夜間の人工光(ALAN)は、広範囲に及ぶ生物学的効果を有する。この記事では、バッテリー、タイマー、およびオーディオ対応赤外線ビデオカメラに結合されたLEDライトで構成される、動作を監視しながらネストボックス内のALANを操作するシステムについて説明します。 研究者は、このシステムを使用して、ALANが生物に及ぼす影響に関する多くの未解決の疑問を探求することができます。
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夜間の人工光(ALAN)は、広範囲に及ぶ生物学的効果を有する。この記事では、バッテリー、タイマー、およびオーディオ対応赤外線ビデオカメラに結合されたLEDライトで構成される、動作を監視しながらネストボックス内のALANを操作するシステムについて説明します。 研究者は、このシステムを使用して、ALANが生物に及ぼす影響に関する多くの未解決の疑問を探求することができます。
動物は光と闇の自然なパターンで進化してきました。しかし、人工光は、人間のインフラやレクリエーション活動から環境にますます導入されています。夜間の人工光(ALAN)は、動物の行動、生理学、フィットネスに広範な影響を与える可能性があり、人口やコミュニティに広範な影響を与える可能性があります。放し飼いの動物に対するALANの影響を理解することは、移動生物が遭遇する光のレベルを測定し、ALANの影響を他の人為的外乱要因の影響から分離するなどの課題のために、自明ではありません。ここでは、巣箱内の光レベルを実験的に操作することによって、個々の動物に対する人工光曝露の影響を分離できるアプローチについて説明します。この目的のために、発光ダイオード(LED)ライトをプレートに接着し、バッテリおよびタイマーシステムに接続するシステムを用いることができる。このセットアップにより、巣箱内の個人をALANのさまざまな強度と持続時間にさらしながら、同時にオーディオを含むビデオ録画を取得できます。このシステムは、放し飼いのオオシジュウカラ(Parus major)と青いシジュウカラ(Cyanistes caeruleus)に関する研究で使用され、ALANが成人の睡眠と活動パターン、および雛の発達における生理学とテロメアダイナミクスにどのように影響するかについての洞察を得ています。このシステムまたはその適応は、ALANが他の外乱因子とどのように相互作用し、生体エネルギーバランスに影響を与えるかなど、他の多くの興味深い研究上の質問に答えるために使用することができる。さらに、同様のシステムを様々な種の巣箱、巣箱、巣穴の中または近くに設置して、ALANのレベルを操作し、生物学的反応を評価し、種間視点の構築に取り組むことができる。特に、自由生活動物の行動と動きを監視するための他の高度なアプローチと組み合わせると、このアプローチはALANの生物学的影響の理解に継続的な貢献をもたらすことを約束します。
動物は、昼と夜を定義する光と闇の自然なパターンで進化してきました。したがって、ホルモン系の概日リズムは、休息と活動パターンを調整し、動物がフィットネスを最大化することを可能にします1,2,3。例えば、グルココルチコイドホルモンの概日リズムは、日常活動の開始時にピークを有し、脊椎動物がグルコース代謝および環境ストレッサーに対する応答性に及ぼす影響を介して、24時間にわたって適切に行動するようにプライミングする4。同様に、暗闇に応答して放出される松果体ホルモンのメラトニンは、概日リズミシティの支配パターンに一体的に関与し、抗酸化特性も有する5,6。メラトニン放出などの概日リズミシティの多くの側面の巻き込みは、環境中の光のレベルを光受容することによって影響を受ける。したがって、人間の活動、レクリエーション、およびインフラストラクチャをサポートするために環境に人工光を導入することは、放し飼いの動物の行動、生理学および適応度に広範な影響を与える可能性を秘めている7,8。実際、夜間の人工光への曝露(ALAN)の多様な影響は9,10で文書化されており、ALANは21世紀の地球変動研究の優先事項として強調されています10。
放し飼いの動物に対するALANの効果を測定することは、多くの理由で自明ではない課題を提起します。第一に、環境中を移動する移動動物は、常に異なるレベルの光を経験します。では、個々の動物がさらされる光のレベルをどのように定量化すればよいのでしょうか。動物の領域上の光のレベルを定量化できたとしても、動物は曝露パターンに影響を与える回避戦略を採用する可能性があり、したがって、動物の位置と光レベルの同時追跡を必要とする。実際、ほとんどのフィールド研究では、光曝露レベルの平均と変動は不明です11。第二に、ALANへの曝露は、騒音公害、化学物質曝露、生息地の劣化などの他の人為的障害要因への曝露としばしば相関している。例えば、道路の縁に沿って生息地を占有している動物は、街路灯からの光、車両交通からの騒音、および車両排出物による大気汚染にさらされます。それでは、ALANの効果を交絡変数の影響から効果的に分離するにはどうすればよいでしょうか。光曝露レベルと応答変数の両方の良好な測定を可能にする厳格な野外実験は、ALANの生物学的影響の重症度を評価し、効果的な緩和戦略を開発するために不可欠である11。
