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。
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本文内容
摘要
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.
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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
- 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）。 - 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。
- 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）。<....
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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
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 广谱；15 mm × 5 mm；LED 前照灯 | RANEX；Gilze；Nederlands | 6000.217 | 也可使用类似型号 |
| 电池 | BYD | R1210A-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 | Amazon | YP109A 12V | 也可使用类似型号 |
| 红外相机 | Koberts-Goods, Melsungen, DE | 205-IR-L | 微型相机；也可使用类似型号 |
| 光照度计 | ISO-Tech ILM；Corby；UK | 1335 | 用于校准光照强度 |
| 微型DVR录像机 | Pakatak, Essex, UK | MD-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, UK | EM4102 | 125 kHz；提供唯一的电子识别码 |
| 射频识别（RFID）读取器 | Trovan, Aalten, Netherlands | GR-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 | SanDisk | 64 GB 或更大容量 | |
| SongMeter | Wildlife 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
- Gwinner, E., Brandstätter, R. Complex bird clocks. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B. 356 (1415), 1801-1810 (2001).
- Dominoni, D., Helm, B., Lehmann, M., Dowse, H. B., Partecke, J. Clocks for the city: circadian diff....
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