Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

نهج تجريبي للتحقيق في آثار الضوء الاصطناعي في الليل على الحيوانات الحرة: التنفيذ والنتائج والاتجاهات للبحوث المستقبلية

Published: February 2, 2022 doi: 10.3791/63381
Automatic Translation
1, 1, 1,2, 1, 1
1Department of Biology, Behavioural Ecology and Ecophysiology Group, University of Antwerp, 2Faculty of Social Sciences, Antwerp School of Education, University of Antwerp

Summary

الضوء الاصطناعي في الليل (ALAN) له تأثيرات بيولوجية واسعة النطاق. توضح هذه المقالة نظاما لمعالجة ALAN داخل مربعات العش أثناء مراقبة السلوك ، يتكون من مصابيح LED مقترنة ببطارية ومؤقت وكاميرا فيديو تعمل بالأشعة تحت الحمراء قادرة على الصوت. يمكن للباحثين استخدام هذا النظام لاستكشاف العديد من الأسئلة المعلقة المتعلقة بآثار ALAN على الكائنات الحية.

Abstract

تطورت الحيوانات مع أنماط طبيعية من الضوء والظلام. ومع ذلك ، يتم إدخال الضوء الاصطناعي بشكل متزايد في البيئة من البنية التحتية البشرية والنشاط الترفيهي. الضوء الاصطناعي في الليل (ALAN) لديه القدرة على أن يكون له آثار واسعة النطاق على سلوك الحيوان ، وعلم وظائف الأعضاء ، واللياقة البدنية ، والتي يمكن أن تترجم إلى آثار أوسع نطاقا على السكان والمجتمعات. إن فهم آثار ALAN على الحيوانات الحرة النطاق ليس تافها بسبب تحديات مثل قياس مستويات الضوء التي تواجهها الكائنات الحية المتنقلة وفصل آثار ALAN عن تأثيرات عوامل الاضطراب البشرية المنشأ الأخرى. هنا نصف نهجا يسمح لنا بعزل آثار التعرض للضوء الاصطناعي على الحيوانات الفردية عن طريق التلاعب التجريبي بمستويات الضوء داخل صناديق العش. تحقيقا لهذه الغاية ، يمكن استخدام نظام يتكون من ضوء (ضوء) الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) الملتصق بلوحة ومتصل بنظام بطارية ومؤقت. يسمح الإعداد بتعرض الأفراد داخل صناديق العش لدرجات ومدد مختلفة من ALAN مع الحصول في نفس الوقت على تسجيلات الفيديو ، والتي تشمل أيضا الصوت. وقد استخدم هذا النظام في الدراسات التي أجريت على الثدي الكبير الحر (Parus major) والثدي الأزرق (Cyanistes caeruleus) لاكتساب نظرة ثاقبة حول كيفية تأثير ALAN على أنماط النوم والنشاط لدى البالغين وعلم وظائف الأعضاء وديناميكيات التيلومير في تطوير الأعشاش. يمكن استخدام النظام ، أو تكييفه ، للإجابة على العديد من الأسئلة البحثية الأخرى المثيرة للاهتمام ، مثل كيفية تفاعل ALAN مع عوامل الاضطراب الأخرى والتأثير على توازن الطاقة الحيوية. علاوة على ذلك ، يمكن تركيب أنظمة مماثلة في أو بالقرب من صناديق الأعشاش أو الأعشاش أو الجحور لمجموعة متنوعة من الأنواع للتعامل مع مستويات ALAN ، وتقييم الاستجابات البيولوجية ، والعمل على بناء منظور متعدد الأنواع. خاصة عندما يقترن هذا النهج بمناهج متقدمة أخرى لمراقبة سلوك وحركة الحيوانات الحية الحرة ، فإنه يعد بتقديم مساهمات مستمرة في فهمنا للآثار البيولوجية ل ALAN.

Introduction

تطورت الحيوانات مع الأنماط الطبيعية للضوء والظلام التي تحدد الليل والنهار. وبالتالي ، فإن إيقاعات الساعة البيولوجية في الأنظمة الهرمونية تنظم أنماط الراحة والنشاط وتسمح للحيوانات بزيادة اللياقة البدنية إلى أقصى حد1،2،3. على سبيل المثال ، فإن إيقاع الساعة البيولوجية في هرمونات الجلوكورتيكويد ، مع ذروة في بداية النشاط اليومي ، يهيئ الفقاريات للتصرف بشكل مناسب خلال فترة 24 ساعة من خلال التأثيرات على استقلاب الجلوكوز والاستجابة للضغوطات البيئية4. وبالمثل ، فإن هرمون الميلاتونين الصنوبري ، الذي يتم إطلاقه استجابة للظلام ، يشارك بشكل متكامل في إدارة أنماط إيقاع الساعة البيولوجية وله أيضا خصائص مضادة للأكسدة 5,6. يتأثر تقييد العديد من جوانب إيقاع الساعة البيولوجية ، مثل إطلاق الميلاتونين ، بالاستقبال الضوئي لمستويات الضوء في البيئة. وبالتالي ، فإن إدخال الضوء الاصطناعي في البيئة لدعم النشاط البشري والترفيه والبنية التحتية لديه القدرة على أن يكون له آثار واسعة النطاق على السلوك وعلم وظائف الأعضاء واللياقة البدنية للحيوانات الحرة 7,8. في الواقع ، تم توثيق الآثار المتنوعة للتعرض للضوء الاصطناعي في الليل (ALAN) 9,10 ، وتم تسليط الضوء على ALAN كأولوية لأبحاث التغيير العالمي في القرن 21st 10.

يشكل قياس آثار ALAN على الحيوانات الحرة تحديات غير تافهة لعدد من الأسباب. أولا ، الحيوانات المتنقلة التي تتحرك عبر البيئة تواجه باستمرار مستويات مختلفة من الضوء. وبالتالي ، كيف يمكن للمرء أن يحدد مستوى الضوء الذي تتعرض له الحيوانات الفردية؟ حتى لو كان من الممكن تحديد مستويات الضوء على أراضي الحيوان كميا ، فقد يستخدم الحيوان استراتيجيات تجنب تؤثر على أنماط التعرض ، وبالتالي يتطلب تتبعا متزامنا لموقع الحيوان ومستويات الضوء. في الواقع ، في معظم الدراسات الميدانية ، يكون المتوسط والتباين في مستويات التعرض للضوء غير معروفين11. ثانيا ، غالبا ما يرتبط التعرض ل ALAN بالتعرض لعوامل اضطراب بشرية المنشأ أخرى ، مثل التلوث الضوضائي ، والتعرض للمواد الكيميائية ، وتدهور الموائل. على سبيل المثال ، ستتعرض الحيوانات التي تحتل موائل على طول هوامش الطرق للضوء من مصابيح الشوارع ، والضوضاء الناتجة عن حركة مرور المركبات ، وتلوث الهواء من انبعاثات المركبات. كيف إذن يمكن للمرء أن يعزل بشكل فعال آثار ALAN عن آثار المتغيرات المربكة؟ تعد التجارب الميدانية الصارمة التي تمكن من إجراء قياسات جيدة لكل من مستويات التعرض للضوء ومتغيرات الاستجابة ضرورية لتقييم شدة الآثار البيولوجية ل ALAN ، ولتطوير استراتيجيات تخفيف فعالة11.

