Waiting
Login processing...

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

Biology

גישה ניסיונית לחקר ההשפעות של אור מלאכותי בלילה על בעלי חיים חופשיים: יישום, תוצאות וכיוונים למחקר עתידי

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

לאור מלאכותי בלילה (ALAN) יש השפעות ביולוגיות רחבות היקף. מאמר זה מתאר מערכת למניפולציה של ALAN בתוך תיבות קן תוך ניטור התנהגות, המורכבת מנורות LED המוצמדות לסוללה, טיימר ומצלמת וידאו אינפרא אדום התומכת בשמע. חוקרים יכולים להשתמש במערכת זו כדי לחקור שאלות בולטות רבות בנוגע להשפעות של ALAN על אורגניזמים.

Abstract

בעלי חיים התפתחו עם דפוסים טבעיים של אור וחושך. עם זאת, אור מלאכותי מוחדר יותר ויותר לסביבה מתשתיות אנושיות ומפעילות פנאי. לאור מלאכותי בלילה (ALAN) יש פוטנציאל להיות בעל פוטנציאל להשפעות נרחבות על התנהגות בעלי חיים, פיזיולוגיה וכושר, מה שיכול להיות מתורגם להשפעות בקנה מידה רחב יותר על אוכלוסיות וקהילות. הבנת ההשפעות של ALAN על בעלי חיים חופשיים אינה טריוויאלית בשל אתגרים כגון מדידת רמות האור שבהן נתקלים אורגניזמים ניידים והפרדת ההשפעות של ALAN מאלו של גורמי הפרעה אנתרופוגניים אחרים. כאן אנו מתארים גישה המאפשרת לנו לבודד את ההשפעות של חשיפה לאור מלאכותי על בעלי חיים בודדים על ידי מניפולציה ניסיונית של רמות האור בתוך תיבות הקן. לשם כך, ניתן להשתמש במערכת המורכבת מנורות דיודה פולטות אור (LED) המודבקות לצלחת ומחוברות לסוללה ולמערכת טיימר. ההתקנה מאפשרת חשיפה של פרטים בתוך תיבות קן לעוצמות ומשכי זמן שונים של ALAN ובמקביל להשיג הקלטות וידאו, הכוללות גם שמע. המערכת שימשה במחקרים על ציצים גדולים חופשיים (Parus major) וציצים כחולים (Cyanistes caeruleus) כדי לקבל תובנה כיצד ALAN משפיע על דפוסי שינה ופעילות במבוגרים ופיזיולוגיה ודינמיקה של טלומרים בפיתוח נסטלטורים. המערכת, או ההסתגלות שלה, יכולה לשמש כדי לענות על שאלות מחקר מסקרנות רבות אחרות, כגון כיצד ALAN מתקשר עם גורמי הפרעה אחרים ומשפיע על האיזון הביו-אנרגטי. יתר על כן, מערכות דומות יכולות להיות מותקנות בתיבות הקן, הקנים או המחילות של מגוון מינים או בקרבתן כדי לתפעל רמות של ALAN, להעריך תגובות ביולוגיות ולפעול לבניית נקודת מבט בין-ספציפית. במיוחד בשילוב עם גישות מתקדמות אחרות לניטור ההתנהגות והתנועה של בעלי חיים חופשיים, גישה זו מבטיחה להניב תרומות מתמשכות להבנתנו את ההשלכות הביולוגיות של ALAN.

Introduction

בעלי חיים התפתחו עם הדפוסים הטבעיים של אור וחושך המגדירים יום ולילה. לפיכך, מקצבים צירקדיים במערכות הורמונליות מתזמרים דפוסי מנוחה ופעילות ומאפשרים לבעלי חיים למקסם את הכושר 1,2,3. לדוגמה, השעון הביולוגי בהורמונים גלוקוקורטיקואידים, עם שיא עם תחילת הפעילות היומיומית, גורם לבעלי חוליות להתנהג כראוי לאורך התקופה של 24 שעות באמצעות השפעות על חילוף החומרים של הגלוקוז וההיענות לגורמי עקה סביבתיים4. באופן דומה, הורמון האצטרובל מלטונין, המשתחרר בתגובה לחושך, מעורב באופן אינטגרלי בדפוסים השולטים בתבניות של ריתמיות צירקדיאנית ויש לו גם תכונות נוגדות חמצון 5,6. הטמעה של היבטים רבים של השעון הביולוגי, כגון שחרור מלטונין, מושפעת מתפיסה פוטוטוגרפית של רמות האור בסביבה. לפיכך, להכנסת אור מלאכותי לסביבה כדי לתמוך בפעילות אנושית, בפנאי ובתשתיות יש פוטנציאל להיות בעל פוטנציאל להשפעות נרחבות על ההתנהגות, הפיזיולוגיה והכושר של בעלי חיים חופשיים 7,8. ואכן, השפעות מגוונות של חשיפה לאור מלאכותי בלילה (ALAN) תועדו 9,10, ו-ALAN הודגשה כעדיפות למחקר שינויגלובלי במאה ה-2110.

מדידת ההשפעות של ALAN על בעלי חיים חופשיים מציבה אתגרים לא טריוויאליים מכמה סיבות. ראשית, בעלי חיים ניידים הנעים בסביבה חווים כל הזמן רמות שונות של אור. אם כן, כיצד ניתן לכמת את רמת האור שבעלי חיים בודדים נחשפים אליה? גם אם ניתן לכמת את רמות האור בשטח החיה, בעל החיים עשוי להשתמש באסטרטגיות הימנעות המשפיעות על דפוסי החשיפה, ובכך לדרוש מעקב סימולטני אחר מיקום בעלי החיים ורמות האור. ואכן, ברוב מחקרי השדה, הממוצע והשונות ברמות החשיפה לאור אינן ידועות11. שנית, חשיפה ל-ALAN מתואמת לעתים קרובות עם חשיפה לגורמי הפרעה אנתרופוגניים אחרים, כגון זיהום רעש, חשיפה כימית ופגיעה בבתי גידול. לדוגמה, בעלי חיים התופסים בתי גידול בשולי הכבישים ייחשפו לאור מפנסי רחוב, לרעש מתנועת כלי רכב ולזיהום אוויר מפליטת כלי רכב. כיצד אם כן מבודדים ביעילות את ההשפעות של ALAN מההשפעות של משתנים מבלבלים? ניסויי שדה קפדניים המאפשרים מדידות טובות הן של רמות החשיפה לאור והן של משתני התגובה חיוניים להערכת חומרת ההשפעות הביולוגיות של ALAN, ולפיתוח אסטרטגיות הפחתה יעילות11.