この記事では、制限がないわけではありませんが(議論のセクションを参照)、上記で特定された困難を排除するものではないにしても、緩和に役立つ実験的なアプローチについて説明します。このアプローチでは、発光ダイオード(LED)ライトのシステムと巣箱内に設置された赤外線(IR)カメラを使用して、自由に生活する日周の鳥種であるオオシジュウカラ(Parus major)の巣箱内のALANレベルを実験的に操作します。このセットアップにより、オーディオを含むビデオ録画の同時取得が可能になり、研究者は行動や発声への影響を評価できます。大きなおっぱいは繁殖のために巣箱を利用し、11月から3月の間は巣箱で眠ります。雌はまた、繁殖期12の間に巣箱の中で眠る。このシステムはまた、青いおっぱい(Cyanistes caeruleus)に対するALANの効果を研究するために、より少ない程度で使用されています。動物が遭遇する光レベルを知ることを含む最初の困難は、個体が巣箱に入ることをいとわない(または不動の雛の場合にはすでに巣箱に入っている)ことを考えると、光レベルは研究者によって正確に決定され得るという点で軽減される。交絡変数との相関関係を含む第2の困難は、同様の環境でネストボックスを使用したり、ネストボックスの近くの交絡変数のレベルを測定したりすることによって制御できます。さらに、空洞巣の鳥類では、巣箱や自然の空洞が雛や成虫をALAN13から守ることができるため、実験的アプローチを採用することは強力であり、相関研究の中にはALAN(または人為的ノイズ)の影響がほとんど見られない理由が説明できる14が、実験的研究ではより頻繁に明確な効果が見られる(下記参照)。さらに、個人が自分のコントロールとして機能する反復測定実験計画を採用することができ、統計的検出力と意味のある生物学的効果を検出する確率がさらに高まります。以下のセクションでは、(1)システムの設計と実装の詳細を説明し、(2)これまでにシステムを使用して導き出された重要な結果を要約し、(3)おっぱいと他の動物の両方で追求できる将来の研究の方向性を提案します。
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動物実験へのこのシステムのすべての適用は、アントワープ大学の倫理委員会によって承認され、ベルギーとフランドルの法律に従って実施されました。方法論は、行動研究における動物の使用に関するASAB / ABSガイドラインに準拠しています。ベルギー王立自然科学研究所(Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen;KBIN)は、すべての研究者および職員にライセンスを提供しました。
1. 実験システムの構築

図1:IRカメラとLEDライトで構成される2つのシステムは、ネストボックス内のALANを操作するために使用されていました。(A)古いシステムを所定の位置に保持するプレートを備えたネストボックスの上面図。(B)10個のIR LEDでALANと中央カメラを操作するための1つの広域スペクトルLEDを備えた古いシステム (c)4つの広域スペクトルLEDを備えた新しいシステムと4つのIR LEDを備えた中央IRカメラ。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図 2: ALAN およびビデオ録画の動作を操作するために使用される自家製のバッテリとタイマー ユニット 。(A) ユニットは、巣箱の上に取り付けられた木箱に囲まれています。(B)ユニット内の電子機器の図。コネクタは、巣箱の内側から木製の筐体に伸びて、電子機器をIRカメラと広域スペクトルLEDに接続します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
2. 実験を計画し、ALANの強度とタイミングを調整する
| ソース/露出レベル | 強度(ルクス) |
| 完全な日差し | 103000 |
| 満月の光 | 0.05–1 |
| アーバンスカイグロー | 0.2–0.5 |
| 自由生活のヨーロッパクロウタドリの暴露 | 0.2 (0.07–2.2) |
| 本システムを用いた過去の実験的研究 | 1–3 |
| LED街路灯 | ~10 |
| 低圧ナトリウム街路灯 | ~10 |
| 高圧ナトリウム | ~10 |
| 花の照明 | 300 |
| メタルハライド | 400–2000 |
表1:環境3、9における特徴的な光強度、放し飼いの鳥類41の曝露レベル、およびこのシステムを用いた過去の研究で用いた強度(表2の参考文献)。
3. ALAN へのエクスポージャーの実施

図3:ALANにさらされた巣箱の中の大きなおっぱいの赤外線画像(A)眠っていることと(B)大きなおっぱいを警告するこの図の拡大版を見るにはここをクリックしてください。
