Summary
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。
Abstract
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。
Introduction
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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Protocol
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
- ALAN の作成に使用する広域スペクトル LED を入手します。LEDヘッドライトからLEDライトを取り出します。拡散照明を強化するには、単一のLEDライトまたは複数の(例:4つの)広域スペクトルLEDライトを使用します(図1)。
注:修正として、異なるスペクトル特性(例えば、赤対青)を有するLEDを使用することもできるが、異なるソースから入手しなければならない(このシステムを用いた過去の研究で使用されたLEDのスペクトル特性については、Grunst et al.2019 15 の補足材料を参照)。 - 動作監視を可能にするために、赤外線カメラとともにLEDを取り付けるシステムを設計します。研究者は、さまざまな方法でこの目的を達成することができます。
- オプション1.1つの広域スペクトルLEDを、巣箱内に収まるプラスチックまたは金属板に接着剤で取り付けたIRカメラに隣接するプラスチックチューブに別々に入れます(図1A、B)。
- オプション2。IRカメラをプラスチックまたは金属製のプレートの中央位置に取り付け、IRカメラを囲むプレートの固定位置にLEDライトを取り付けます(図1C)。
- システムを電源 (バッテリー) およびタイマーに接続する手段を設計します。
- ナイフまたはドリルを使用して、ネストボックスの側面に木立を作り、そこからワイヤコネクタを伸ばしてシステムをFeバッテリ(12V、120Wh)および自家製タイマー(12V)に接続できます。
- 色、長さ、幅で巣箱と一致する濃い緑色の木製の囲いを設計し(例えば、過去の研究で使用された巣箱の寸法は120 mm x 155 mm x 250 mmでした)、バッテリー、ビデオ用のレコーダー、およびLED用のタイマーシステムを収容するためのヒンジを介して片側開口部を有する(図2;補足図1および補足図2)。
- ALAN 強度を調整する手段を設計します。
- 抵抗(バッテリ電圧と照明に依存)を取得し、LEDと直列に接続します。
- タイマーとバッテリーを収容するエンクロージャと同じ寸法の「ダミー」ボックスを設計して、鳥をシステムに慣れさせるのに使用します(つまり、 図2Aのように、内部電子機器はありません)。
注:セクション2とセクション3では、ALANが焦点生物に及ぼす影響を研究するために使用されるステップバイステップの方法について説明します。
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
- 動物を露出させる目的光強度を決定します。
- 研究の質問に答える有意義な結果を生み出すために、どの実験光強度を使用するかを慎重に検討してください。一般に、これは、放し飼いの動物が遭遇する可能性が高い生態学的に関連する光強度を選択することを意味する(ガイダンスについては 表1 を参照)。
- LEDライトを所望の光強度(例えば、過去の研究で使用されているように、1〜3ルクス;表 1 および 表2)。
- 現場に配置する前に、実験室に持ち込んだ巣箱にシステムを置き、光強度を校正します。以下で詳しく説明するように、LED を電源に接続します (プロトコルのセクション 3)。
- 巣箱(下から約8cm)内の鳥のレベルに照度計を配置し、同時にLEDと直列に抵抗を調整することによって、LEDから放出される光を所望の強度(ルクス)に調整する。
注: 非常に低い光強度(たとえば、田舎の空のグロー レベル、0.01 ルクス)を達成することは可能です。
- 動物をALANにさらす時間枠を決定します。
- 一晩中の露出の長さとタイミングを決定します。例えば、一晩中、夜の一部だけ動物をアランにさらしたり、夜中に暗闇の期間を残して摂動の程度を減らすことができます。
- 動物がALANにさらされるために巣箱(または特定の領域)に入る必要がある場合は、侵入イベントが発生する前または後にライトをオンにするかどうかも検討してください。
- タイマーを設定して、夜間の光の露出期間を制御します。
- ブロードスペクトルLEDに接続されたタイマーを、指定した期間(例えば、日没の少なくとも2時間前に点灯、日の出の2時間後に消灯するなど)にライトがオン/オフになるように設定します。
注:IRカメラは、光露光の間、動物の行動を同時に記録することができ、充電されたバッテリーに接続されている限りオンになります。
- ブロードスペクトルLEDに接続されたタイマーを、指定した期間(例えば、日没の少なくとも2時間前に点灯、日の出の2時間後に消灯するなど)にライトがオン/オフになるように設定します。
- ターゲットとする研究課題に使用する適切な実験計画を決定します。
注:いくつかの質問では、反復測定実験計画が最も強力な選択肢になります(例えば、ALANへの曝露は睡眠行動にどのように影響しますか?他のグループでは、ペアのコントロールと実験グループが必要になります(例えば、ALANへの曝露は、発達中の雛のテロメア喪失にどのように影響しますか?