מאמר זה מתאר גישה ניסיונית, שלמרות שאינה נטולת מגבלותיה (ראה סעיף דיון), מסייעת להרגיע, אם לא לבטל את הקשיים שצוינו לעיל. הגישה כוללת מניפולציה ניסיונית של רמות ALAN בתוך תיבות הקן של מין ציפורים יומיות שחי חופשיות, הציצי הגדול (Parus major), באמצעות מערכת של נורות דיודה פולטות אור (LED) ומצלמת אינפרא אדום (IR) המותקנת בתוך תיבות קן. ההתקנה מאפשרת רכישה סימולטנית של הקלטות וידאו, כולל אודיו, המאפשרת לחוקרים להעריך את ההשפעות על התנהגויות וקולות. ציצים גדולים משתמשים בתיבות קן לרבייה, וישנים בתיבות הקן בין נובמבר למרץ. הנקבות גם ישנות בתוך תיבות הקן בעונת הרבייהה-12. המערכת שימשה גם במידה פחותה כדי לחקור את ההשפעות של ALAN על ציצים כחולים (Cyanistes caeruleus). הקושי הראשון, הכרוך בידיעת רמות האור בהן נתקלת החיה, מתמתן בכך שבהינתן שאדם מוכן להיכנס לתיבת הקן (או שהוא כבר נמצא בתיבת הקן במקרה של תקיעות חסרות תנועה), רמות האור יכולות להיקבע במדויק על ידי החוקר. ניתן לשלוט בקושי השני, הכרוך בקורלציות למשתנים מבלבלים, על ידי שימוש בתיבות קן בסביבות דומות, ו/או מדידת רמות המשתנים המבלבלים ליד תיבות הקן. בנוסף, אצל ציפורים המקננות בחלל, אימוץ גישה ניסיונית הוא רב עוצמה מכיוון שתיבות קינון או חללים טבעיים יכולים להגן על יצורים ובוגרים מפני ALAN13, מה שעשוי להסביר מדוע מחקרים מתאמים מסוימים מוצאים השפעה מועטה של ALAN (או רעש אנתרופוגני)14, בעוד שמחקרים ניסיוניים מוצאים לעתים קרובות יותר השפעות ברורות (ראו להלן). יתר על כן, ניתן לאמץ תכנון ניסויי חוזר ונשנה שבו אנשים משמשים כשליטה משלהם, מה שמגדיל עוד יותר את העוצמה הסטטיסטית, ואת ההסתברות לגילוי השפעות ביולוגיות משמעותיות. הסעיפים שלהלן: (1) מסבירים את פרטי התכנון והיישום של המערכת, (2) מסכמים את התוצאות החשובות שנגזרו עד כה באמצעות המערכת, ו-(3) מציעים כיווני מחקר עתידיים שניתן יהיה להמשיך בהם, הן בציצים והן בבעלי חיים אחרים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל הבקשות של מערכת זו לניסויים בבעלי חיים אושרו על ידי ועדת האתיקה של אוניברסיטת אנטוורפן ונעשו בהתאם לחוקים הבלגיים והפלמיים. המתודולוגיה דבקה בהנחיות ASAB/ABS לשימוש בבעלי חיים במחקר התנהגותי. המכון המלכותי הבלגי למדעי הטבע (Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen; KBIN) סיפק רישיונות לכל החוקרים ואנשי הצוות.

1. יצירת מערכת הניסוי

  1. השג נורית LED רחבת טווח לשימוש ביצירת ALAN. קח את נורות ה-LED מפנס/ים קדמיים של LED. השתמשו בנורת LED בודדת או בנורות LED מרובות (למשל, 4) רחבות טווח לתאורה מפוזרת יותר (איור 1).
    הערה: כשינוי, ניתן להשתמש בנורות LED עם תכונות ספקטרליות שונות (למשל, אדום לעומת כחול) אך יהיה צורך לקבל אותן ממקור אחר (ראה את החומר המשלים של Grunst et al. 201915 עבור התכונות הספקטרליות של נוריות ה- LED ששימשו במחקרים קודמים באמצעות מערכת זו).
  2. תכנן מערכת להתקנת נוריות ה- LED יחד עם מצלמת IR כדי לאפשר ניטור התנהגותי. חוקרים יכולים להשיג מטרה זו במספר דרכים.
    1. אפשרות 1. הכנס נורית LED אחת רחבת טווח לתוך תיבת הקן בנפרד בצינור פלסטיק הסמוך למצלמת IR המותקנת עם דבק על לוח פלסטיק או מתכת שמתאים לתיבת הקן (איור 1A, B).
    2. אפשרות 2. הרכיבו מצלמת IR במיקום מרכזי על לוחית פלסטיק או מתכת ולאחר מכן התקינו נורות LED במיקומים קבועים על הלוחית המקיפה את מצלמת ה-IR (איור 1C).
  3. תכנן אמצעי לחיבור המערכת למקור חשמל (סוללה) וטיימר.
    1. השתמש בסכין או במקדחה כדי ליצור חורשות בצד תיבת הקן שדרכן מחברי חוטים יכולים להתרחב כדי לחבר את המערכת לסוללת Fe (12 V; 120 Wh) וטיימר תוצרת בית (12 V).
    2. תכנן מתחם עץ ירוק כהה התואם את תיבת הקן בצבע, באורך וברוחב (לדוגמה, תיבות הקן ששימשו במחקרים קודמים היו בעלות מידות: 120 מ"מ x 155 מ"מ x 250 מ"מ ), ועם פתח צדי אחד דרך ציר כדי לאחסן את הסוללה, מקליט הווידאו ומערכת הטיימר עבור נוריות ה- LED (איור 2; איור משלים 1 ואיור משלים 2).
  4. תכננו אמצעי שדרכו ניתן להתאים את עוצמת ה-ALAN.
    1. קבל נגד (ערך מותנה במתח הסוללה ובתאורה) וחבר אותו בסדרה עם הנורית(ות).
  5. תכנן קופסאות "דמה" באותם ממדים כמו המארזים המאכלסים את הטיימר והסוללה לשימוש בהרגלת ציפורים למערכת (כלומר, כמו באיור 2A, אך ללא האלקטרוניקה הפנימית).
    הערה: סעיף 2 וסעיף 3 דנים בשיטות שלב אחר שלב המשמשות לחקר ההשפעות של ALAN על האורגניזם המוקדי.