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このシステムを使用して公開された査読付き研究論文を 表2にまとめた。他にもいくつかの写本が進行中です。これらの研究は、研究課題の3つの主要なスイートに対処しています。第一に、このシステムは、成人の睡眠行動および活動レベルに対する光曝露の影響を研究するために使用されている。この目的のために、同じ個体が最初に自然条件下での睡眠を記録し、続いて照明付きの巣箱で睡眠を記録する反復測定実験計画が採用された。これらの研究で使用されたすべての個体にPITタグが取り付けられており、研究者は鳥を邪魔することなくハンドヘルドトランスポンダリーダーを使用して、同じ個体がその後の夜の間に巣箱で眠っていることを確認することができました。
睡眠行動に対するALAN曝露の劇的な影響が文書化されている。例えば、放し飼いの動物が経験する可能性が高い比較的低い強度である1.6ルクスの強度でALANにさらされた大きなおっぱいは、30分早く目を覚まし、20分早く巣箱を出て、対照の鳥よりも40分短く眠りました(図4)
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LEDライトとペアのIRカメラのこのネストボックスベースのシステムにより、研究者はALANの生物学的効果に関するさまざまな興味深い質問を評価することができました。さらに、このシステムで追求できる研究の方向性は他にもたくさんあります。さらに、このシステムの使用を他の種に拡大することは、ALANに対する感受性の種間差の理解を促進するのに役立つ可能性がある。以下に、この論文がこの重要な分野の研究の動機付けに役立つことを期待して、将来の研究のためのいくつかの網羅的ではない可能性を提示します。この結論は、この実験的アプローチの強みを簡単に繰り返し、システムの限界に対処しています。
このシステムは、ALANが放し飼いの動物や半飼育下の動物にどのように影響するかに関する多くの未解決の質問に答えるために使用することができます。第一に、これまでの研究は、比較的短期間のALAN曝露と生物学的影響の短期モニタリングを含んでいた。したがって、短期間のALAN曝露の長期的な影響、または鳥が何日も、何週間も、または全寿命にわたってALANに曝露された場合に何が起こるかについては、ほとんど知られていない(クリケ...
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著者らは、利益相反はないと宣言している。
ALANの鳥類に対する生物学的影響に関する私たちの研究プログラムは、FWOフランダース(M.E.およびR.P.、プロジェクトID:G.0A36.15N)、アントワープ大学、欧州委員会(M.L.G、Marie Skłodowska-CurieフェローシップID:799667)から資金提供を受けています。我々は、アントワープ大学の行動生態学及び生態生理学研究グループのメンバー、特にピーター・シェイズ及びトーマス・ラープの知的及び技術的支援を認める。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ブロードスペクトラム、15 mm x 5 mm;LEDヘッドライト | RANEX;ギルゼ;Nederlands | 6000.217 | モデルも使用できます |
| バッテリーBYD | R1210A-C | Feバッテリー12 V 120 Wh(リン酸鉄リチウムバッテリー) | |
| ダークグリーンペイント | オプション。巣箱/電子エンクロージャーを着色するには | ||
| 電気テープ | 電子機器用 | ||
| 自家製タイマーシステム | アマゾン | YP109A 12V | 同様のモデルも使用できます |
| 赤外線カメラ | Koberts-Goods, Melsungen, DE | 205-IR-L | ミニカメラ; 同様のモデルも使用できます |
| 光レベルメーター | ISO-Tech ILM;コービー;UK | 1335 | 光強度を校正するには |
| ミニ DVR ビデオ レコーダー | パカタック、エセックス、英国 | MD-101 | 監視 DVR レコーダー ミニ SD カー DVR 32 GB |
| パッシブ統合トランスポンダー (PIT) タグ | Eccel Technology Ltd, Aylesbury, UK | EM4102 | 125 Kh;独自の電子IDを提供 |
| 無線周波数識別(RFID)リーダー | トロバン、アールテン、オランダ | GR-250 | PITタグをスキャンし、鳥の識別を決定するには |
| 抵抗器 | RSコンポーネント | 電圧、バッテリー、照明に応じた値 | |
| SDカード | SanDisk | 64 GB以上 | |
| SongMeter Wildlife | Acoustics;マサチューセッツ州 | オプション。巣箱の外で発声を監視する手段を提供します | |
| TFTカラーLEDポータブルテストモニター | ウォルマート | カメラがオンになっていて、画像を正しく記録していることを確認できます | |
| 木 | 巣箱/電子エンコルシュアを構築するには |
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