| 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
- 実験セットアップに動物を慣れさせる。
- 可能であれば、実験のコンテキスト内で、新規性回避の影響を最小限に抑えるために、実験の少なくとも1日前にダミーボックスを巣箱の上部に配置することによって、動物をセットアップに慣れさせる。
- 対象となる個人を調査する。
- 受動的統合トランスポンダ(PIT)タグを使用して研究集団内の動物を適合させ、鳥を邪魔することなく巣箱内で識別できるようにします。
- 睡眠行動に対するALANの効果を含む実験では、実験の前夜に巣箱を訪れ、無線周波数識別(RFID)リーダーで箱をスキャンして、どの鳥が内部でねぐらをしているかを判断します。
- 発達中の雛をALANに曝露する繁殖期の実験では、巣箱を一貫して(例えば、1日おきに)監視し、巣の内容と成虫の身元をチェックする。実験で使用するために、特定の特性(すなわち、モーダルなひなのサイズ、両親の存在と摂食の両方)を持つひなを含む巣箱を慎重に選択してください。
- 実験を選択して実装します。
- 睡眠行動を含む実験では、3.3.2-3.3.21のステップに従って、ALAN(対照治療)の非存在下での乱れのない睡眠を記録するために、少なくとも1晩は暗闇の条件下で眠っている個人を最初に記録することによって、反復測定計画を実施する。
- この目的のために、IRカメラを現場に持ち込む前に、現地時間と時間を同期させるようにしてください。
- バッテリに隣接するミニDVRレコーダーのSDスロットにSDカードを挿入します(図2B; 補足図2)。SDカードが空であることを確認し、空でない場合は、SDカードに含まれるデータを消去します。
- 暗闇が始まる少なくとも2時間前に、巣箱の上からダミーボックスを取り外します。
- 巣箱の蓋を開けます。
- IRカメラの入ったプレートを巣箱の内側に置き、カメラの対物レンズを下向きにします。
- 電子コネクタを巣箱の木立から伸ばします。
- 巣箱のふたを閉じます。
- バッテリー、レコーダー、タイマーが入ったエンクロージャーを巣箱の上に置きます。
- バッテリーの電源コネクタを接続します。レコーダーの赤いコネクターをカメラの白いコネクター(オーディオ)、レコーダーの黄色のコネクターをカメラの黄色のコネクター(ビデオ)に、バッテリーから黒いコネクターをカメラの赤いコネクター(電源)に接続します(補足図1、補足図2)。
- 録画ボタンを押して、カメラの録画を開始します。
メモ:タイマーは設定されず、電源はLEDを制御するタイマーに接続されないため、制御夜間にALANが生成されません。 - 小さな tft 画面で、記録が開始されたこと、およびイメージが正しいことを確認します。tft画面を接続するポートは、レコーダーの下にあります(補足図2)。
- 暗くなってから約1時間後、巣箱に戻り、RFIDトランスポンダリーダーを巣箱の底と側面に動かし、PITタグから伝達された一意の識別番号を記録して、内部で眠っている鳥の身元を確認します。
- コントロール録音の翌朝、日の出から少なくとも2時間後に、巣箱に戻り、バッテリーシステムとIRカメラを集めます。
- もう一度、巣箱の上にダミーボックスを置きます。
- 研究室やオフィスでは、バッテリーを充電し、レコーダーからSDカードを取り外してダウンロードし、行動データを収集します。
注:バッテリーの寿命は寒い状態で約30時間ですので、一晩中録音できますが、連続した夜の録音の間に完全に充電する必要があります。 - データを正常にダウンロードしたら、SDカードからデータを消去してから、ミニDVRレコーダーに再度挿入します。
- その後の夜に、光露光処理を実施する(例えば、1〜3ルクス、システムを用いた過去の実験で使用;表 1 および 表2)。
- 光露光の所望の期間のタイマーシステムを設定します。
- コントロール記録については、上記と同じ手順(3.3.2-3.3.17)に従いますが、タイマーを電源に接続し、LEDをタイマーに接続します(補足図1と補足図2)。
- 必要に応じて、3日目の夜に制御記録(暗闇の条件下での睡眠行動、すなわちALANの不在)を繰り返します。
- 雛をALANに曝露する実験については、ステップ3.3.23-3.3.25で説明されているように、対照および実験的なひなを使用してください。
- コントロールのひなの巣箱の上にダミーボックス(電子機器が欠けている)を置き、コントロールと実験の両方の雛を同等の方法で扱います。
- 実験的なボックスに対して実験的なALAN曝露を実施する。実験期間中は、前述のようにLEDシステムとIRカメラを巣箱内に取り付け、タイマーを設定して所望の光露光期間を制御する。