Figure 1
איור 1: שתי מערכות המורכבות ממצלמות IR ותאורות LED המשמשות למניפולציה של ALAN בתוך תיבות קן. (A) מבט עליון על תיבת הקן עם לוחית המחזיקה את המערכת הישנה יותר במקומה. (B) מערכת ישנה יותר עם 1 נורית LED רחבת טווח למניפולציה של ALAN ומצלמה מרכזית עם 10 נורות LED IR (c) מערכת חדשה יותר עם 4 נוריות LED רחבות טווח ומצלמת IR מרכזית עם 4 נוריות IR. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: הסוללה הביתית ויחידת הטיימר המשמשות למניפולציה של התנהגות ALAN והקלטת וידאו. (A) היחידה סגורה בתוך תיבת עץ המותקנת על גבי תיבת הקן. (ב) תצוגה של האלקטרוניקה בתוך היחידה. המחברים משתרעים מתוך תיבת הקן אל תוך מארז העץ כדי לחבר את האלקטרוניקה למצלמת IR ולנוריות LED רחבות טווח. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

2. תכנון הניסוי והתאמת עוצמת ה-ALAN ותזמון

  1. קבעו את עוצמת האור הרצויה שאליה ניתן לחשוף בעלי חיים.
    1. שקול היטב באיזו עוצמת אור ניסיונית להשתמש כדי להניב תוצאות משמעותיות העונות על שאלת המחקר. באופן כללי, משמעות הדבר תהיה בחירת עוצמת אור רלוונטית מבחינה אקולוגית, שבעלי חיים חופשיים צפויים להיתקל בה (ראו טבלה 1 להנחיה).
  2. התאם את נורות ה-LED לעוצמת האור הרצויה (לדוגמה, 1-3 lux, כפי שנעשה במחקרים קודמים; טבלה 1 וטבלה 2).
    1. לפני המיקום בשדה, הניחו את המערכת על תיבת קן שנלקחה למעבדה כדי לכייל את עוצמת האור. חבר את נוריות ה- LED למקור החשמל, כמתואר בהמשך (פרוטוקול סעיף 3).
    2. התאימו את האור הנפלט על ידי נוריות ה-LED לעוצמה הרצויה (lux) על ידי הצבת מד אור בגובה הציפור בתוך תיבת הקן (כ-8 ס"מ מלמטה) ובמקביל התאמת הנגד בסדרה עם נוריות ה-LED.
      הערה: ניתן להשיג עוצמות אור נמוכות מאוד (למשל, רמות זוהר שמיים כפריות; 0.01 לוקס).
  3. קבעו את מסגרת הזמן שבה ניתן לחשוף בעלי חיים ל-ALAN.
    1. קבעו את משך ועיתוי החשיפה לאורך הלילה. לדוגמה, ניתן לחשוף בעלי חיים ל-ALAN לאורך כל הלילה, רק בחלק מהלילה, או להשאיר תקופה של חושך באמצע הלילה כדי להפחית את מידת ההפרעה.
    2. במקרים שבעל חיים חייב להיכנס לתיבת הקן (או לאזור מסוים) כדי להיחשף ל-ALAN, שקול גם אם יש להדליק את האור לפני או אחרי אירוע הכניסה.
  4. הגדר את הטיימר לשליטה על תקופת החשיפה לאור במהלך הלילה.
    1. הגדר את הטיימר המחובר לנורות ה- LED בספקטרום הרחב כך שהאור יידלק ויכבה בתקופות מוגדרות (לדוגמה, מופעל לפחות 2 שעות לפני השקיעה; כבוי 2 שעות לאחר הזריחה).
      הערה: מצלמת ה-IR מאפשרת להקליט את התנהגות החיה בו-זמנית למשך החשיפה לאור והיא תהיה דולקת כל עוד היא מחוברת לסוללה טעונה.
  5. קבע את התכנון הניסויי המתאים לשימוש עבור שאלות מחקר המטרה.
    הערה: עבור שאלות מסוימות, תכנון ניסויי חוזר של מדידות יהיה האפשרות החזקה ביותר (למשל, כיצד חשיפה ל-ALAN משפיעה על התנהגות השינה?). עבור אחרים, יהיה צורך בקבוצות בקרה וניסויים מזווגות (למשל, כיצד חשיפה ל-ALAN משפיעה על אובדן הטלומרים בפיתוח נטישים?).
רמת מקור/חשיפה עוצמה (לוקס)
אור שמש מלא 103000
אור ירח מלא 0.05–1
זוהר שמיים אורבניים 0.2–0.5
חשיפה של ציפורים שחורות אירופאיות בעלות חיים חופשיים 0.2 (0.07–2.2)
מחקרים ניסיוניים קודמים באמצעות המערכת 1–3
פנסי רחוב LED ~10
פנסי רחוב נתרן בלחץ נמוך ~10
נתרן בלחץ גבוה ~10
תאורת פלורסנט 300
מתכת הליד 400–2000

טבלה 1: עוצמות אור אופייניות בסביבה 3,9, רמות חשיפה של ציפורים חופשיות41, ועוצמות ששימשו במחקרים קודמים באמצעות מערכת זו (הפניות בטבלה 2).

