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方法文章

一种研究夜间人工光照对自由活动动物影响的实验方法：实施、结果及未来研究方向

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DOI：

10.3791/63381

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2022年2月2日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Biology, Behavioural Ecology and Ecophysiology Group, University of Antwerp, 2Faculty of Social Sciences, Antwerp School of Education, University of Antwerp

本文内容

摘要

夜间人工光照（ALAN）具有广泛的生物学效应。本文介绍了一种可在巢箱内调控夜间人工光照并同步监测动物行为的系统，该系统由与电池、定时器及可录音的红外摄像机相连的LED灯组成。研究人员可利用此系统探究关于夜间人工光照对生物体影响的诸多未解问题。

摘要

动物在自然的昼夜光照模式中进化而来。然而，随着人类基础设施和休闲活动的增加，人工光源正越来越多地被引入环境中。夜间人工光照（ALAN）可能对动物的行为、生理和适应性产生广泛影响，并进一步导致种群和群落层面的效应。由于移动生物所接触光照水平的测量困难，以及难以将ALAN的影响与其他人为干扰因素的影响分离开来，研究ALAN对自由活动动物的影响具有挑战性。本文介绍了一种通过在巢箱内部实验性调控光照强度，以分离个体动物暴露于人工光照影响的研究方法。该方法可采用一套系统，由粘附在板上的发光二极管（LED）灯组成，并连接至电池和定时装置。该装置可在对巢箱内个体施加不同强度和持续时间的ALAN的同时，获取包含音频的视频记录。该系统已应用于对自由活动的大山雀（Parus major）和蓝山雀（Cyanistes caeruleus）的研究，以深入了解ALAN如何影响成鸟的睡眠与活动模式，以及雏鸟的生理状态和端粒动态变化。该系统或其改良版本可用于回答其他诸多引人关注的研究问题，例如ALAN如何与其他干扰因素相互作用并影响生物的能量平衡。此外，类似系统可安装于多种物种的巢箱、巢穴或洞穴内部或附近，以调控ALAN水平，评估生物学响应，并推动建立跨物种的研究视角。当该方法与用于监测野生动物行为和活动的其他先进监测技术相结合时，有望持续深化我们对ALAN生物学影响的理解。

引言

动物在定义昼夜的自然光照与黑暗模式中进化而来。因此，内分泌系统的昼夜节律协调着动物的休息与活动模式，使其能够最大化适应性1,2,3例如，糖皮质激素的昼夜节律在每日活动开始时达到峰值，通过影响葡萄糖代谢以及对环境应激源的反应性，使脊椎动物在24小时周期内表现出适当的行为。4同样，松果体激素褪黑素在黑暗刺激下释放，参与调控昼夜节律模式，同时也具有抗氧化特性。5,6昼夜节律的许多方面（例如褪黑激素的释放）受到环境中光照水平感光作用的影响。因此，为支持人类活动、娱乐和基础设施而引入的人工照明可能对野生动物的行为、生理和适应性产生广泛影响。7,8事实上，夜间暴露于人工光照（ALAN）已记录到多种影响9,10，且人造夜间光照（ALAN）已被列为全球变化研究的重点议题之一st 世纪10.

测量人工夜间光照（ALAN）对自由活动动物的影响因多种原因而面临重大挑战。首先，移动中的动物在环境中活动时会持续经历不同强度的光照。那么，如何量化个体动物所暴露的光照水平？即使能够量化动物活动区域内的光照水平，动物也可能采取回避策略，从而影响其暴露模式，这就要求必须同时追踪动物的位置和光照水平。事实上，在大多数野外研究中，动物所受光照暴露的平均值及其变异程度均未知11。其次，ALAN暴露通常与其他人为干扰因素（如噪声污染、化学物质暴露和栖息地退化）相关联。例如，生活在道路边缘生境中的动物会同时暴露于路灯的光照、机动车交通的噪声以及尾气排放造成的空气污染。那么，如何有效区分ALAN的影响与混杂变量的影响？为评估ALAN生物效应的严重程度并制定有效的缓解策略，开展严谨的野外实验至关重要，这些实验需能够准确测量光照暴露水平和响应变量11。