- バッテリーを充電します。複数晩の光暴露とビデオ録画を含む実験では、毎朝システムを集めて日中はバッテリーを充電し、夕方にはシステムを交換してください。
- 目的の応答変数に関するデータを収集します。
- 巣箱内の挙動が関心のある変数である場合、IRカメラは同時に動作(例えば、睡眠動作; 図3)。
- 追加のモニタリング方法を介して関心のある他のデータを収集するが、サンプリングは可変時点(例えば、光曝露の前後に採取された血液サンプル15)で起こる。
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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Representative Results
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)16。興味深いことに、睡眠に対するALANの効果は、光の強度や季節などの他の変数に左右される可能性があります。この仮説に沿って、雌のオオシジュウカラの睡眠行動に対するALANの影響は、冬期よりも雛期にはるかに大きく、睡眠喪失への影響は2倍以上、覚醒時間への影響は4倍以上であった17。一方、1.6ルクス対3ルクスの強度での光曝露の効果にはほとんど差がなく、低強度のALANでさえ有害な効果を有する可能性があることが示唆された12。このシステムはまた、ALANによる睡眠障害後の睡眠リバウンドを文書化するためにも使用されており、ここで、個体は、次の夜にさらに眠ることによってALAN誘発睡眠不足に応答した17。さらに、ALANによって睡眠が中断される程度の有意な個人差が観察されており、これは集団応答および選択範囲17を予測する上で重要である可能性があるが、睡眠に対するALANの効果は探索的性格タイプ18によって修正されなかった。睡眠に対するALANの実質的な効果は、覚醒行動、生理学、およびフィットネスにカスケード効果を有する可能性が高い。しかし、これまでの研究は比較的短い期間であった。より広範な影響と長期的な影響を調べることは、放し飼いの動物に対するALANの影響を解明するために不可欠であり、さらなる研究にとって重要な分野です(下記参照)。
図4:効果サイズと95%信頼区間で、1日目の乱れのない夜と2日目のおっぱいの睡眠行動を比較した。 2日目の夜、鳥は再び邪魔されずに放置されるか(コントロール、トップパネル)、または1.6ルクスのアラン(ライト、ボトムパネル)にさらされました。効果の大きさは分単位で与えられますが、「入り口の時間」は秒単位で示されます。詳細はRaap et al. (2015)16を参照されたい。この図は、Raapら16の許可を得て翻案されたものである。 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。
第二に、このシステムは、ALANへの曝露が発達中の雛にどのように影響するかを調べるために、一連の生理学的応答変数を用いて用いられてきた(表2)。これらの実験は、研究の目的に応じて、雛を2〜7日間の範囲の雛の段階の一部でALANに曝露した。雛に対する光曝露の文書化された影響には、体重または状態19、羽毛コルチコステロンレベル20、ハプトグロビン濃度21、およびシュウ酸レベル22への影響が含まれる。しかし、この研究はまた、テロメア分解速度や酸化ストレス15,19などのいくつかのパラメータがALANへの曝露の影響を受けない可能性があることを示唆している(表2)。要約すると、これらの研究は、人生の早い段階でALANへの曝露が発達の過程を変え、成人期に永続的な効果を有する可能性があることを示唆しているが、発達中の生物の特性が光曝露に対してどの程度敏感または回復力があるかを決定するためには、より多くの研究が必要である。
第三に、このシステムは、生殖の成功率や生存率など、フィットネスへの影響を評価するために使用されています。現時点では、そのような影響の強力な証拠は現れていない。しかし、重要なことに、フィットネス効果を効果的に評価するには、光に曝された個人の長期的なモニタリングが必要であるため、この作業はまだ非常に進行中です。
最後に、大きなおっぱいと青いおっぱいの睡眠行動に対するALANへの曝露の影響を比較する研究が行われています。ALANは、大きなおっぱいと比較して青いおっぱいの睡眠行動への影響がはるかに小さく、近縁種間であっても光感受性の種間差の可能性に注意を喚起しています(表2)23.特に、他の研究グループも最近、巣箱内の光レベルを操作するこのアプローチを採用し始めており、方法論の強さと、そのより広い応用の可能性を示しています24,25。