تصف هذه المقالة نهجا تجريبيا يساعد على تخفيف الصعوبات المحددة أعلاه، إن لم يكن القضاء عليها، وإن لم يكن بدون قيود (انظر قسم المناقشة). وينطوي هذا النهج على التلاعب التجريبي بمستويات آلان داخل صناديق العش الخاصة بأنواع الطيور النهارية التي تعيش بحرية، وهي الحلمة العظيمة (Parus major)، باستخدام نظام من مصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) وكاميرا الأشعة تحت الحمراء (IR) المثبتة داخل صناديق العش. يتيح الإعداد الحصول المتزامن على تسجيلات الفيديو ، بما في ذلك الصوت ، مما يسمح للباحثين بتقييم التأثيرات على السلوكيات والأصوات. تستخدم الثدي الكبيرة صناديق العش للتكاثر ، وتنام في صناديق العش بين نوفمبر ومارس. تنام الإناث أيضا داخل صناديق العش خلال موسم التكاثر12. كما تم استخدام النظام بدرجة أقل لدراسة آثار ALAN على الثدي الأزرق (Cyanistes caeruleus). يتم تخفيف الصعوبة الأولى ، التي تنطوي على معرفة مستويات الضوء التي يواجهها الحيوان ، في ذلك ، بالنظر إلى أن الفرد على استعداد لدخول صندوق العش (أو هو بالفعل في صندوق العش في حالة الأعشاش غير المتحركة) ، يمكن تحديد مستويات الضوء بدقة من قبل الباحث. يمكن التحكم في الصعوبة الثانية ، التي تنطوي على ارتباطات بالمتغيرات المربكة ، باستخدام صناديق العش في بيئات مماثلة ، و / أو قياس مستويات المتغيرات المربكة بالقرب من صناديق العش. بالإضافة إلى ذلك ، في الطيور التي تعشش في التجويف ، يعد اعتماد نهج تجريبي قويا لأن صناديق العش أو التجاويف الطبيعية يمكن أن تحمي الأعشاش والبالغين من ALAN13 ، مما قد يفسر لماذا تجد بعض الدراسات المرتبطة تأثيرا ضئيلا ل ALAN (أو الضوضاء البشرية المنشأ)14 ، في حين أن الدراسات التجريبية غالبا ما تجد تأثيرات واضحة (انظر أدناه). علاوة على ذلك ، يمكن اعتماد تصميم تجريبي متكرر للمقاييس يعمل فيه الأفراد كعنصر تحكم خاص بهم ، مما يزيد من القوة الإحصائية ، واحتمال اكتشاف تأثيرات بيولوجية ذات مغزى. الأقسام أدناه: (1) شرح تفاصيل تصميم وتنفيذ النظام ، (2) تلخيص النتائج الهامة التي تم استخلاصها حتى الآن باستخدام النظام ، و (3) اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية التي يمكن اتباعها ، سواء في الثدي أو الحيوانات الأخرى.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تمت الموافقة على جميع تطبيقات هذا النظام على التجارب على الحيوانات من قبل اللجنة الأخلاقية بجامعة أنتويرب وأجريت وفقا للقوانين البلجيكية والفلمنكية. التزمت المنهجية بالمبادئ التوجيهية ASAB / ABS لاستخدام الحيوانات في البحوث السلوكية. المعهد الملكي البلجيكي للعلوم الطبيعية (Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen; KBIN) قدمت تراخيص لجميع الباحثين والموظفين.

1. إنشاء النظام التجريبي

  1. احصل على مصباح (ق) LED واسع الطيف لاستخدامه في إنشاء ALAN. خذ مصباح (مصابيح) LED من مصباح LED أمامي. استخدم إما مصباح LED واحد أو مصابيح LED متعددة (على سبيل المثال ، 4) واسعة الطيف للحصول على إضاءة أكثر انتشارا (الشكل 1).
    ملاحظة: كتعديل، يمكن استخدام مصابيح LED ذات الخصائص الطيفية المختلفة (على سبيل المثال، الأحمر مقابل الأزرق) ولكن يجب الحصول عليها من مصدر مختلف (انظر المادة التكميلية ل Grunst et al. 201915 للاطلاع على الخصائص الطيفية لمصابيح LED المستخدمة في الدراسات السابقة باستخدام هذا النظام).
  2. تصميم نظام لتركيب مصابيح LED جنبا إلى جنب مع كاميرا الأشعة تحت الحمراء للسماح بالمراقبة السلوكية. يمكن للباحثين تحقيق هذه الغاية بعدة طرق.
    1. الخيار 1. أدخل مصباح LED واحد واسع الطيف في صندوق العش بشكل منفصل في أنبوب بلاستيكي مجاور لكاميرا الأشعة تحت الحمراء مثبتة بمادة لاصقة على لوحة بلاستيكية أو معدنية تتناسب مع صندوق العش (الشكل 1A ، B).
    2. الخيار 2. قم بتركيب كاميرا الأشعة تحت الحمراء في وضع مركزي على لوحة بلاستيكية أو معدنية ثم قم بتركيب مصابيح LED في مواضع ثابتة على اللوحة المحيطة بكاميرا الأشعة تحت الحمراء (الشكل 1C).
  3. تصميم وسيلة لتوصيل النظام بمصدر طاقة (بطارية) ومؤقت.
    1. استخدم سكينا أو مثقبا لصنع بساتين في جانب صندوق العش يمكن من خلالها تمديد موصلات الأسلاك لتوصيل النظام ببطارية Fe (12 فولت ؛ 120 واط في الساعة) ومؤقت محلي الصنع (12 فولت).
    2. تصميم حاوية خشبية خضراء داكنة تتطابق مع صندوق العش في التلوين والطول والعرض (على سبيل المثال ، كانت صناديق العش المستخدمة في الدراسات السابقة أبعادها: 120 مم × 155 مم × 250 مم) ، ومع فتح جانب واحد عبر مفصلة لإيواء البطارية ، ومسجل الفيديو ، ونظام مؤقت لمصابيح LED (الشكل 2 ؛ الشكل التكميلي 1 والشكل التكميلي 2).
  4. تصميم وسيلة يمكن من خلالها ضبط كثافة ALAN.
    1. احصل على مقاوم (تعتمد القيمة على جهد البطارية والإضاءة) وقم بتوصيله في سلسلة بمصباح LED (LED).
  5. تصميم صناديق "وهمية" بنفس أبعاد العبوات التي تضم المؤقت والبطارية لاستخدامها في تعويد الطيور على النظام (أي كما في الشكل 2A ، ولكن بدون الإلكترونيات الداخلية).
    ملاحظة: يناقش القسمان 2 و 3 الطرق خطوة بخطوة المستخدمة لدراسة آثار ALAN على الكائن البؤري.