3. יישום החשיפה ל-ALAN

  1. הרגילו את החיות למערך הניסוי.
    1. במידת האפשר בהקשר של הניסוי, התרגלו בעלי חיים להגדרה על ידי הצבת תיבות דמה על גבי תיבות הקן לפחות יום אחד לפני הניסוי כדי למזער את ההשפעות של שנאת החידוש.
  2. סקר את האנשים המוקדים.
    1. התאימו לבעלי חיים באוכלוסיית המחקר תגי משדר אינטגרטיביים פסיביים (PIT) כדי לאפשר זיהוי בתוך תיבות הקן מבלי להפריע לציפורים.
    2. בניסויים הכוללים את ההשפעה של ALAN על התנהגות השינה, בקרו בתיבות הקן בלילה שלפני הניסוי וסרקו את התיבות עם קורא זיהוי תדר רדיו (RFID) כדי לקבוע אילו ציפורים מתרוצצות בפנים.
    3. בניסויים במהלך עונת הרבייה שכללו חשיפה של נקבות מתפתחות ל-ALAN, נטר בעקביות (למשל, כל יומיים) תיבות קינון, ובדוק אם יש את תכולת הקן ואת זהותם של הבוגרים. בחר בקפידה תיבות קן המכילות גזעים בעלי מאפיינים מסוימים (כלומר, גודל גזע מודאלי, הן ההורים נוכחים והן האכלה) לשימוש בניסוי.
  3. בחר ויישם את הניסוי.
    1. לניסויים המערבים התנהגות שינה, יישם תכנון אמצעים חוזר על ידי תיעוד ראשוני של אנשים שישנים בתנאי חושך במשך לילה אחד לפחות כדי לתעד שינה ללא הפרעה בהיעדר ALAN (טיפול בקרה) בעקבות שלבים 3.3.2-3.3.21.
    2. לשם כך, הקפידו לסנכרן את הזמן במצלמות ה-IR עם הזמן המקומי לפני שאתם לוקחים אותן לשטח.
    3. הכנס כרטיס SD לחריץ ה-SD במקליט ה-DVR הקטן הצמוד לסוללה (איור 2B; איור משלים 2). בדוק כדי לוודא שכרטיס ה- SD ריק, ואם לא, מחק את הנתונים שהוא מכיל.
    4. לפחות שעתיים לפני תחילת החושך, הסר את תיבת הדמה מעל תיבת הקן.
    5. פתח את מכסה תיבת הקן.
    6. מקם את הלוח המכיל את מצלמת ה- IR בתוך תיבת הקן כאשר מטרת המצלמה מכוונת כלפי מטה.
    7. הרחיבו את המחברים האלקטרוניים אל מחוץ לחורשה בתיבת הקן.
    8. סגור את מכסה תיבת הקן.
    9. הניחו את המארז המכיל את הסוללה, המקליט והטיימר על גבי תיבת הקן.
    10. חבר את מחברי החשמל של הסוללה. חבר את המחבר האדום מהמקליט למחבר הלבן מהמצלמה (שמע), את המחבר הצהוב מהמקליט למחבר הצהוב מהמצלמה (וידאו), ואת המחבר השחור מהסוללה למחבר האדום מהמצלמה (כוח) (איור משלים 1 ואיור משלים 2).
    11. לחץ על לחצן ההקלטה כדי להפעיל את הקלטת המצלמה.
      הערה: הטיימר לא יוגדר ו/או שהחשמל לא יחובר לטיימר השולט בנורות ה-LED כך שלא יופק ALAN בלילות בקרה.
    12. בדוק עם מסך tft קטן כדי לוודא שההקלטה החלה ושהתמונה נכונה. יציאה לחיבור מסך ה-tft ממוקמת מתחת למקליט (איור משלים 2).
    13. כשעה אחת לאחר רדת החשיכה, חזור לתיבת הקן ובדוק את זהות הציפור שישנה בתוכה על ידי הזזת קורא משדר RFID סביב החלק התחתון והצדדים של תיבת הקן ורישום מספר הזיהוי הייחודי המועבר מתג PIT.
    14. בבוקר שלאחר הקלטת הבקרה, לפחות שעתיים לאחר הזריחה, חזרו לתיבת הקן ואספו את מערכת הסוללות ואת מצלמת ה-IR.
    15. שוב, הניחו תיבת דמה על גבי תיבת הקן.
    16. במעבדה או במשרד, טען את הסוללה והסר והורד את כרטיס ה- SD מהמקליט כדי לאסוף את הנתונים ההתנהגותיים.
      הערה: לסוללות יש אורך חיים של כ-30 שעות בתנאי קור כדי לאפשר הקלטה למשך כל הלילה, אך יש לטעון אותן במלואן בין לילות רצופים של הקלטה.
    17. לאחר הורדה מוצלחת של הנתונים, מחק את הנתונים מכרטיס ה- SD ולאחר מכן הכנס אותם מחדש למקליט ה- DVR המיני.
    18. בלילה שלאחר מכן, ליישם את הטיפול בחשיפה לאור (למשל, 1-3 lux, כפי שנעשה בו שימוש בניסויים קודמים במערכת; טבלה 1 וטבלה 2).
    19. הגדר את מערכת הטיימר לפרק הזמן הרצוי של חשיפה לאור.
    20. בצע את אותם שלבים (3.3.2-3.3.17) שתוארו לעיל עבור הקלטת הבקרה, אך גם חבר את הטיימר לחשמל ואת נוריות ה- LED לטיימר (איור משלים 1 ואיור משלים 2).
    21. אם תרצה, חזור על הקלטת הבקרה (של התנהגות שינה בתנאי חושך, כלומר היעדר ALAN) בלילה השלישי.
    22. לניסויים הכוללים חשיפה של תנינים ל-ALAN, השתמשו ב-broods בקרה וניסויים כמתואר בשלבים 3.3.23-3.3.25.
    23. הניחו תיבות דמה (חסרות אלקטרוניקה) על גבי תיבות הקן של תניני הביקורת וטפלו הן בבקרה והן בניסויים בדרכים מקבילות.
    24. יישם את החשיפה הניסיונית של ALAN לתיבות ניסוי. במהלך תקופת הניסוי, הרכיבו את מערכת ה-LED ומצלמת ה-IR בתוך תיבת הקן, כמתואר לעיל, והגדירו את הטיימר לשליטה על התקופה הרצויה של חשיפת האור.
    25. טען מחדש את הסוללות. לניסויים הכוללים מספר לילות של חשיפה לאור והקלטת וידאו, אספו את המערכות בכל בוקר כדי לטעון את הסוללות במהלך היום ולאחר מכן החליפו את המערכת בערב.
  4. אסוף נתונים על משתני התגובה המעניינים.
    1. אם ההתנהגות בתוך תיבת הקן היא המשתנה המעניין, מצלמת ה-IR תאפשר תיעוד בו-זמני של התנהגות (לדוגמה, התנהגות שינה; איור 3).
    2. אסוף נתונים מעניינים אחרים באמצעות שיטות ניטור נוספות, כאשר הדגימה מתרחשת בנקודות זמן משתנות (למשל, דגימות דם שנלקחו לפני ואחרי חשיפה לאור15).

Figure 3
איור 3: תמונה אינפרה-אדומה של ציצי גדול בתוך תיבת קן החשופה ל-ALAN. (A) שינה ו-(B) התראה על ציצי נהדר אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

מאמרי המחקר שעברו ביקורת עמיתים שפורסמו באמצעות מערכת זו מסוכמים בטבלה 2. מספר כתבי יד נוספים נמצאים בתהליך. מחקרים אלה עוסקים בשלוש חבילות עיקריות של שאלות מחקר. ראשית, המערכת שימשה לחקר ההשפעות של חשיפה לאור על התנהגות השינה ורמות הפעילות במבוגרים. לשם כך נעשה שימוש בתכנון ניסיוני של מדידות חוזרות ונשנות, שבהן אותו אדם תועד לראשונה ישן בתנאים טבעיים ולאחר מכן תועד ישן בתיבת קן מוארת. כל הפרטים ששימשו במחקרים אלה הותקנו בתגי PIT, מה שאפשר לחוקרים לוודא שאותו אדם ישן בתיבת הקן בין הלילות הבאים באמצעות קורא משדר כף יד מבלי להפריע לציפורים.