本文介绍了一种实验方法，尽管该方法并非没有局限性（见讨论部分），但至少有助于缓解（即使不能完全消除）上述已识别的困难。该方法通过在野生昼行性鸟类大山雀（Parus major）的巢箱内使用发光二极管（LED）照明系统和安装在巢箱内的红外（IR）摄像机，对巢箱内的人造光（ALAN）水平进行实验性操控。该装置可同步获取包含音频的视频记录，使研究人员能够评估其对行为和鸣叫的影响。大山雀在繁殖期间利用巢箱筑巢，并在每年11月至次年3月期间于巢箱内栖息。雌鸟在繁殖季节也于巢箱内过夜12。该系统在较小程度上也被用于研究人造光对蓝山雀（Cyanistes caeruleus）的影响。第一个难题——即如何获知动物所经历的光照强度——可通过本方法得到缓解：由于个体愿意进入巢箱（或对于无法移动的雏鸟而言，已处于巢箱内），研究人员可精确控制并确定其接受的光照水平。第二个难题——即与混杂变量之间的相关性——可通过在相似环境中使用巢箱，和/或测量巢箱附近混杂变量的水平加以控制。此外，对于洞巢鸟类而言，采用实验方法具有较强优势，因为巢箱或天然洞穴可使成鸟和雏鸟免受人造光的影响13，这或许可以解释为何一些相关性研究发现人造光（或人为噪声）影响甚微14，而实验性研究则更常发现显著效应（见下文）。此外，可采用重复测量实验设计，使个体自身作为对照，从而进一步提高统计效能以及检测到有意义生物学效应的概率。下文各部分：（1）详细说明该系统的结构设计与实施方法；（2）总结迄今利用该系统获得的重要研究结果；（3）提出未来可在山雀及其他动物中开展的研究方向。

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方案

该系统在动物实验中的所有应用均已获得安特卫普大学伦理委员会的批准，并依照比利时及弗拉芒地区的法律法规进行。方法学遵循动物行为研究中ASAB/ABS指南关于动物使用的规定。所有研究人员和工作人员的许可由比利时皇家自然科学研究所（Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen；KBIN）提供。

1. 构建实验系统

  1. 获取广谱发光二极管（LED）用于产生人工夜间光照（ALAN）。可从LED头灯中取出LED灯。可使用单个LED灯或多个（例如4个）广谱LED灯以获得更均匀的照明（图1）。
    注意：作为改进方案，也可使用具有不同光谱特性的LED（例如红光与蓝光），但需从其他来源获取（有关本系统以往研究中所用LED的光谱特性，请参见Grunst等2019年的补充材料15）。
  2. 设计一个系统，将LED与红外相机（IR相机）共同安装，以便进行行为监测。研究人员可通过多种方式实现此目的。
    1. 方案一：将一个广谱LED单独插入塑料管中，并将该塑料管置于巢箱内一块塑料或金属板上，板上用胶粘固定一个红外相机，塑料管与相机相邻（图1A、B）。
    2. 方案二：将红外相机安装在塑料或金属板的中央位置，然后将LED灯固定在板上围绕红外相机的预定位置（图1C）。
  3. 设计一种将系统连接至电源（电池）和定时器的方法。
    1. 使用刀具或电钻在巢箱侧面开槽，使导线可通过槽口连接至铁电池（12 V；120 Wh）和自制定时器（12 V）。
    2. 设计一个深绿色木制外壳，其颜色、长度和宽度与巢箱相匹配（例如，以往研究中使用的巢箱尺寸为：120 mm × 155 mm × 250 mm），其中一侧通过铰链开口，用于容纳电池、视频记录仪以及LED的定时控制系统（图2；补充图1和补充图2）。
  4. 设计一种调节ALAN光照强度的方法。
    1. 获取一个电阻（阻值取决于电池电压和照明需求），并将其与LED（或LED组）串联连接。
  5. 制作与容纳定时器和电池的外壳尺寸相同的“假”盒子，用于使鸟类适应该系统（即如图2A所示，但内部无电子元件）。
    注意：第2节和第3节将讨论用于研究ALAN对目标生物影响的逐步实验方法。