| 種 | ライフステージ | 使用されるアラン強度(ルクス) | 応答変数 | アランの効果 | 参考 | |||
| グレートシジュウカラ (パルスメジャー) | 雛 | 1 | 羽毛コルチコステロン(fCORT)、体調、テロメアの長さ、駆け出しの成功、募集 | (+) fCORT | 19名Grunst et al. 2020.環境汚染。259:113895. doi: 10.1016/j.envpol.2019.113895 | |||
| (-)体調 | ||||||||
| (0) その他の応答変数 | ||||||||
| 素晴らしいおっぱい | 雛 | 1 | テロメアの長さ、体調、駆け出しの成功、一酸化窒素 | (-)体調 | 14名Grunst et al. 2019.サイトット環境。662:266-275. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.12.469 | |||
| (0) テロメア長、その他の応答変数 | ||||||||
| 素晴らしいおっぱい | 大人 | 1.6, 3 | 睡眠パーソナリティ(探索的行動)依存反応? | (-)睡眠行動 | 17 17Raap et al. 2018.環境汚染。243:1317-1324. doi: 10.1016/j.envpol.2018.09.037 | |||
| パーソナリティによって変更されない | ||||||||
| 素晴らしいおっぱい | 雛 | 3 | シュウ酸塩&性別によって変化するかどうかの応答 | (+)シュウ酸塩、男性 | 21名Raap et al. 2018.保存物理価 6: coy005.DOI: 10.1093/conphys/coy005 | |||
| (0)シュウ酸塩、女性 | ||||||||
| 素晴らしいおっぱい | 雛 | 1.6, 3 | 睡眠行動と、季節や光の強さによって反応が変化するかどうか | (-)睡眠行動 | 11名Raap et al. 2017.行動録 144:13-19.DOI: 10.1016/j.beproc.2017.08.011 | |||
| 季節の影響が少ない 高強度アランだけで睡眠開始が遅れる | ||||||||
| 大きなおっぱい/青いおっぱい(シアニステス・カエルルウス) | 大人 | 3 | 睡眠行動 | 青いおっぱいの睡眠への影響が少ない(-) | 22名Sun et al. 2017.環境汚染。231:882-889. doi: 10.1016/j.envpol.2017.08.098 | |||
| 素晴らしいおっぱい | 大人 | 1.6 | 女性の睡眠行動 | (-)睡眠行動 ALAN曝露後の睡眠リバウンド | 16名Raap et al. 2016.環境汚染。215:125-134. doi: 10.1016/j.envpol.2016.04.100 | |||
| 雛時代におけるより多くの(-)効果 | ||||||||
| 素晴らしいおっぱい | 雛 | 3 | 体重の変化、血液の酸化状態、逃亡中の成功 | (-)体重 | 18名Raap et al. 2016.Sci Rep. 6:35626.DOI: 10.1038/srep35626 | |||
| (0)酸化的地位、駆け出しの成功 | ||||||||
| 素晴らしいおっぱい | 雛 | 3 | ハプトグロビン(Hp)、一酸化窒素(NO) | (+)馬力 | 20名Raap et al. 2016.環境汚染。218:909-914. doi: 10.1016/j.envpol.2016.08.024 | |||
| (-)いいえ | ||||||||
| 素晴らしいおっぱい | 大人 | 1.6 | 睡眠行動 | (-)睡眠行動 | 15名Raap et al. 2015.Sci Rep. 5:13557DOI: 10.1038/srep13557 | |||
| 注: 0 = 応答変数に対するALANの効果はありません。参照項目に続く番号は、参照リスト内の順序を参照します。 | ||||||||
表2:実験系を用いたALANへの曝露に基づいて発表された研究の要約。注: 0 = 応答変数に対するALANの効果はありません。
補足図1:赤外線(IR)カメラと発光ダイオード(LED)ライトが入ったプレートで、さらにシステムを電源に接続するケーブルも示しています。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図2:バッテリ、レコーダー、および自家製タイムシステムを含むチャンバの内部図で、さらにシステムのさまざまな部分を接続するケーブルを示しています。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