Figure 1
الشكل 1: نظامان يتألفان من كاميرات الأشعة تحت الحمراء وضوء (ضوء) LED المستخدم لمعالجة ALAN داخل صناديق العش . (أ) المنظر العلوي لصندوق العش مع لوحة تحمل النظام القديم في مكانه. (ب) نظام أقدم مع 1 LED واسع الطيف لمعالجة ALAN والكاميرا المركزية مع 10 مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء (ج) نظام أحدث مع 4 مصابيح LED واسعة الطيف وكاميرا الأشعة تحت الحمراء المركزية مع 4 مصابيح LED تعمل بالأشعة تحت الحمراء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: البطارية محلية الصنع ووحدة المؤقت المستخدمة لمعالجة سلوك ALAN وتسجيل الفيديو . (أ) الوحدة محاطة داخل صندوق خشبي مثبت أعلى صندوق العش. (ب) عرض الإلكترونيات داخل الوحدة. تمتد الموصلات من داخل صندوق العش إلى العلبة الخشبية لتوصيل الإلكترونيات بكاميرا الأشعة تحت الحمراء ومصابيح LED واسعة الطيف. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. تخطيط التجربة وضبط كثافة وتوقيت آلان

  1. تحديد شدة الضوء المطلوبة التي تعرض لها الحيوانات.
    1. فكر بعناية في شدة الضوء التجريبية التي يجب استخدامها لإنتاج نتائج ذات مغزى تجيب على سؤال البحث. وبوجه عام، سيعني ذلك اختيار شدة الضوء ذات الصلة بالبيئة، والتي من المرجح أن تواجهها الحيوانات الحرة النطاق (انظر الجدول 1 للحصول على الإرشادات).
  2. اضبط مصابيح LED على شدة الضوء المطلوبة (على سبيل المثال ، 1-3 لوكس ، كما هو مستخدم في الدراسات السابقة ؛ الجدول 1 والجدول 2).
    1. قبل وضعه في الحقل ، ضع النظام على صندوق عش يؤخذ إلى المختبر لمعايرة شدة الضوء. قم بتوصيل مصابيح LED بمصدر الطاقة، كما هو موضح أدناه (قسم البروتوكول 3).
    2. اضبط الضوء المنبعث من مصابيح LED على الكثافة المطلوبة (lux) عن طريق وضع مقياس ضوء على مستوى الطائر داخل صندوق العش (~ 8 سم من الأسفل) وفي نفس الوقت ضبط المقاوم في سلسلة مع مصابيح LED.
      ملاحظة: من الممكن تحقيق كثافة إضاءة منخفضة جدا (على سبيل المثال، مستويات توهج السماء الريفية؛ 0.01 لوكس).
  3. حدد الإطار الزمني لتعريض الحيوانات ل ALAN.
    1. تحديد طول وتوقيت التعرض طوال الليل. على سبيل المثال ، يمكن للمرء أن يعرض الحيوانات على ALAN طوال الليل ، لجزء فقط من الليل ، أو يترك فترة من الظلام في منتصف الليل لتقليل درجة الاضطراب.
    2. في الحالات التي يجب أن يدخل فيها إلى صندوق العش (أو منطقة محددة) ليتعرض ل ALAN ، فكر أيضا في ما إذا كان يجب تشغيل الضوء قبل أو بعد احتمال حدوث حدث الدخول.
  4. اضبط المؤقت للتحكم في فترة التعرض للضوء أثناء الليل.
    1. اضبط المؤقت المتصل بمصابيح LED واسعة الطيف بحيث يتم تشغيل الضوء وإيقافه في فترات محددة (على سبيل المثال ، في 2 ساعة على الأقل قبل غروب الشمس ؛ إيقاف 2 ساعة بعد شروق الشمس).
      ملاحظة: تسمح كاميرا الأشعة تحت الحمراء بتسجيل سلوك الحيوان في وقت واحد طوال مدة التعرض للضوء وستكون قيد التشغيل طالما أنها متصلة ببطارية مشحونة.
  5. تحديد التصميم التجريبي المناسب للاستخدام في سؤال (أسئلة) البحث المستهدف.
    ملاحظة: بالنسبة لبعض الأسئلة، سيكون التصميم التجريبي للمقاييس المتكررة هو الخيار الأقوى (على سبيل المثال، كيف يؤثر التعرض ل ALAN على سلوك النوم؟). بالنسبة للآخرين ، ستكون هناك حاجة إلى مجموعات ضابطة وتجريبية مقترنة (على سبيل المثال ، كيف يؤثر التعرض ل ALAN على فقدان التيلومير في الأعشاش النامية؟).
المصدر/مستوى التعرض الكثافة (لوكس)
ضوء الشمس الكامل 103000
ضوء القمر الكامل 0.05–1
توهج السماء الحضرية 0.2–0.5
التعرض للطيور الشحرور الأوروبية التي تعيش بحرية 0.2 (0.07–2.2)
الدراسات التجريبية السابقة باستخدام النظام 1–3
أضواء الشوارع LED ~ 10
أضواء الشوارع الصوديوم منخفضة الضغط ~ 10
الصوديوم عالي الضغط ~ 10
الإضاءة الفلورسنت 300
هاليد معدني 400–2000

الجدول 1: شدة الضوء المميزة في البيئة 3,9، ومستويات تعرض الطيور الحرة المدى41، والشدة المستخدمة في الدراسات السابقة باستخدام هذا النظام (المراجع في الجدول 2).