用于野生动物监测的红外相机设置（配备LED灯）；图示三种配置：A、B、C。
图1：两套系统，每套均由红外相机和发光二极管（LED）光源组成，用于调控巢箱内的人工夜间光照（ALAN）。 (A巢箱顶部视图，平板用于固定旧系统。B（较旧系统，配备1个宽谱LED用于调控人工夜间光照，以及带10个红外LED的中央摄像头）（c）较新系统，配备4个宽谱LED和带4个红外LED的中央红外摄像头。 请点击此处查看此图的放大版本。

巢箱监测装置；用于记录野生动物活动的DVR、定时器和电池；设备详情。
图2：用于调控人工光污染（ALAN）并视频记录行为的自制电池与定时控制单元。（A）该单元封装于一个木盒内，并安装在巢箱顶部。（B）单元内部电子元件的视图。连接线从巢箱内部向上延伸至木制外壳，以将电子元件与红外摄像机及全光谱LED灯相连。请点击此处查看该图的放大版本。

2. 实验设计及人工夜间光照强度与时间的调整

  1. 确定需要暴露动物的光照强度。
    1. 仔细考虑所采用的实验光照强度，以获得能够回答研究问题的有意义结果。通常情况下，应选择生态学上相关的光照强度，即自由活动的动物可能遇到的光照水平（参见 表1 获取指导）。
  2. 将LED灯调节至所需的光照强度（例如，1–3 lux，如以往研究中所用；表1 和 表2）。
    1. 在野外布设前，将系统安装于带入实验室的巢箱中，以校准光照强度。按照下文所述方法（方案第3部分）将LED连接至电源。
    2. 通过将照度计置于巢箱内鸟类所在高度（距底部约8 cm处），同时调节与LED串联的电阻，将LED发出的光调整至所需强度（lux）。
      注意：可实现极低的光照强度（例如，乡村天空辉光水平；0.01 lux）。
  3. 确定动物暴露于人工夜间光照（ALAN）的时间范围。
    1. 确定夜间暴露的持续时间和时段。例如，可让动物整夜暴露于ALAN，或仅在部分夜间暴露，也可在午夜保留一段黑暗期，以减少干扰程度。
    2. 若动物必须进入巢箱（或特定区域）才能暴露于ALAN，还需考虑光照应在进入事件发生前还是发生后开启。
  4. 设置定时器以控制夜间光照暴露的时段。
    1. 设置与全光谱LED相连的定时器，使灯光在指定时间段开启和关闭（例如，至少在日落前2小时开启，日出后2小时关闭）。
      注意：红外摄像机可在光照暴露期间同步记录动物行为，只要其连接有充电电池，即可持续工作。
  5. 根据目标研究问题确定合适的实验设计。
    注意：对于某些问题，重复测量实验设计可能是最有力的选择（例如，ALAN暴露如何影响睡眠行为？）；而对于其他问题，则需要配对的对照组和实验组（例如，ALAN暴露如何影响发育中雏鸟的端粒损耗？）。
光源/照射水平强度（lux）
全日照103000
满月月光0.05–1
城市天空辉光0.2–0.5
野生欧洲乌鸫的暴露水平0.2 (0.07–2.2)
以往使用该系统的实验研究1–3
LED 路灯~10
低压钠灯路灯~10
高压钠灯~10
荧光照明300
金属卤化物灯400–2000