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(クリケットにおけるALANへの長期曝露の重要性を実証する最近の論文については、26 を参照)、 Gryllus bimaculatus)。例えば、短期間のALAN曝露は、健康状態や生物学的老化率に長期的な影響を及ぼしますか?長期のALAN曝露は生理学的ストレスおよび老化の促進をもたらし、その影響は短期ALAN曝露の効果と類似または異なっているか?このシステムは、これらの質問に取り組むために使用することができます。実際、多くの大きなおっぱいと青いおっぱい(そして他の種も)は、彼らの全寿命にわたって同じ巣箱を使います。
第二に、ALANと他の人為的外乱因子との相互作用効果(例えば、27のようにマルチストレッサーの視点を採用する)と、異なる特性を有するALANの微分効果を調べる必要がある。このシステムは、他の実験的操作と組み合わせて、または人為的外乱レベルの自然変動と組み合わせて使用して、異なる人為的外乱因子(例えば、光、騒音、化学汚染)が相互作用して応答変数の範囲にどのように影響するかを調査することができる。例えば、雛はALANと人為的ノイズに同時にさらされ、これら2つの外乱因子がコルチコステロンレベルまたはテロメア短縮に相加的または相乗的な効果を有するかどうかを試験することができる。また、使用するLEDの特性を調整することで、特性の異なるALANの効果を調べるようにシステムを変更することもできます。例えば、このシステムを使用して、異なる波長(例えば、赤と青の波長)のALANが睡眠行動や雛の発達にどのように影響するかを調べることは興味深いでしょう。異なる波長の光が強度の異なる生物学的応答を誘発する可能性があるという仮説が立てられ、実験的に支持されている28,29。例えば、最近の研究では、白色光と緑色光が大きなおっぱいの孵化行動に差異的に影響を与えました29。
第三に、このシステムは、生体エネルギー学、認知プロセス、社会的ダイナミクス、親のケアなど、これまで十分に検討されていなかった応答変数に対するALANの影響を探るために使用することができる(ただし、生体エネルギー学への影響については30を参照)。生体エネルギー学への影響を研究するために、ALANばく露を、安静時または基礎代謝率を測定するための呼吸法(RMR、BMR)31、野外代謝率を測定するための二重標識水アプローチ(FMR;毎日のエネルギー消費としても知られている)30,32、または活動パターンおよびエネルギー消費を測定するための加速度測定と組み合わせることができる33.生体エネルギー学に対するALANの効果は、代謝率とエネルギー消費が生活史の変動と生活のペースの根底にあると提案されていることを考えると、フィットネスに自明ではない影響を与える可能性があります34。認知形質に対するALANの影響を調べるために、研究者はALAN曝露後のフィールドベースの認知テストを利用するか、曝露後に成人を捕捉し、実験室で認知テストを実施することができる。このシステムは、放し飼いの鳥の研究を可能にするように設計されており、鳥を捕われの身にすることはそれ自身の合併症をもたらします。したがって、野鳥の認知テストは特に魅力的ですが、挑戦的でもあります。例えば、最近の研究は、修正された巣箱トラップ35を用いて巣箱における問題解決能力を調べた。ALANに暴露されたひなびた女性は、この認知テストを提示することができます。別の可能性は、空間記憶または連想学習を評価するために設計された「スマートフィーダー」を使用して、睡眠中の成人のALANへの曝露がこれらの認知特性に影響を与えるかどうかを調べることである36。最後に、ALANが社会的相互作用と親のケアに及ぼす影響を調べるために、研究者はLEDシステムを他の技術と組み合わせることができ、そのうちのいくつかはすでにセットアップを使用した研究で一般的に採用されています。例えば、巣箱のPITタグシステムにより、PITタグを装着した成鳥の出入りを記録することができます37。したがって、繁殖期間中に、研究者は、ひなびた雌と雛をALANに曝露することが雛のプロビジョニング率を変更するか、または男女間の親の努力のバランスに影響を与えるかどうかを調べることができます。さらに、様々な無線テレメトリプラットフォームが小型化され、小動物での使用が容易になり、睡眠中の成人のALANへの曝露が同種との相互作用を修正するかどうかを評価するために使用することができる38。