3. تنفيذ التعرض ل ALAN

  1. اعتاد الحيوانات على الإعداد التجريبي.
    1. إذا كان ذلك ممكنا في سياق التجربة ، اعتاد الحيوانات على الإعداد عن طريق وضع صناديق وهمية في الجزء العلوي من صناديق العش قبل يوم واحد على الأقل من التجربة لتقليل آثار النفور من الجدة.
  2. مسح الأفراد المنسقين.
    1. تناسب الحيوانات في مجتمع الدراسة مع علامات جهاز الإرسال والاستقبال التكاملي السلبي (PIT) للسماح بتحديد الهوية داخل صناديق العش دون إزعاج الطيور.
    2. في التجارب التي تنطوي على تأثير ALAN على سلوك النوم ، قم بزيارة صناديق العش في الليلة السابقة للتجربة ومسح الصناديق باستخدام قارئ تحديد الترددات اللاسلكية (RFID) لتحديد الطيور التي تجثم في الداخل.
    3. في التجارب خلال موسم التكاثر التي تنطوي على تعرض الأعشاش النامية ل ALAN ، راقب باستمرار (على سبيل المثال ، كل يومين) صناديق العش ، وتحقق من محتويات العش وهوية البالغين. اختر بعناية صناديق العش التي تحتوي على حضنات ذات خصائص معينة (أي حجم الحضنة المشروطة ، وكلا الوالدين الحاضرين والتغذية) لاستخدامها في التجربة.
  3. حدد التجربة ونفذها.
    1. بالنسبة للتجارب التي تنطوي على سلوك النوم ، قم بتنفيذ تصميم مقاييس متكررة عن طريق تسجيل الأفراد الذين ينامون في ظروف الظلام أولا لمدة ليلة واحدة على الأقل لتسجيل النوم دون إزعاج في غياب ALAN (العلاج الضابط) باتباع الخطوات 3.3.2-3.3.21.
    2. تحقيقا لهذه الغاية ، تأكد من مزامنة الوقت على كاميرات الأشعة تحت الحمراء مع التوقيت المحلي قبل نقلها إلى الميدان.
    3. أدخل بطاقة SD في فتحة SD في مسجل DVR الصغير المجاور للبطارية (الشكل 2B ؛ الشكل التكميلي 2). تحقق للتأكد من أن بطاقة SD فارغة، وإذا لم يكن الأمر كذلك، فقم بمسح البيانات التي تحتوي عليها.
    4. قبل 2 ساعة على الأقل من بداية الظلام ، قم بإزالة الصندوق الوهمي من أعلى صندوق العش.
    5. افتح غطاء صندوق العش.
    6. ضع اللوحة التي تحتوي على كاميرا الأشعة تحت الحمراء داخل صندوق العش مع توجيه هدف الكاميرا لأسفل.
    7. قم بتمديد الموصلات الإلكترونية خارج البستان في صندوق العش.
    8. أغلق غطاء صندوق العش.
    9. ضع العلبة التي تحتوي على البطارية والمسجل والمؤقت أعلى صندوق العش.
    10. قم بتوصيل موصلات طاقة البطارية. قم بتوصيل الموصل الأحمر من المسجل بالموصل الأبيض من الكاميرا (الصوت) ، والموصل الأصفر من المسجل إلى الموصل الأصفر من الكاميرا (الفيديو) ، والموصل الأسود من البطارية إلى الموصل الأحمر من الكاميرا (الطاقة) (الشكل التكميلي 1 والشكل التكميلي 2).
    11. اضغط على زر التسجيل لبدء تسجيل الكاميرا.
      ملاحظة: لن يتم ضبط المؤقت و/أو لن يتم توصيل الطاقة بالمؤقت الذي يتحكم في مصابيح LED بحيث لا يتم إنتاج أي ALAN في ليالي التحكم.
    12. تحقق من شاشة TFT صغيرة للتأكد من بدء التسجيل وأن الصورة صحيحة. يوجد منفذ لتوصيل شاشة tft أسفل المسجل (الشكل التكميلي 2).
    13. بعد حوالي 1 ساعة من حلول الظلام ، ارجع إلى مربع العش وتحقق من هوية الطائر النائم في الداخل عن طريق تحريك قارئ جهاز الإرسال والاستقبال RFID حول الجزء السفلي والجانبين من مربع العش وتسجيل رقم التعريف الفريد الذي تم توصيله من علامة PIT.
    14. في صباح اليوم التالي لتسجيل التحكم ، بعد 2 ساعة على الأقل من شروق الشمس ، عد إلى صندوق العش وجمع نظام البطارية وكاميرا الأشعة تحت الحمراء.
    15. مرة أخرى ، ضع صندوقا وهميا أعلى صندوق العش.
    16. في المختبر أو المكتب ، اشحن البطارية وقم بإزالة بطاقة SD وتنزيلها من المسجل لجمع البيانات السلوكية.
      ملاحظة: يبلغ عمر البطاريات حوالي 30 ساعة في الظروف الباردة لتمكين التسجيل طوال الليل، ولكن يجب إعادة شحنها بالكامل بين الليالي المتتالية من التسجيل.
    17. بعد تنزيل البيانات بنجاح ، امسح البيانات من بطاقة SD ثم أعد إدخالها في مسجل DVR الصغير.
    18. في الليلة التالية ، قم بتنفيذ علاج التعرض للضوء (على سبيل المثال ، 1-3 لوكس ، كما هو مستخدم في التجارب السابقة باستخدام النظام ؛ الجدول 1 والجدول 2).
    19. اضبط نظام المؤقت للفترة الزمنية المطلوبة من التعرض للضوء.
    20. اتبع نفس الخطوات (3.3.2-3.3.17) الموضحة أعلاه لتسجيل عنصر التحكم، ولكن قم أيضا بتوصيل المؤقت بالطاقة ومصابيح LED بالمؤقت (الشكل التكميلي 1 والشكل التكميلي 2).
    21. إذا رغبت في ذلك ، كرر تسجيل التحكم (لسلوك النوم في ظل ظروف الظلام ، أي غياب ALAN) في الليلة الثالثة.
    22. بالنسبة للتجارب التي تنطوي على تعرض الأعشاش ل ALAN ، استخدم الحضنات الضابطة والتجريبية كما هو موضح في الخطوات 3.3.23-3.3.25.
    23. ضع صناديق وهمية (تفتقر إلى الإلكترونيات) فوق صناديق العش من حضنات التحكم وتعامل مع كل من العشوش الضابطة والتجريبية بطرق مماثلة.
    24. تنفيذ التعرض التجريبي ل ALAN للصناديق التجريبية. خلال الفترة التجريبية ، قم بتركيب نظام LED وكاميرا الأشعة تحت الحمراء داخل صندوق العش ، كما هو موضح أعلاه ، واضبط المؤقت للتحكم في الفترة المطلوبة من التعرض للضوء.
    25. أعد شحن البطاريات. بالنسبة للتجارب التي تنطوي على ليال متعددة من التعرض للضوء وتسجيل الفيديو ، قم بجمع الأنظمة كل صباح لإعادة شحن البطاريات خلال النهار ثم استبدال النظام في المساء.
  4. جمع البيانات عن متغير (متغيرات) الاستجابة ذات الاهتمام.
    1. إذا كان السلوك داخل مربع العش هو متغير الاهتمام ، فستسمح كاميرا الأشعة تحت الحمراء بتوثيق السلوك في وقت واحد (على سبيل المثال ، سلوك النوم ؛ الشكل 3).
    2. جمع أي بيانات أخرى ذات أهمية عبر طرق مراقبة إضافية، مع أخذ العينات في نقاط زمنية متغيرة (على سبيل المثال، عينات الدم المأخوذة قبل وبعد التعرض للضوء15).

Figure 3
الشكل 3: صورة الأشعة تحت الحمراء لحلمة كبيرة داخل صندوق عش مكشوف ل ALAN . (A) النوم و (B) تنبيه حلمة كبيرة يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويلخص الجدول 2 المقالات البحثية التي استعرضها النظراء والمنشورة باستخدام هذا النظام. وهناك العديد من المخطوطات الأخرى قيد التنفيذ. تتناول هذه الدراسات ثلاثة أجنحة رئيسية من الأسئلة البحثية. أولا ، تم استخدام النظام لدراسة آثار التعرض للضوء على سلوك النوم ومستويات النشاط لدى البالغين. تحقيقا لهذه الغاية ، تم استخدام تصميم تجريبي متكرر للمقاييس ، حيث تم تسجيل نفس الشخص لأول مرة وهو ينام في ظل ظروف طبيعية ثم تم تسجيله بعد ذلك نائما في صندوق عش مضاء. تم تزويد جميع الأفراد المستخدمين في هذه الدراسات بعلامات PIT ، مما سمح للباحثين بالتحقق من أن نفس الفرد ينام في صندوق العش بين الليالي اللاحقة باستخدام قارئ جهاز إرسال واستقبال محمول باليد دون إزعاج الطيور.

