 799667) fon almıştır. Anvers Üniversitesi’ndeki Davranışsal Ekoloji ve Ekofizyoloji Araştırma grubu üyelerinin, özellikle Peter Scheys ve Thomas Raap’ın entelektüel ve teknik desteğini kabul ediyoruz.

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