תועדו השפעות דרמטיות של חשיפה ל-ALAN על התנהגות השינה. לדוגמה, ציצים גדולים שנחשפו ל-ALAN בעוצמה של 1.6 לוקס, עוצמה נמוכה יחסית שסביר להניח שבעלי חיים חופשיים יחוו אותה, התעוררו חצי שעה מוקדם יותר, עזבו את תיבת הקן 20 דקות מוקדם יותר, וישנו 40 דקות פחות מציפורי הביקורת (איור 4)16. באופן מעניין, ההשפעות של ALAN על השינה עשויות להיות מותנות במשתנים אחרים, כגון עוצמת האור והעונה. בהתאם להשערה זו, ההשפעות של ALAN על התנהגות השינה של נקבות ציצים גדולים היו הרבה יותר גדולות במהלך תקופת השקיעה מאשר במהלך החורף, כאשר ההשפעה על אובדן שינה הייתה גדולה יותר מפי שניים וההשפעה על זמן ההתעוררות הייתה גדולה יותר מפי ארבעה17. מצד שני, לא היה הבדל קטן בהשפעת החשיפה לאור בעוצמה של 1.6 לעומת 3 לוקס, מה שמרמז על כך שגם ל-ALAN בעצימות נמוכה עשויות להיות השפעות מזיקות12. המערכת שימשה גם לתיעוד ריבאונד שינה בעקבות הפרעה לשינה על ידי ALAN, שבו אנשים הגיבו לחסך שינה שנגרם על ידי ALAN על ידי שינה רבה יותר בלילה שלאחר מכן17. יתר על כן, נצפתה שונות אינדיבידואלית משמעותית במידה שבה השינה מופרעת על ידי ALAN, מה שעשוי להיות חשוב לניבוי תגובות האוכלוסייה ולהיקף הבחירה17, אם כי ההשפעה של ALAN על השינה לא שונתה על ידי אישיות חקרנית מסוג18. השפעות משמעותיות של ALAN על השינה עשויות להיות בעלות השפעות מדורגות על התנהגות הערות, פיזיולוגיה וכושר. עם זאת, המחקרים עד כה היו קצרים יחסית במשך הזמן. בחינת השלכות רחבות יותר והשפעות ארוכות טווח יותר היא קריטית להבהרת ההשלכות של ALAN על בעלי חיים חופשיים והיא תחום חשוב למחקר נוסף (ראו להלן).

Figure 4
איור 4: גדלי השפעה ומרווחי בר-סמך של 95% בהשוואה בין התנהגויות שינה של ציצים גדולים בלילה ראשון ללא הפרעה ובלילה שני. בלילה השני, הציפורים שוב נותרו ללא הפרעה (שליטה; לוח עליון) או נחשפו ל-1.6 לוקס ALAN (אור; לוח תחתון). גדלי האפקט ניתנים תוך דקות, למעט 'זמן על הכניסה', הניתן בשניות. ראו פרטים ב-Raap et al. (2015)16. נתון זה הותאם באישור Raap et al.16. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

שנית, המערכת שימשה לבחינת האופן שבו חשיפה ל-ALAN משפיעה על נטישים מתפתחים, תוך שימוש במגוון משתני תגובה פיזיולוגיים (טבלה 2). ניסויים אלה חשפו נטיות ל-ALAN במהלך חלק משלב ההטלה, שנע בין 2 ל-7 ימים, בהתאם למטרות המחקר. ההשפעות המתועדות של חשיפה לאור על נטישים כוללות השפעות על מסת הגוף או מצב19, רמות קורטיקוסטרון נוצה20, ריכוזי הפטוגלובין21 ואוקסלט רמות22. עם זאת, מחקר זה מציע גם כי פרמטרים מסוימים, כגון קצב פירוק הטלומרים ועקה חמצונית15,19, עשויים להיות לא מושפעים מחשיפה ל-ALAN (טבלה 2). לסיכום, מחקרים אלה מצביעים על כך שחשיפה ל-ALAN בשלב מוקדם בחיים עשויה לשנות את מהלך ההתפתחות ועלולה להיות לה השפעות מתמשכות בבגרות, אך נדרשים מחקרים נוספים כדי לקבוע באיזו מידה המאפיינים של אורגניזמים מתפתחים רגישים או עמידים בפני חשיפה לאור.

שלישית, המערכת שימשה להערכת ההשפעות על הכושר הגופני, כולל הצלחה בפוריות ושיעורי ניצולים. נכון לעכשיו, לא התגלו ראיות חזקות להשפעות כאלה. עם זאת, וחשוב מכך, עבודה זו עדיין בעיצומה מכיוון שהערכת השפעות הכושר ביעילות דורשת ניטור לטווח ארוך יותר של אנשים שנחשפו לאור.

לבסוף, נעשתה עבודה השוואת ההשפעות של חשיפה ל-ALAN על התנהגות השינה של ציצים גדולים וציצים כחולים. ל-ALAN היו השפעות פחותות בהרבה על התנהגות השינה של ציצים כחולים בהשוואה לציצים גדולים, מה שמפנה את תשומת הלב לפוטנציאל להבדלים בין-ספציפיים ברגישות לאור, אפילו בין מינים קרובים (טבלה 2)23 . יש לציין שגם קבוצות מחקר אחרות החלו לאחרונה לאמץ גישה זו של מניפולציה של רמות האור בתוך תיבות הקן, תוך המחשת עוצמת המתודולוגיה, והפוטנציאל ליישום רחב יותר שלה24,25.