ここで説明したようなシステムを使用して、繁殖に巣箱を使用する鳥類に対するALANの影響を研究することができます。これには、ツバメ(Tachycineta bicolor)、西部および東部のブルーバード(Sialia mexicana と Sialia sialis)、ヒヨコ科(Poecile sp)、ハウスレン(Troglodytes aedon)、ヨーロッパのパイド(Ficedula hypoleuca)と襟付き(Ficedula albicollis)フライキャッチャー、ハウススズメ(Passer domesticus)など、いくつかのよく研究されたパセリンが含まれます。ヨーロッパのムクドリ(Sturnus vulgaris)も、捕われの身および野生で研究することができ、脳波学的技術を用いて睡眠行動を研究するのに十分な大きさであるため、特に適切な種である39。メンフクロウ(Tyto alba)やアメリカチョウゲンボウ(Falco sparverius)などの猛禽類も巣箱を利用しており、研究対象として役立つ可能性があります。雛の発達に対するALANの影響は、これらの種で容易に評価することができる。睡眠行動に対するALANの影響をどの程度調査できるかは、成虫が繁殖期または非繁殖期に巣箱の中で眠るかどうかに依存するが、孵卵段階における女性の睡眠に対するALANの効果に投資する実質的な範囲がある可能性が高い。
このシステムは、巣箱の巣箱の巣作り鳥以外の種での使用にも適合させることができる。鳥類以外にも、多くの哺乳類種が巣箱に巣を作ったり眠ったりしています。したがって、このシステムは、これらの種に対するALANの影響を研究するために採用することができる。例えば、いくつかのキツネザル種が箱を占有し、人工巣箱はすでに繁殖行動を研究するために使用されています40。さらに、挑戦的ではあるが、このシステムは、オープンカップの営巣鳥や、クレバスや巣穴に巣を作ったり眠ったりする鳥類や哺乳類種に対するALANの影響を研究するために、革新的な科学者によって採用される可能性を秘めている。オープンカップの巣作りの鳥の場合、これはLEDライトとIRカメラを巣の上に取り付けることができる手段を作り出すことを含みます。巣の上にLEDシステムとカメラを固定する必要性を考えると、そのようなシステムはおそらく地面の上または近くに巣を作る種のために最も簡単に実装されるでしょう。巣穴やクレバスの営巣種の場合、研究者はLEDシステムとカメラを空洞の中に収める必要があります。たとえば、岩だらけのクレバスに巣を作る種によっては、岩石を取り除き、光システムとカメラを固定するスペースを作ることができるかもしれません。
上で論じたように、巣箱内のALANレベルを操作するためのこの方法論の主な強みは、夜間に特定の時間枠にわたって研究対象を所定の光レベルにさらす能力である。光曝露レベルと持続時間を正確に制御する能力により、研究者はALANの生物学的影響に関する非実験的研究に固有の制限の多くを克服することができます。しかし、この方法論には、特に動物が休息、睡眠、または巣箱の中の若者の世話をしているときにのみ光にさらされる可能性があるという点で、制限もあります。歌うことや採餌など、巣箱の外で起こる行動に対するALANの直接的な影響は調査できません(ただし、巣箱内のALANへの曝露がこれらの行動に及ぼす間接的な影響は調査できます)。巣箱の外でALANのこのような直接的な影響を探るために、研究者は人工照明または非実験的アプローチのより大規模な実験ネットワークを採用する必要があります。
さらに、巣箱内の光レベルを操作するアプローチに対する主な批判は、巣箱、または自然の空洞が、通常、人為的ALANの外部源から個人を保護することである。しかし、すべての大きなおっぱいが限られた資源であるため、眠ることができる巣箱、または空洞があるわけではないことに注意することが重要です。したがって、都市部の成鳥が、このシステムを使用した過去の研究で使用されてきたALANの低レベル(1〜3ルクス)にさらされる可能性は低いにしても、可能性は低いですが、可能です(表2)。私たちの集団の巣箱は、巣箱の開口部13で0.01〜6.4ルクスにさらされており、巣箱の外で眠っている鳥が操作で使用されたものに匹敵するレベルの光にさらされる可能性があることを示唆しています。実際、異なる種ではあるが、Dominoni et al. 2013 41は、放し飼いのヨーロッパのクロウタドリ(Turdus merula)が経験するALANのレベルを測定するためにライトロガーを使用し、都市の鳥は農村の鳥よりも有意に高いレベルのALANを経験したが、曝露レベルは非常に変動的であった(0.7-2.2ルクス)41.さらに、これらの低レベルのALAN(0.3ルクス)を用いた実験において、これらの非常に低いレベルのALANが再生および脱皮のタイミングに有意な効果を示した41。一方、de Jong et al. 201642は、森林地域内の人工照明トランセクトで繁殖するオスのオオシジュウカラが、対照鳥よりも高いレベルのALANを経験しないことを発見し、回避行動を示唆している。それにもかかわらず、彼らは、そのような回避は、光曝露が蔓延している都市部では達成がより困難であるかもしれないと指摘している42。したがって、生態学的に関連するレベルのALANを使用して実験が適切に設計されれば、巣箱内の光レベルを操作するアプローチは、生態学的に関連する結果をもたらす可能性がある。好ましくは、これには、対象研究集団または同種の都市集団における放し飼いの鳥類のALAN曝露を最初に測定することが含まれる。