表1：环境中的典型光照强度3,9、野生鸟类的暴露水平41，以及既往研究中使用本系统时采用的光照强度（参考文献见表2）。

3. 实施人工夜间光照（ALAN）暴露

  1. 使动物适应实验装置。
    1. 若实验条件允许，在实验开始前至少1天，将模拟箱放置在巢箱顶部，使动物适应装置，以尽量减少新奇环境引起的回避反应。
  2. 观察目标个体。
    1. 为研究种群中的动物植入被动集成应答器（PIT）标签，以便在不干扰鸟类的情况下通过巢箱识别个体。
    2. 在涉及人工夜间光照（ALAN）对睡眠行为影响的实验中，于实验前一晚访问巢箱，并使用射频识别（RFID）读取器扫描巢箱，以确定哪些鸟类正在箱内栖息。
    3. 在繁殖季节进行、涉及将发育中的雏鸟暴露于人工夜间光照的实验中，需持续监测（例如每隔一天）巢箱，检查巢内内容物及成鸟身份。仔细选择具有特定特征（即典型窝卵数、双亲均在且参与喂养）的巢箱用于实验。
  3. 选择并实施实验。
    1. 对于涉及睡眠行为的实验，采用重复测量设计：首先记录个体在完全黑暗条件下至少一个晚上的睡眠情况，以获取无ALAN干扰下的正常睡眠数据（对照处理），具体操作遵循步骤3.3.2–3.3.21。
    2. 为此，在将红外（IR）摄像机带入野外前，确保将其时间与当地时间同步。
    3. 将SD卡插入紧邻电池的微型DVR记录仪的SD卡槽中（图2B；补充图2）。检查SD卡是否为空，若非空，则清除其中的数据。
    4. 在天黑前至少2小时，移除放置在巢箱顶部的模拟箱。
    5. 打开巢箱盖。
    6. 将装有红外摄像机的板子放入巢箱内，确保摄像机镜头朝下。
    7. 将电子连接线从巢箱的凹槽中引出。
    8. 关闭巢箱盖。
    9. 将装有电池、记录仪和定时器的外壳放置在巢箱顶部。
    10. 连接电池电源线：将记录仪的红色连接线连接到摄像机的白色连接线（音频），将记录仪的黄色连接线连接到摄像机的黄色连接线（视频），将电池的黑色连接线连接到摄像机的红色连接线（电源）（补充图1 和 补充图2）。
    11. 按下录制按钮以启动摄像机录制。
      注：定时器不设置和/或电源不连接至控制LED的定时器，以确保对照夜无ALAN产生。
    12. 使用小型TFT屏幕检查录制是否已开始且图像是否正确。TFT屏幕连接端口位于记录仪下方（补充图2）。
    13. 大约在天黑后1小时，返回巢箱，通过在巢箱底部和侧面移动RFID读取器并记录PIT标签传回的唯一识别编号，确认正在箱内睡眠的鸟类身份。
    14. 在对照录制结束后的次日早晨，日出后至少2小时，返回巢箱并取回电池系统和红外摄像机。
    15. 再次将模拟箱放置在巢箱顶部。
    16. 在实验室或办公室内，为电池充电，并从记录仪中取出SD卡以下载行为数据。
      注：电池在低温条件下使用寿命约为30小时，足以支持整夜录制，但需在连续录制的夜晚之间完全充电。
    17. 成功下载数据后，清除SD卡中的数据，然后将其重新插入微型DVR记录仪。
    18. 在下一个夜晚，实施光照暴露处理（例如1–3 lux，为以往使用该系统实验中采用的光照强度；表1 和 表2）。
    19. 设置定时器系统，以控制所需的光照暴露时间段。
    20. 重复上述对照录制的相同步骤（3.3.2–3.3.17），但还需将定时器连接至电源，并将LED连接至定时器（补充图1 和 补充图2）。
    21. 如需要，可在第三晚重复对照录制（即在完全黑暗条件下记录睡眠行为，即无ALAN）。
    22. 对于涉及雏鸟暴露于ALAN的实验，使用对照组和实验组雏鸟，具体操作见步骤3.3.23–3.3.25。
    23. 在对照组巢箱顶部放置不含电子设备的模拟箱，并以相同方式处理对照组和实验组的雏鸟。
    24. 对实验组巢箱实施ALAN暴露处理。在实验期间，按照上述方法将LED系统和红外摄像机安装于巢箱内部，并设置定时器以控制所需的光照暴露时段。
    25. 为电池充电。对于涉及多个夜晚光照暴露和视频录制的实验，每天早晨取回设备，在白天为电池充电，然后于傍晚重新安装系统。
  4. 收集目标响应变量的数据。
    1. 若巢箱内的行为是关注的变量，红外摄像机可实现对行为的同步记录（例如睡眠行为；图3）。
    2. 通过其他监测方法收集其他关注的数据，采样时间点可根据需要灵活安排（例如在光照暴露前后采集血液样本15）。

鸟巢监测；巢箱中的两只鸟，用于行为研究的带时间戳红外相机图像。
图3：暴露于人工夜间光照（ALAN）下巢箱内大山雀的红外图像。 （A）睡眠状态的大山雀与（B）警觉状态的大山雀 请点击此处查看该图的放大版本。