מינים שלב החיים ALAN עוצמה בשימוש (לוקס) משתני תגובה ההשפעה של ALAN הפניה
ציצית נהדרת (פארוס מז'ור) נסטלינג 1 קורטיקוסטרון נוצה (fCORT), מצב גוף, אורך טלומרים, הצלחה בהתהוות, גיוס (+) fCORT 19 Grunst et al. 2020. סביבה מזהמת. 259:113895. doi: 10.1016/j.envpol.2019.113895
(-) מצב הגוף
(0) משתני תגובה אחרים
ציצית נהדרת נסטלינג 1 אורך הטלומרים, מצב הגוף, הצלחה בהתהפכות, תחמוצת החנקן (-) מצב הגוף 14 Grunst et al. 2019. Sci Tot Environ. 662:266-275. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.12.469
(0) אורך הטלומרים, משתני תגובה אחרים
ציצית נהדרת מבוגר 1.6, 3 אישיות שינה (התנהגות חקרנית)-תגובה תלוית?? (-) התנהגות שינה 17 Raap et al. 2018. סביבה מזהמת. 243:1317-1324. doi: 10.1016/j.envpol.2018.09.037
לא שונה על ידי אישיות
ציצית נהדרת נסטלינג 3 אוקסלט והאם התגובה שונתה על ידי מין (+) אוקסלט, זכרים 21 Raap et al. 2018. Conserv Physiol. 6: coy005. doi: 10.1093/conphys/coy005
(0) אוקסלט, נקבות
ציצית נהדרת נסטלינג 1.6, 3 התנהגות שינה והאם התגובה משתנה לפי עונה או עוצמת אור (-) התנהגות שינה 11 Raap et al. 2017. בה"ב 144:13-19. doi: 10.1016/j.beproc.2017.08.011
השפעה מועטה של תחילת השינה של העונה מתעכבת רק על ידי ALAN בעצימות גבוהה
ציצית גדולה / ציצים כחולים (Cyanistes caeruleus) מבוגר 3 התנהגות שינה פחות (-) השפעה על שינה בציצים כחולים 22 יום ראשון ואח' 2017. סביבה מזהמת. 231:882-889. doi: 10.1016/j.envpol.2017.08.098
ציצית נהדרת מבוגר 1.6 התנהגות שינה של נקבות (-) התנהגות שינה ריבאונד שינה לאחר חשיפה ל-ALAN 16 Raap et al. 2016. סביבה מזהמת. 215:125-134. doi: 10.1016/j.envpol.2016.04.100
השפעה נוספת (-) בתקופת ההשבעה
ציצית נהדרת נסטלינג 3 שינוי במסת הגוף, מצב חמצון הדם, הצלחה מסחררת (-) מסת גוף 18 Raap et al. 2016. Sci Rep. 6:35626. doi: 10.1038/srep35626
(0) מצב חמצוני, הצלחה מסחררת
ציצית נהדרת נסטלינג 3 הפטוגלובין (Hp), תחמוצת החנקן (NO) (+) כ"ס 20 Raap et al. 2016. סביבה מזהמת. 218:909-914. doi: 10.1016/j.envpol.2016.08.024
(-) לא
ציצית נהדרת מבוגר 1.6 התנהגות שינה (-) התנהגות שינה 15 Raap et al. 2015. Sci Rep. 5:13557. doi: 10.1038/srep13557
הערה: 0 = אין השפעה של ALAN על משתנה התגובה. מספרים הממשיכים את ערכי ההפניה מתייחסים לסדר ברשימת ההפניות.

טבלה 2: סיכום מחקרים שפורסמו על סמך חשיפה ל-ALAN באמצעות מערכת הניסויים. הערה: 0 = אין השפעה של ALAN על משתנה התגובה.

איור 1 משלים: הלוחית המכילה את מצלמת האינפרא-אדום (IR) ואת נורות הדיודה פולטת האור (LED), ובנוסף מציגה את הכבלים המחברים את המערכת למקור החשמל. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 2: מבט פנימי על החדר המכיל את הסוללה, המקליט ומערכת הזמן הביתית, ובנוסף מראה כבלים המחברים חלקים שונים של המערכת. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מערכת מבוססת תיבת קן זו של נורות LED ומצלמת IR זוגית אפשרה לחוקרים להעריך מגוון שאלות מסקרנות בנוגע להשפעות הביולוגיות של ALAN. יתר על כן, ישנם כיווני מחקר רבים נוספים שניתן להמשיך בהם עם המערכת. בנוסף, הרחבת השימוש במערכת למינים אחרים עשויה לסייע בטיפוח הבנה של הבדלים בין-ספציפיים ברגישות ל-ALAN. להלן מוצגות כמה אפשרויות לא ממצות למחקר עתידי בתקווה שמאמר זה יסייע להניע מחקר בתחום חשוב זה. המסקנה חוזרת בקצרה על נקודות החוזק של גישה ניסיונית זו ומתייחסת למגבלות המערכת.

ניתן להשתמש במערכת זו כדי לענות על שאלות בולטות רבות בנוגע לאופן שבו ALAN משפיע על בעלי חיים או בעלי חיים חופשיים בשבי למחצה. ראשית, מחקרים עד כה כללו תקופות קצרות יחסית של חשיפה ל-ALAN וניטור קצר טווח של השפעות ביולוגיות. כתוצאה מכך, מעט מאוד ידוע לגבי השפעות ארוכות טווח יותר של חשיפה לטווח קצר של ALAN, או מה יקרה אם ציפורים ייחשפו ל-ALAN במשך ימים רבים, שבועות רבים, או לכל תוחלת חייהן (ראומאמר 26 למאמר שפורסם לאחרונה המדגים את החשיבות של חשיפה ארוכת טווח ל-ALAN בצרצרים, Gryllus bimaculatus). לדוגמה, האם לחשיפה לטווח קצר ל-ALAN יש השפעות ארוכות טווח על מצב הבריאות ועל שיעורי ההזדקנות הביולוגית? האם חשיפה ארוכת טווח ל-ALAN גורמת ללחץ פיזיולוגי ולתסיסה מואצת, והאם ההשפעות דומות או נבדלות מאלו של חשיפה ל-ALAN לטווח קצר? ניתן להשתמש במערכת זו כדי להתמודד עם שאלות אלה. ואכן, הרבה ציצים גדולים וציצים כחולים (וגם מינים אחרים) משתמשים באותה תיבת קן לאורך כל תוחלת החיים שלהם.

שנית, יש צורך לבחון השפעות אינטראקטיביות של ALAN עם גורמי הפרעה אנתרופוגניים אחרים (למשל, אימוץ נקודת מבט רב-גורמית כמוב-27), והשפעות דיפרנציאליות של ALAN עם תכונות שונות. ניתן להשתמש במערכת זו בשילוב עם מניפולציות ניסיוניות אחרות או בשילוב עם שונות טבעית ברמות ההפרעה האנתרופוגניות כדי לחקור כיצד גורמי הפרעה אנתרופוגניים שונים (למשל, אור, רעש, זיהום כימי) עשויים לקיים אינטראקציה כדי להשפיע על מגוון משתני תגובה. לדוגמה, ניתן לחשוף בו זמנית את ההפרעה לרעשי ALAN ואנתרופוגניים כדי לבחון אם לשני גורמי ההפרעה הללו יש השפעות נוספות או סינרגטיות על רמות הקורטיסטרון או על קיצור הטלומרים. ניתן גם לשנות את המערכת כדי לבחון את ההשפעות של ALAN עם תכונות שונות על ידי התאמת המאפיינים של נוריות ה- LED בהן נעשה שימוש. לדוגמה, יהיה מעניין להשתמש במערכת כדי לחקור כיצד ALAN באורכי גל שונים (למשל, אורכי גל אדומים לעומת כחולים) משפיעים על התנהגות השינה או על התפתחות ההתמדה. הועלתה השערה ונתמכה באופן ניסיוני כי אורכי גל שונים של אור עשויים לגרום לתגובות ביולוגיות הנבדלות זו מזו בעוצמה28,29. לדוגמה, במחקר שנערך לאחרונה, דיפרנציאציה של אור לבן לעומת ירוק השפיעה באופן דיפרנציאלי על התנהגות הדגירה של ציצים גדולים29.