巣箱の中で雛をALANにさらすことの関連性に関しては、使用されるALANのレベルが空洞内で通常経験されるレベルよりもはるかに高いことは事実です(研究された集団では、光レベルは日中は巣箱の底で約0.08ルクス、夜間は0〜0.01ルクスです)。むしろ、オオシジュウカラや青いシジュウカラなどの空洞ネスティング種は、雛がより露出する14,18,20,24のオープンネスティング種に起こり得る影響の便利なモデル種として役立つ。オープンカップの営巣種の雛が経験するALANのレベルを文書化するために、より多くの研究が緊急に必要とされています。このような研究に基づいて、このシステムは、上で示唆したように、開いたカップの巣でALANレベルを操作するように適応される可能性を秘めています。
結論として、ネストボックス内の光レベルを操作するアプローチには、長所と短所の両方があります。しかし、適切に適用すれば、このアプローチは、ALANの生物学的効果の一貫した理解を構築するために必要な実験的および相関的アプローチの多様な体にしっかりと貢献する。
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Disclosures
著者らは、利益相反はないと宣言している。
Acknowledgments
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。
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 |
References
- Gwinner, E., Brandstätter, R. Complex bird clocks. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B. 356 (1415), 1801-1810 (2001).
- Dominoni, D., Helm, B., Lehmann, M., Dowse, H. B., Partecke, J. Clocks for the city: circadian differences between forest and city songbirds. Proceedings of the Royal Society of London B. 280 (1763), 20130593 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Fonken, L. K., Nelson, R. J. The effects of light at night on circadian clocks and metabolism. Endocrine Reviews. 35 (4), 648-670 (2014).
- Falcón, J., et al. Exposure to artificial light at night and the consequences for flora, fauna, and ecosystems. Frontiers in Neuroscience. 14, 602796 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Raap, T., Pinxten, R., Eens, M. Light pollution disrupts sleep in free-living animals. Scientific Reports. 5, 13557 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lighton, J. R. B. Measuring metabolic rates: A manual for scientists. , Oxford University Press, Oxford Scholarship Online. (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