تم توثيق الآثار الدراماتيكية للتعرض ل ALAN على سلوك النوم. على سبيل المثال ، استيقظت الثدي الكبيرة التي تعرضت ل ALAN بكثافة 1.6 لوكس ، وهي كثافة منخفضة نسبيا من المحتمل أن تعاني منها الحيوانات الحرة ، قبل نصف ساعة ، وغادرت صندوق العش قبل 20 دقيقة ، ونامت 40 دقيقة أقل من الطيور الضابطة (الشكل 4)16. ومن المثير للاهتمام أن آثار ALAN على النوم قد تتوقف على متغيرات أخرى ، مثل شدة الضوء والموسم. تمشيا مع هذه الفرضية ، كانت آثار ALAN على سلوك النوم لدى الثدي الكبير للإناث أكبر بكثير خلال فترة التعشيش منها خلال فصل الشتاء ، حيث كان التأثير على فقدان النوم أكبر بأكثر من مرتين والتأثير على وقت الاستيقاظ أكثر من أربعة أضعاف17. من ناحية أخرى ، كان هناك اختلاف طفيف في تأثير التعرض للضوء بكثافة 1.6 مقابل 3 لوكس ، مما يشير إلى أنه حتى ALAN منخفض الكثافة قد يكون له آثار ضارة12. كما تم استخدام النظام لتوثيق انتعاش النوم بعد اضطراب النوم من قبل ALAN ، حيث استجاب الأفراد للحرمان من النوم الناجم عن ALAN عن طريق النوم أكثر في الليلة التالية17. علاوة على ذلك ، لوحظ تباين فردي كبير في مدى تعطل النوم بواسطة ALAN ، والذي قد يكون مهما للتنبؤ باستجابات السكان ونطاق الاختيار17 ، على الرغم من أن تأثير ALAN على النوم لم يتم تعديله بواسطة نوع الشخصية الاستكشافية18. من المرجح أن يكون للتأثيرات الكبيرة ل ALAN على النوم تأثيرات متتالية على سلوك الاستيقاظ وعلم وظائف الأعضاء واللياقة البدنية. ومع ذلك ، كانت الدراسات حتى الآن قصيرة نسبيا في المدة. يعد فحص التداعيات الأوسع نطاقا والآثار طويلة الأجل أمرا بالغ الأهمية لتوضيح تداعيات ALAN على الحيوانات الحرة النطاق وهو مجال مهم لمزيد من البحث (انظر أدناه).

Figure 4
الشكل 4: أحجام التأثير وفترات الثقة بنسبة 95٪ مقارنة سلوكيات النوم للثدي الكبير في ليلة أولى دون إزعاج وفي ليلة ثانية. في الليلة الثانية ، تركت الطيور مرة أخرى دون إزعاج (التحكم ؛ اللوحة العلوية) أو تعرضت ل 1.6 lux ALAN (الضوء ؛ اللوحة السفلية). يتم إعطاء أحجام التأثير بالدقائق ، باستثناء "الوقت على المدخل" ، والذي يتم إعطاؤه بالثواني. انظر التفاصيل في Raap et al. (2015)16. وقد تم تكييف هذا الرقم بإذن من راب وآخرون.16. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ثانيا، تم استخدام النظام لدراسة كيفية تأثير التعرض ل ALAN على الأعشاش النامية، باستخدام مجموعة من متغيرات الاستجابة الفسيولوجية (الجدول 2). وقد عرضت هذه التجارب الأعشاش على آلان خلال جزء من مرحلة التعشيش ، تتراوح بين 2-7 أيام ، اعتمادا على أهداف الدراسة. تشمل الآثار الموثقة للتعرض للضوء على الأعشاش التأثيرات على كتلة الجسم أو حالته19 ، ومستويات الكورتيكوستيرون في الريش 20 ، وتركيزات الهابتوغلوبين21 ، ومستويات الأكسالات22. ومع ذلك ، يشير هذا البحث أيضا إلى أن بعض المعلمات ، مثل معدل تحلل التيلومير والإجهاد التأكسدي15,19 ، قد لا تتأثر بالتعرض ل ALAN (الجدول 2). باختصار ، تشير هذه الدراسات إلى أن التعرض ل ALAN في وقت مبكر من الحياة قد يغير مسار التطور وربما يكون له آثار دائمة في مرحلة البلوغ ، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحديد مدى حساسية خصائص الكائنات الحية النامية أو قدرتها على الصمود أمام التعرض للضوء.

ثالثا، تم استخدام النظام لتقييم الآثار على اللياقة البدنية، بما في ذلك النجاح الإنجابي ومعدلات البقاء على قيد الحياة. وحتى الآن، لم يظهر أي دليل قوي على هذه الآثار. ومع ذلك ، والأهم من ذلك ، أن هذا العمل لا يزال قيد التقدم إلى حد كبير لأن التقييم الفعال لآثار اللياقة البدنية يتطلب مراقبة طويلة الأجل للأفراد المعرضين للضوء.

وأخيرا، تم العمل على مقارنة آثار التعرض ل ALAN على سلوك النوم للثدي الكبير والثدي الأزرق. كان ل ALAN تأثيرات أقل بكثير على سلوك نوم الثدي الأزرق عند مقارنته بالثدي الكبير، مما يلفت الانتباه إلى إمكانية وجود اختلافات بين الأنواع في حساسية الضوء، حتى بين الأنواع ذات الصلة الوثيقة (الجدول 2)23 . والجدير بالذكر أن مجموعات بحثية أخرى بدأت مؤخرا في تبني هذا النهج المتمثل في التلاعب بمستويات الضوء داخل صناديق العش ، مما يوضح قوة المنهجية ، وإمكانية تطبيقها على نطاق أوسع24،25.