שלישית, ניתן להשתמש במערכת זו כדי לחקור את ההשפעות של ALAN על משתני תגובה שלא נחקרו עד כה, כולל ביו-אנרגיה, תהליכים קוגניטיביים, דינמיקה חברתית וטיפול הורי (אך ראו30 להשפעות על ביו-אנרגיה). כדי לחקור את ההשפעות על ביו-אנרגיה, ניתן לשלב חשיפה ל-ALAN עם נשימה למדידת מנוחה או קצב חילוף חומרים בסיסי (RMR, BMR)31, גישת המים המסומנת כפליים למדידת קצב חילוף החומרים בשדה (FMR; הידועה גם בשם הוצאת אנרגיה יומית)30,32, או תאוצה למדידת דפוסי פעילות והוצאת אנרגיה33 . להשפעות של ALAN על ביו-אנרגיה עשויות להיות השפעות לא טריוויאליות על הכושר הגופני, בהתחשב בכך שקצב חילוף החומרים והוצאת האנרגיה הוצעו כדי לבסס את היסטוריית החיים השונות ואת קצב החיים34. כדי לחקור את ההשפעות של ALAN על תכונות קוגניטיביות, חוקרים יכולים להשתמש במבחנים קוגניטיביים מבוססי שדה בעקבות חשיפה ל-ALAN או ללכוד מבוגרים לאחר חשיפה ולערוך מבחנים קוגניטיביים במעבדה. המערכת נועדה לאפשר מחקר על ציפורים חופשיות, והסרת ציפורים לשבי מציגה סיבוכים משלה. לפיכך, בדיקות קוגניטיביות על ציפורי בר מושכות במיוחד, אם כי גם מאתגרות. לדוגמה, עבודות אחרונות בחנו את יכולת פתרון הבעיות בתיבות קן באמצעות מלכודת תיבת קן שונה35. נקבות מתרבות שנחשפו ל-ALAN יכולות להיות מוצגות במבחן קוגניטיבי זה. אפשרות אחרת תהיה שימוש ב"מזינים חכמים" שנועדו להעריך זיכרון מרחבי או למידה אסוציאטיבית כדי לחקור אם חשיפה של מבוגרים ישנים ל-ALAN משפיעה על תכונות קוגניטיביות אלה36. לבסוף, כדי לבחון את ההשפעות של ALAN על אינטראקציות חברתיות וטיפול הורי, חוקרים יכולים להתאים את מערכת ה-LED לטכנולוגיות אחרות, שחלקן כבר שימשו בדרך כלל במחקרים באמצעות ההתקנה. לדוגמה, מערכות תג PIT בתיבות קן מאפשרות לרשום ערכים ויציאות של ציפורים בוגרות המצוידות בתגי PIT37. לכן, במהלך תקופת הרבייה, חוקרים יכלו לבחון אם חשיפה של נקבות מתרבות ונקבות ל-ALAN משנה את שיעורי ההקצאה או משפיעה על האיזון במאמץ ההורי בין המינים. בנוסף, פלטפורמות רדיו-טלמטריה שונות צומצמו, מה שמקל על השימוש בבעלי חיים קטנים, וניתן להשתמש בהן כדי להעריך אם חשיפה של מבוגרים ישנים ל-ALAN משנה את האינטראקציות עם קונספיטיקאים38.

מערכת דומה לזו המתוארת כאן יכולה לשמש כדי לחקור את ההשפעות של ALAN על כל מיני העופות שמשתמשים בתיבות קן לרבייה. זה כולל מספר פסרין שנחקרו היטב, כגון סנוניות עצים (Tachycineta bicolor), ציפורים כחולות מערביות ומזרחיות (Sialia mexicana ו-Sialia sialis), אפרוחים (Poecile sp.), צרעות בית (Troglodytes aedon), פייד אירופאי (Ficedula hypoleuca) וקולר (Ficedula albicollis) לוכד זבובים, ודרורי בית (Passer domesticus). זרזירים אירופיים (Sturnus vulgaris) הם גם מין מתאים במיוחד מכיוון שניתן לחקור אותם בשבי ובטבע והם גדולים מספיק כדי לחקור התנהגות שינה באמצעות טכניקות אלקטרואנצפלוגרפיות39. עופות דורסים, כמו ינשופי אסם (Tyto alba) וקסטרלים אמריקאים (Falco sparverius), משתמשים גם הם בתיבות קן ויכולים לשמש כנבדקי מחקר. ניתן היה להעריך בקלות את ההשפעות של ALAN על התפתחות ההתמדה במינים אלה. המידה שבה ניתן לחקור את ההשפעות של ALAN על התנהגות השינה תלויה בשאלה אם בוגרים ישנים בתוך תיבות קינון במהלך עונת הרבייה או שאינה רבייה, אך סביר להניח שיש היקף משמעותי להשפעות ההשקעה של ALAN על השינה אצל נקבות במהלך שלב הדגירה.

המערכת יכולה להיות מותאמת גם לשימוש במינים שאינם ציפורים מקננות של תיבות קן. מלבד ציפורים, מספר מיני יונקים גם מקננים או ישנים בתיבות קינון. לפיכך, ניתן לאמץ את המערכת כדי לחקור את ההשפעות של ALAN על מינים אלה. לדוגמה, כמה מיני למורים יתפסו תיבות, ותיבות קינון מלאכותיות כבר משמשות כדי לחקור את התנהגות הרבייה שלהם40. בנוסף, למרות שהיא מאתגרת, למערכת יש פוטנציאל להיות מאומצת על ידי מדענים חדשניים כדי לחקור את ההשפעות של ALAN על ציפורים מקננות עם כוסות פתוחות ומיני עופות או יונקים המקננים או ישנים בסדקים או במחילות. עבור ציפורים מקננות עם כוסות פתוחות, הדבר יהיה כרוך ביצירת אמצעי שבאמצעותו ניתן יהיה להרכיב נורות LED ומצלמות IR מעל הקן. בהתחשב בצורך לאבטח את מערכת ה-LED והמצלמה שמעל הקנים, סביר להניח שמערכת כזו תיושם בקלות רבה ביותר עבור מינים המקננים על הקרקע או בקרבתה. עבור מיני קינון מחילות או סדקים, החוקר יצטרך להתאים את מערכת ה-LED והמצלמה לתוך החללים. לדוגמה, עבור מינים מסוימים המקננים בסדקים סלעיים, ייתכן שניתן יהיה להסיר סלע כדי ליצור מרחב שבו ניתן לאבטח את מערכת האור והמצלמה.