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结果

使用该系统发表的同行评审研究文章已在表2中进行总结。另有数篇论文正在撰写中。这些研究涉及三大类科学问题。首先，该系统已被用于研究光照暴露对成年个体睡眠行为和活动水平的影响。为此，研究采用了重复测量实验设计，即同一受试个体首先在自然条件下记录其睡眠情况，随后在有光照的巢箱中记录其睡眠。参与这些研究的所有个体均佩戴了PIT标签，研究人员可使用手持式应答器读取器在不干扰鸟类的情况下，确认同一受试个体在连续夜晚中均在巢箱内睡眠。

已有研究记录了人工夜间光照（ALAN）暴露对睡眠行为的显著影响。例如，暴露于1.6 lux强度ALAN下的大山雀（great tits）——这一光照强度相对较低，自由生活的动物很可能经历此类水平——比对照组鸟类早醒30分钟，早20分钟离开巢箱，并且睡眠时间减少40分钟（图4）16。有趣的是，ALAN对睡眠的影响可能取决于其他变量，例如光照强度和季节。支持这一假设的研究发现，ALAN对雌性大山雀睡眠行为的影响在育雏期明显大于冬...

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讨论

这种基于巢箱的LED灯系统及其配对的红外相机，使研究人员能够探讨一系列关于人工夜间光照（ALAN）生物效应的引人关注的问题。此外，该系统还可用于拓展许多其他研究方向。同时，将该系统的应用扩展至其他物种，有助于增进对不同物种间ALAN敏感性差异的理解。下文列举了一些非穷尽性的未来研究可能性，期望本文能推动这一重要领域的进一步研究。结论部分简要重申了该实验方法的优势，并讨论了该系统的局限性。

该系统可用于解答许多关于人工夜间光照（ALAN）如何影响自由活动的动物或半圈养条件下动物的重要问题。首先，迄今为止的研究大多仅涉及相对较短时间的ALAN暴露以及短期生物学效应监测。因此，目前对短期ALAN暴露的长期影响尚不清楚，也不了解鸟类若持续暴露于ALAN数天、数周甚至整个生命周期会引发何种后果（参见26，该文献近期报道了ALAN长期暴露对双斑蟋蟀Gryllus bimaculatus的重要性）。例如，短期ALAN暴露是否会对健康状况和生物衰老速率产生长期影响？长期ALAN暴露是否会导致生理应激和加速衰老，其效应与短期暴露是相似...

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披露

作者声明不存在利益冲突。

致谢

我们的研究项目涉及人工夜间光照（ALAN）对鸟类的生物学效应，获得了佛兰德研究基金会（FWO Flanders）（资助M.E.和R.P.，项目编号：G.0A36.15N）、安特卫普大学以及欧洲委员会（资助M.L.G.，玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里学者基金编号：799667）的经费支持。我们感谢安特卫普大学行为生态学与生态生理学研究组成员在学术和实验技术方面提供的支持，特别是Peter Scheys和Thomas Raap。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
广谱；15 mm × 5 mm；LED 前照灯RANEX；Gilze；Nederlands6000.217也可使用类似型号
电池BYDR1210A-C铁电池 12 V 120 Wh（磷酸铁锂电池）
深绿色油漆可选。用于为巢箱/电子外壳着色
电工胶带用于电子设备
自制定时系统AmazonYP109A 12V也可使用类似型号
红外相机Koberts-Goods, Melsungen, DE205-IR-L微型相机；也可使用类似型号
光照度计ISO-Tech ILM；Corby；UK1335用于校准光照强度
微型DVR录像机Pakatak, Essex, UKMD-101带32 GB存储卡的监控用微型SD车载DVR
被动集成应答器（PIT）标签Eccel Technology Ltd, Aylesbury, UKEM4102125 kHz；提供唯一的电子识别码
射频识别（RFID）读取器Trovan, Aalten, NetherlandsGR-250用于扫描PIT标签以确定鸟类身份
电阻器RS Components阻值根据电池电压和照明条件确定
SD卡SanDisk64 GB 或更大容量
SongMeterWildlife Acoustics; Maynard, MA可选。用于监测巢箱外部的鸟类鸣叫
TFT彩色LED便携式测试监视器Walmart用于确认相机已开启并正确录制图像
木材用于制作巢箱/电子设备外壳

参考文献

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