جنس مرحلة الحياة كثافة آلان المستخدمة (لوكس) متغيرات الاستجابة تأثير آلان مرجع
حلمة كبيرة (باروس الكبرى) فَرْخ 1 الكورتيكوستيرون الريشة (fCORT) ، حالة الجسم ، طول التيلومير ، النجاح الناشئ ، التوظيف (+) fCORT 19 Grunst et al. 2020. البيئة الملوثة. 259:113895. doi: 10.1016/j.envpol.2019.113895
(-) حالة الجسم
(0) متغيرات الاستجابة الأخرى
حلمة كبيرة فَرْخ 1 طول التيلومير، حالة الجسم، نجاح وليد، أكسيد النيتريك (-) حالة الجسم 14 Grunst et al. 2019. العلوم توت البيئة. 662:266-275. دوي: 10.1016/j.scitotenv.2018.12.469
(0) طول التيلومير، متغيرات الاستجابة الأخرى
حلمة كبيرة بالغ 1.6, 3 شخصية النوم (السلوك الاستكشافي) تعتمد على الاستجابة؟ (-) سلوك النوم 17 Raap et al. 2018. البيئة الملوثة. 243:1317-1324. دوي: 10.1016/j.envpol.2018.09.037
لا يتم تعديله حسب الشخصية
حلمة كبيرة فَرْخ 3 الأكسالات وما إذا كانت الاستجابة معدلة حسب الجنس (+) أوكسالات ، ذكور ٢١ Raap et al. 2018. الحفاظ على الفيزيولوجيا 6: coy005. دوي: 10.1093/conphys/coy005
(0) أوكسالات ، إناث
حلمة كبيرة فَرْخ 1.6, 3 سلوك النوم وما إذا كانت الاستجابة معدلة حسب الموسم أو شدة الضوء (-) سلوك النوم ١١ Raap et al. 2017. () بروك ١٤٤: ١٣-١٩. دوي: 10.1016/j.beproc.2017.08.011
تأثير قليل من الموسم تأخر بداية النوم فقط بسبب كثافة عالية آلان
حلمة كبيرة / حلمة زرقاء (Cyanistes caeruleus) بالغ 3 سلوك النوم تأثير أقل (-) على النوم في الثدي الأزرق ٢٢ صن وآخرون 2017. البيئة الملوثة. 231:882-889. دوي: 10.1016/j.envpol.2017.08.098
حلمة كبيرة بالغ 1.6 سلوك النوم للإناث (-) سلوك النوم انتعاش النوم بعد التعرض ل ALAN 16 Raap et al. 2016. البيئة الملوثة. 215:125-134. دوي: 10.1016/j.envpol.2016.04.100
المزيد من التأثير (-) في فترة التعشيش
حلمة كبيرة فَرْخ 3 تغيير في كتلة الجسم ، حالة أكسدة الدم ، نجاح وليد (-) كتلة الجسم 18 Raap et al. 2016. الخيال العلمي Rep. 6:35626. دوي: 10.1038/srep35626
(0) حالة الأكسدة ، النجاح الوليد
حلمة كبيرة فَرْخ 3 هابتوغلوبين (حصان)، أكسيد النيتريك (NO) (+) حصان 20 Raap et al. 2016. البيئة الملوثة. 218:909-914. دوي: 10.1016/j.envpol.2016.08.024
(-) لا
حلمة كبيرة بالغ 1.6 سلوك النوم (-) سلوك النوم 15 Raap et al. 2015. الخيال العلمي Rep. 5:13557. دوي: 10.1038/srep13557
ملاحظة: 0 = لا يوجد تأثير ل ALAN على متغير الاستجابة. تشير الأرقام التي تتابع الإدخالات المرجعية إلى الترتيب في قائمة المراجع.

الجدول 2: ملخص الدراسات المنشورة على أساس التعرض ل ALAN باستخدام النظام التجريبي. ملاحظة: 0 = لا يوجد تأثير ل ALAN على متغير الاستجابة.

الشكل التكميلي 1: اللوحة التي تحتوي على كاميرا الأشعة تحت الحمراء (IR) ومصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) ، بالإضافة إلى إظهار الكابلات التي تربط النظام بمصدر الطاقة. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 2: منظر داخلي للغرفة يحتوي على البطارية والمسجل ونظام الوقت محلي الصنع ، بالإضافة إلى إظهار الكابلات التي تربط أجزاء مختلفة من النظام. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

سمح هذا النظام القائم على صندوق العش من مصابيح LED وكاميرا الأشعة تحت الحمراء المقترنة للباحثين بتقييم مجموعة من الأسئلة المثيرة للاهتمام فيما يتعلق بالآثار البيولوجية ل ALAN. علاوة على ذلك ، هناك العديد من الاتجاهات البحثية التي يمكن متابعتها مع النظام. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يساعد توسيع استخدام النظام ليشمل الأنواع الأخرى في تعزيز فهم الاختلافات بين الأنواع في الحساسية تجاه ALAN. فيما يلي بعض الاحتمالات غير الشاملة للبحث المستقبلي على أمل أن تساعد هذه الورقة في تحفيز البحث في هذا المجال الهام. ويؤكد الاستنتاج بإيجاز على نقاط القوة في هذا النهج التجريبي ويتناول القيود المفروضة على النظام.

يمكن استخدام هذا النظام للإجابة على العديد من الأسئلة المعلقة المتعلقة بكيفية تأثير ALAN على الحيوانات الحرة أو الحيوانات في شبه الأسر. أولا، شملت الدراسات حتى الآن فترات قصيرة نسبيا من التعرض ل ALAN والرصد قصير الأجل للآثار البيولوجية. وبالتالي ، لا يعرف سوى القليل فيما يتعلق بالآثار طويلة الأجل لتعرض ALAN على المدى القصير ، أو ما الذي سيحدث إذا تعرضت الطيور ل ALAN لعدة أيام أو أسابيع عديدة أو طوال عمرها (انظر26 للحصول على ورقة حديثة توضح أهمية التعرض طويل الأجل ل ALAN في الصراصير ، Gryllus bimaculatus). على سبيل المثال ، هل التعرض ل ALAN على المدى القصير له آثار طويلة الأجل على الحالة الصحية ومعدلات الشيخوخة البيولوجية؟ هل يؤدي التعرض الطويل الأجل ل ALAN إلى إجهاد فسيولوجي وشيخوخة متسارعة ، وهل الآثار مماثلة أو متميزة عن آثار التعرض ل ALAN على المدى القصير؟ ويمكن استخدام هذا النظام لمعالجة هذه الأسئلة. في الواقع ، تستخدم العديد من الثدي العظيم والثدي الأزرق (وكذلك الأنواع الأخرى) نفس صندوق العش طوال عمرها.

ثانيا، هناك حاجة إلى دراسة الآثار التفاعلية ل ALAN مع عوامل الاضطراب البشرية المنشأ الأخرى (على سبيل المثال، اعتماد منظور متعدد الضغوطات كما هو الحال في27)، والآثار التفاضلية ل ALAN ذات الخصائص المختلفة. ويمكن استخدام هذا النظام بالاقتران مع عمليات معالجة تجريبية أخرى أو بالاشتراك مع التباين الطبيعي في مستويات الاضطرابات البشرية المنشأ للتحقيق في كيفية تفاعل عوامل الاضطراب البشري المنشأ المختلفة (مثل الضوء والضوضاء والتلوث الكيميائي) للتأثير على مجموعة من متغيرات الاستجابة. على سبيل المثال ، يمكن أن تتعرض الأعشاش في وقت واحد ل ALAN والضوضاء البشرية المنشأ لاختبار ما إذا كان لهذين العاملين المزعجين تأثيرات مضافة أو تآزرية على مستويات الكورتيكوستيرون أو تقصير التيلومير. يمكن أيضا تعديل النظام لفحص تأثيرات ALAN ذات الخصائص المختلفة عن طريق ضبط خصائص مصابيح LED المستخدمة. على سبيل المثال ، سيكون من المثير للاهتمام استخدام النظام للتحقيق في كيفية تأثير ALAN ذي الأطوال الموجية المختلفة (على سبيل المثال ، الأطوال الموجية الحمراء مقابل الزرقاء) على سلوك النوم أو تطور التعشيش. وقد تم افتراض ودعم تجريبي أن الأطوال الموجية المختلفة للضوء قد تحفز الاستجابات البيولوجية التي تختلف في شدتها28,29. على سبيل المثال ، في دراسة حديثة ، أثر الضوء الأبيض مقابل الضوء الأخضر بشكل مختلف على سلوك حضانة الثدي العظيم29.