כפי שפורט לעיל, החוזק העיקרי של מתודולוגיה זו למניפולציה של רמות ALAN בתוך תיבות קן הוא היכולת לחשוף את הנבדקים למחקר לרמות אור קבועות מראש לאורך פרקי זמן ספציפיים במהלך הלילה. היכולת לשלוט במדויק ברמות החשיפה לאור ובמשכיה מאפשרת לחוקר להתגבר על רבות מהמגבלות הטמונות במחקרים לא ניסיוניים לגבי ההשפעות הביולוגיות של ALAN. עם זאת, למתודולוגיה יש גם מגבלות, במיוחד בכך שבעלי חיים יכולים להיחשף לאור רק כאשר הם נחים, ישנים או מטפלים בצעירים בתוך תיבת הקן. לא ניתן לחקור השפעות ישירות של ALAN על התנהגויות המתרחשות מחוץ לתיבת הקן, כגון שירה והזדקנות (אם כי ניתן לחקור השפעות עקיפות של חשיפה ל-ALAN בתוך תיבת הקן על התנהגויות אלה). כדי לחקור השפעות ישירות כאלה של ALAN מחוץ לתיבת הקן, החוקרים יצטרכו להשתמש ברשתות ניסיוניות בקנה מידה גדול יותר של תאורה מלאכותית או גישות לא ניסיוניות.

בנוסף, ביקורת מרכזית על הגישה של מניפולציה של רמות האור בתוך תיבות קן היא שתיבות קן, או חללים טבעיים, בדרך כלל יגנו על פרטים ממקורות חיצוניים של ALAN אנתרופוגני. עם זאת, חשוב לציין כי לא לכל הציצים הגדולים יהיו תיבות קינון, או חללים, זמינים לשינה, מכיוון שהם משאב מוגבל. לפיכך, ייתכן, אם לא סביר, כי ציפורים בוגרות באזורים עירוניים חשופים לרמות הנמוכות (1-3 לוקס) של ALAN ששימשו במחקרים קודמים באמצעות מערכת זו (טבלה 2). תיבות הקן באוכלוסייה שלנו חשופות ל-0.01-6.4 לוקס בפתיחת תיבת הקן13, מה שמרמז על כך שציפורים שישנות מחוץ לתיבות הקן עלולות להיחשף לרמות אור דומות לאלה המשמשות במניפולציות. ואכן, אם כי במין אחר, Dominoni et al. 201341 השתמשו בחוטבי עצים קלים כדי למדוד את רמות ה-ALAN שחוו ציפורים שחורות אירופאיות חופשיות (Turdus merula), ומצאו כי ציפורים עירוניות חוו רמות גבוהות משמעותית של ALAN מאשר ציפורים כפריות, אם כי רמות החשיפה היו משתנות מאוד (0.7-2.2 lux)41 . יתר על כן, בניסוי שהשתמש ברמות נמוכות אלה של ALAN (0.3 lux), הם הדגימו השפעה משמעותית של רמות נמוכות מאוד אלה של ALAN על תזמון הרבייה וה- molt41. מצד שני, de Jong et al. 201642 מצאו כי ציצים גדולים זכרים שהתרבו על טרנסקטים מוארים מלאכותיים בתוך אזור יער לא חוו רמות גבוהות יותר של ALAN מאשר ציפורי בקרה, מה שמרמז על התנהגות הימנעות. עם זאת, הם מציינים כי התחמקות כזו עשויה להיות קשה יותר להשגה באזורים עירוניים עם חשיפה נרחבת לאור42. לכן, אם הניסויים מתוכננים כראוי באמצעות רמות רלוונטיות מבחינה אקולוגית של ALAN, לגישה של מניפולציה של רמות האור בתוך תיבות הקן יש פוטנציאל להניב תוצאות רלוונטיות מבחינה אקולוגית. רצוי שזה יכלול מדידה ראשונה של חשיפת ALAN של ציפורים חופשיות באוכלוסיות מחקר היעד או באוכלוסייה עירונית מאותו המין.

ביחס לרלוונטיות של חשיפת נקבות ל-ALAN בתוך תיבות קינון, נכון שרמות ה-ALAN שבהן נעשה שימוש גבוהות בהרבה מאלו שבדרך כלל היו נחווים בתוך חללים (באוכלוסייה הנחקרת, רמות האור הן ~0.08 לוקס בתחתית תיבת הקן במהלך היום, ובין 0 ל-0.01 לוקס בלילה). במקום זאת, מינים המקננים בחלל כמו ציצים גדולים וציצים כחולים משמשים כמיני מודל נוחים להשפעות שעשויות להתרחש עבור מיני קינון פתוחים, שציפורניהם יהיו חשופות יותר ל-14,18,20,24. כעת יש צורך במחקר נוסף כדי לתעד בדחיפות את רמות ה-ALAN שחווים המינים המקננים בכוסות פתוחות. בהתבסס על מחקרים כאלה, למערכת זו יש פוטנציאל להיות מותאמת למניפולציה של רמות ALAN בקיני פתוחים, כפי שהוצע לעיל.

לסיכום, לגישה של מניפולציה של רמות האור בתוך תיבות הקן יש גם את החוזקות וגם את החולשות שלה. עם זאת, כאשר מיישמים אותה כראוי, הגישה תורמת תרומה מוצקה לגוף המגוון של גישות ניסיוניות וקורלציוניות הדרושות לבניית הבנה קוהרנטית של ההשפעות הביולוגיות של ALAN.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים כי אין להם ניגודי עניינים.

Acknowledgments

תוכנית המחקר שלנו הכוללת את ההשפעות הביולוגיות של ALAN על ציפורים קיבלה מימון מ- FWO פלנדריה (ל- M.E. ו- R.P., מזהה פרויקט: G.0A36.15N), אוניברסיטת אנטוורפן והנציבות האירופית (ל- M.L.G, מארי סקלודובסקה-קירי מזהה מלגת מזהה: 799667). אנו מכירים בתמיכה האינטלקטואלית והטכנית של חברי קבוצת המחקר לאקולוגיה התנהגותית ואקופיזיולוגיה באוניברסיטת אנטוורפן, במיוחד פיטר שייס ותומס ראפ.

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

ביולוגיה גיליון 180
גישה ניסיונית לחקר ההשפעות של אור מלאכותי בלילה על בעלי חיים חופשיים: יישום, תוצאות וכיוונים למחקר עתידי
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