ثالثا ، يمكن استخدام هذا النظام لاستكشاف آثار ALAN على متغيرات الاستجابة التي لم يتم استكشافها حتى الآن ، بما في ذلك الطاقة الحيوية ، والعمليات المعرفية ، والديناميات الاجتماعية ، والرعاية الأبوية (ولكن انظر30 للتأثيرات على الطاقة الحيوية). لدراسة التأثيرات على الطاقة الحيوية ، يمكن الجمع بين التعرض ل ALAN وقياس التنفس لقياس معدل الأيض أثناء الراحة أو القاعدة (RMR ، BMR)31 ، أو نهج المياه المسمى بشكل مضاعف لقياس معدل الأيض الميداني (FMR ؛ المعروف أيضا باسم إنفاق الطاقة اليومي) 30,32 ، أو قياس التسارع لقياس أنماط النشاط وإنفاق الطاقة 33 . قد يكون لتأثيرات ALAN على الطاقة الحيوية تأثيرات غير تافهة على اللياقة البدنية ، بالنظر إلى أن معدل الأيض وإنفاق الطاقة قد تم اقتراحهما لتكمن وراء اختلاف تاريخ الحياة ووتيرة الحياة34. لاستكشاف آثار ALAN على السمات المعرفية ، يمكن للباحثين إما استخدام الاختبارات المعرفية الميدانية بعد التعرض ل ALAN أو التقاط البالغين بعد التعرض وإجراء اختبارات معرفية في المختبر. تم تصميم النظام للسماح بالبحث عن الطيور الحرة ، وإزالة الطيور إلى الأسر يدخل تعقيداته الخاصة. وبالتالي ، فإن الاختبار المعرفي على الطيور البرية جذاب بشكل خاص ، على الرغم من أنه يمثل تحديا أيضا. على سبيل المثال ، فحص العمل الأخير القدرة على حل المشكلات في صناديق العش باستخدام فخ مربع العش المعدل35. يمكن تقديم الإناث الحاضنات المعرضات ل ALAN مع هذا الاختبار المعرفي. وهناك احتمال آخر يتمثل في استخدام "مغذيات ذكية" مصممة لتقييم الذاكرة المكانية أو التعلم الترابطي لاستكشاف ما إذا كان تعرض البالغين النائمين ل ALAN يؤثر على هذه السمات المعرفية36. أخيرا ، لدراسة آثار ALAN على التفاعلات الاجتماعية والرعاية الأبوية ، يمكن للباحثين إقران نظام LED بتقنيات أخرى ، بعضها تم استخدامه بالفعل بشكل شائع في الدراسات التي تستخدم الإعداد. على سبيل المثال ، تسمح أنظمة علامات PIT في صناديق العش بتسجيل دخول ومخارج الطيور البالغة المزودة بعلامات PIT37. لذلك ، خلال فترة التكاثر ، يمكن للباحثين استكشاف ما إذا كان تعرض الإناث والأعشاش الحاضنة ل ALAN يعدل معدلات توفير التعشيش أو يؤثر على التوازن في جهد الوالدين بين الجنسين. وبالإضافة إلى ذلك، تم تصغير العديد من منصات القياس الراديوي عن بعد، مما يسهل استخدامها في الحيوانات الصغيرة، ويمكن استخدامها لتقييم ما إذا كان تعرض البالغين النائمين ل ALAN يعدل التفاعلات مع المحددات38.

يمكن استخدام نظام مشابه للنظام الموصوف هنا لدراسة آثار ALAN على أي نوع من الطيور يستخدم صناديق العش للتكاثر. ويشمل ذلك العديد من المارة المدروسة جيدا ، مثل ابتلاع الأشجار (Tachycineta bicolor) ، والطيور الزرقاء الغربية والشرقية (Sialia mexicana و Sialia sialis) ، والقرقف (Poecile sp.) ، و wrens المنزل (Troglodytes aedon) ، و pied الأوروبي (Ficedula hypoleuca) و collared (Ficedula albicollis) مصائد الذباب ، والعصافير المنزلية (Passer domesticus). الزرزور الأوروبي (Sturnus vulgaris) هو أيضا نوع مناسب بشكل خاص لأنه يمكن دراسته في الأسر والبرية وهو كبير بما يكفي لدراسة سلوك النوم باستخدام تقنيات تخطيط كهربية الدماغ39. كما تستخدم الطيور الجارحة، مثل بوم الحظيرة (تيتو ألبا) والكستريلز الأمريكية (فالكو سبارفيريوس)، صناديق العش ويمكن أن تكون بمثابة مواضيع للدراسة. يمكن بسهولة تقييم آثار ALAN على تطور التعشيش في هذه الأنواع. يعتمد مدى إمكانية التحقيق في آثار ALAN على سلوك النوم على ما إذا كان البالغون ينامون داخل صناديق العش خلال موسم التكاثر أو عدم التكاثر ، ولكن من المحتمل أن يكون هناك مجال كبير لاستثمار آثار ALAN على النوم لدى الإناث خلال مرحلة الحضانة.

ويمكن أيضا تكييف النظام للاستخدام في أنواع أخرى غير الطيور التي تعشش في صندوق العش. إلى جانب الطيور ، يعشش عدد من أنواع الثدييات أيضا أو ينام في صناديق العش. وبالتالي ، يمكن اعتماد النظام لدراسة آثار ALAN على هذه الأنواع. على سبيل المثال ، ستحتل العديد من أنواع الليمور صناديق ، ويتم بالفعل استخدام صناديق العش الاصطناعية لدراسة سلوك تكاثرها40. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من أن النظام يمثل تحديا ، إلا أنه لديه القدرة على اعتماده من قبل علماء مبتكرين لدراسة آثار ALAN على الطيور المعششة ذات الأكواب المفتوحة وأنواع الطيور أو الثدييات التي تعشش أو تنام في الصدوع أو الجحور. بالنسبة للطيور التي تعشش في الكأس المفتوحة ، فإن هذا ينطوي على إنشاء وسيلة يمكن من خلالها تركيب مصابيح LED وكاميرات الأشعة تحت الحمراء فوق العش. نظرا للحاجة إلى تأمين نظام LED والكاميرا فوق الأعشاش ، فمن المحتمل أن يتم تنفيذ مثل هذا النظام بسهولة أكبر للأنواع التي تعشش على الأرض أو بالقرب منها. بالنسبة لأنواع تعشيش الجحور أو الصدع ، سيحتاج الباحث إلى تركيب نظام LED والكاميرا داخل التجاويف. على سبيل المثال ، بالنسبة لبعض الأنواع التي تعشش في الصدوع الصخرية ، قد يكون من الممكن إزالة الصخور لخلق مساحة لتأمين نظام الإضاءة والكاميرا.

كما نوقش أعلاه ، فإن القوة الأساسية لهذه المنهجية للتلاعب بمستويات ALAN داخل صناديق العش هي القدرة على تعريض موضوعات الدراسة لمستويات ضوء محددة مسبقا خلال أطر زمنية محددة أثناء الليل. تسمح القدرة على التحكم بدقة في مستويات التعرض للضوء ومدده للباحث بالتغلب على العديد من القيود المتأصلة في الدراسات غير التجريبية المتعلقة بالآثار البيولوجية ل ALAN. ومع ذلك ، فإن المنهجية لها أيضا قيود ، خاصة وأن الحيوانات لا يمكن أن تتعرض للضوء إلا عند الراحة أو النوم أو رعاية الصغار داخل صندوق العش. لا يمكن استكشاف الآثار المباشرة ل ALAN على السلوكيات التي تحدث خارج صندوق العش ، مثل الغناء والبحث عن الطعام ، (على الرغم من أنه يمكن التحقيق في الآثار غير المباشرة للتعرض ل ALAN داخل صندوق العش على هذه السلوكيات). لاستكشاف مثل هذه التأثيرات المباشرة ل ALAN خارج صندوق العش ، سيحتاج الباحثون إلى استخدام شبكات تجريبية واسعة النطاق من الإضاءة الاصطناعية أو النهج غير التجريبية.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن الانتقاد الرئيسي لنهج التلاعب بمستويات الضوء داخل صناديق العش هو أن صناديق العش ، أو التجاويف الطبيعية ، عادة ما تحمي الأفراد من المصادر الخارجية ل ALAN البشري المنشأ. ومع ذلك ، من المهم ملاحظة أنه لن تحتوي جميع الثدي الكبير على صناديق عش ، أو تجاويف ، متاحة للنوم فيها ، لأنها مورد محدود. وبالتالي ، فمن الممكن ، إن لم يكن من المحتمل ، أن تتعرض الطيور البالغة في المناطق الحضرية للمستويات المنخفضة (1-3 لوكس) من ALAN التي استخدمت في الدراسات السابقة باستخدام هذا النظام (الجدول 2). تتعرض صناديق العش في سكاننا لما بين 0.01-6.4 لوكس في صندوق العش الذي يفتح13 ، مما يشير إلى أن الطيور التي تنام خارج صناديق العش يمكن أن تتعرض لمستويات من الضوء مماثلة لتلك المستخدمة في التلاعب. في الواقع ، على الرغم من أنه في أنواع مختلفة ، استخدم Dominoni et al. 2013 41 حطابين الضوء لقياس مستويات ALAN التي تعاني منها طيور الشحرور الأوروبية الحرة (Turdus merula) ، ووجدوا أن الطيور الحضرية شهدت مستويات أعلى بكثير من ALAN من الطيور الريفية ، على الرغم من أن مستويات التعرض كانت متغيرة للغاية (0.7-2.2 lux)41 . علاوة على ذلك ، في تجربة باستخدام هذه المستويات المنخفضة من ALAN (0.3 لوكس) ، أظهروا تأثيرا كبيرا لهذه المستويات المنخفضة جدا من ALAN على توقيت التكاثر والذوبان41. من ناحية أخرى ، وجد de Jong et al. 201642 أن ذكور الثدي الكبيرة التي تتكاثر على العابرات المضاءة اصطناعيا داخل منطقة الغابات لم تشهد مستويات أعلى من ALAN من الطيور الضابطة ، مما يشير إلى سلوك التجنب. ومع ذلك، فإنهم يلاحظون أن هذا التهرب قد يكون أكثر صعوبة في المناطق الحضرية التي ينتشر فيها التعرض للضوء42. وبالتالي ، إذا تم تصميم التجارب بشكل صحيح باستخدام مستويات ALAN ذات الصلة بيئيا ، فإن نهج التلاعب بمستويات الضوء داخل صناديق العش لديه القدرة على تحقيق نتائج ذات صلة بالبيئة. ويفضل أن يشمل ذلك أولا قياس تعرض ALAN للطيور الحرة النطاق في مجموعة (مجموعات) الدراسة المستهدفة أو مجموعة حضرية من نفس النوع.

فيما يتعلق بأهمية تعريض الأعشاش ل ALAN داخل صناديق العش ، صحيح أن مستويات ALAN المستخدمة أعلى بكثير من تلك التي عادة ما تكون داخل التجاويف (في السكان الذين تمت دراستهم ، تكون مستويات الضوء ~ 0.08 lux في الجزء السفلي من صندوق العش خلال النهار ، وبين 0 و 0.01 lux في الليل). بدلا من ذلك ، تعمل أنواع تعشيش التجويف مثل الثدي الكبير والثدي الأزرق كأنواع نموذجية ملائمة للتأثيرات التي قد تحدث لأنواع التعشيش المفتوحة ، والتي ستكون أعشاشها أكثر تعرضا 14،18،20،24. هناك حاجة ماسة الآن إلى مزيد من البحوث لتوثيق مستويات ALAN التي تعاني منها أعشاش أنواع التعشيش ذات الأكواب المفتوحة. بناء على هذه الأبحاث ، فإن هذا النظام لديه القدرة على التكيف مع مستويات ALAN في أعشاش الأكواب المفتوحة ، كما هو مقترح أعلاه.

في الختام ، فإن نهج التلاعب بمستويات الضوء داخل صناديق العش له نقاط قوته وضعفه. ومع ذلك ، عند تطبيقه بشكل صحيح ، يقدم النهج مساهمة قوية في مجموعة متنوعة من النهج التجريبية والعلائقية اللازمة لبناء فهم متماسك للآثار البيولوجية ل ALAN.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ويعلن صاحبا البلاغ أنه ليس لديهما تضارب في المصالح.

Acknowledgments

تلقى برنامجنا البحثي الذي يتضمن الآثار البيولوجية ل ALAN على الطيور تمويلا من FWO Flanders (إلى M.E. و R.P. ، معرف المشروع: G.0A36.15N) ، وجامعة أنتويرب والمفوضية الأوروبية (إلى M.L.G ، Marie Skłodowska-Curie fellowship ID: 799667). نحن نعترف بالدعم الفكري والتقني لأعضاء مجموعة أبحاث علم البيئة السلوكية والفيزيولوجيا البيئية في جامعة أنتويرب ، وخاصة بيتر شيز وتوماس راب.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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. , Oxford University Press, Oxford Scholarship Online. (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

علم الأحياء ، العدد 180 ،
نهج تجريبي للتحقيق في آثار الضوء الاصطناعي في الليل على الحيوانات الحرة: التنفيذ والنتائج والاتجاهات للبحوث المستقبلية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Grunst, M. L., Grunst, A. S.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter