Artificiellt ljus på natten (ALAN) har omfattande biologiska effekter. I den här artikeln beskrivs ett system för att manipulera ALAN inuti bolådor under övervakning av beteende, bestående av LED-lampor kopplade till ett batteri, timer och ljudkapslad infraröd videokamera. Forskare kan använda detta system för att utforska många utestående frågor om effekterna av ALAN på organismer.
Djur har utvecklats med naturliga mönster av ljus och mörker. Artificiellt ljus introduceras dock alltmer i miljön från mänsklig infrastruktur och fritidsaktiviteter. Artificiellt ljus på natten (ALAN) har potential att ha omfattande effekter på djurbeteende, fysiologi och fitness, vilket kan översättas till bredare effekter på populationer och samhällen. Att förstå effekterna av ALAN på frigående djur är inte trivialt på grund av utmaningar som att mäta ljusnivåer som möter mobila organismer och separera effekterna av ALAN från andra antropogena störningsfaktorer. Här beskriver vi ett tillvägagångssätt som gör att vi kan isolera effekterna av artificiell ljusexponering på enskilda djur genom att experimentellt manipulera ljusnivåer inuti bolådor. För detta ändamål kan ett system användas bestående av lysdiod (LED) -lampor som fästs vid en platta och ansluts till ett batteri- och timersystem. Installationen möjliggör exponering av individer inuti bolådor för varierande intensiteter och varaktigheter av ALAN samtidigt som man får videoinspelningar, som också inkluderar ljud. Systemet har använts i studier på frigående talgoxar (Parus major) och blåmesar (Cyanistes caeruleus) för att få insikt i hur ALAN påverkar sömn och aktivitetsmönster hos vuxna och fysiologi och telomerdynamik vid utveckling av ungar. Systemet, eller en anpassning därav, skulle kunna användas för att besvara många andra spännande forskningsfrågor, till exempel hur ALAN interagerar med andra störningsfaktorer och påverkar bioenergetisk balans. Dessutom kan liknande system installeras i eller nära bolådor, bon eller hålor av en mängd olika arter för att manipulera nivåer av ALAN, utvärdera biologiska svar och arbeta för att bygga ett interspecifikt perspektiv. Speciellt i kombination med andra avancerade metoder för övervakning av beteende och rörelse hos fritt levande djur, lovar detta tillvägagångssätt att ge pågående bidrag till vår förståelse av de biologiska konsekvenserna av ALAN.
Djur har utvecklats med de naturliga mönster av ljus och mörker som definierar dag och natt. Således orkestrerar cirkadiska rytmer i hormonella system vilo- och aktivitetsmönster och tillåter djur att maximerakonditionen 1,2,3. Till exempel, dygnsrytmen i glukokortikoidhormoner, med en topp vid början av den dagliga aktiviteten, primar ryggradsdjur att bete sig lämpligt under 24-timmarsperioden via effekter på glukosmetabolism och lyhördhet för miljöstressorer4. På samma sätt är pinealhormonet melatonin, som frigörs som svar på mörker, integrerat involverat i styrande mönster av dygnsrytm och har också antioxidantegenskaper 5,6. Entrainment av många aspekter av dygnsrytmen, såsom melatoninfrisättning, påverkas av fotomottagningen av ljusnivåer i miljön. Således har införandet av artificiellt ljus i miljön för att stödja mänsklig aktivitet, rekreation och infrastruktur potential att ha omfattande effekter på beteendet, fysiologin och konditionen hos frigående djur 7,8. Faktum är att olika effekter av exponering för artificiellt ljus på natten (ALAN) har dokumenterats 9,10, och ALAN har lyfts fram som en prioritet för global förändringsforskning under 2000-talet 10.
Att mäta effekterna av ALAN på frigående djur utgör icke-triviala utmaningar av flera skäl. För det första upplever mobila djur som rör sig genom miljön ständigt olika ljusnivåer. Således, hur kvantifierar man ljusnivån som enskilda djur utsätts för? Även om ljusnivåer på djurets territorium kan kvantifieras kan djuret använda undvikande strategier som påverkar exponeringsmönster, vilket kräver samtidig spårning av djurens plats och ljusnivåer. I de flesta fältstudier är medelvärdet och variationen i ljusexponeringsnivåer okända11. För det andra är exponering för ALAN ofta korrelerad med exponering för andra antropogena störningsfaktorer, såsom bullerföroreningar, kemisk exponering och nedbrytning av livsmiljöer. Till exempel kommer djur som upptar livsmiljöer längs vägarnas marginaler att utsättas för ljus från gatlyktor, buller från fordonstrafik och luftföroreningar från fordonsutsläpp. Hur isolerar man då effektivt effekterna av ALAN från effekterna av förvirrande variabler? Rigorösa fältförsök som möjliggör bra mätningar av både ljusexponeringsnivåer och svarsvariabler är avgörande för att utvärdera svårighetsgraden av de biologiska effekterna av ALAN och för att utveckla effektiva begränsningsstrategier11.
Denna artikel beskriver ett experimentellt tillvägagångssätt som, även om det inte är utan begränsningar (se diskussionsavsnittet), hjälper till att dämpa, om inte eliminera de svårigheter som identifierats ovan. Tillvägagångssättet innebär att experimentellt manipulera ALAN-nivåer inuti bolådorna hos en fritt levande, daglig fågelart, talgoxen (Parus major), med hjälp av ett system av ljusdiod (LED) -lampor och en infraröd (IR) kamera installerad i bolådor. Installationen möjliggör samtidig förvärv av videoinspelningar, inklusive ljud, vilket gör det möjligt för forskare att bedöma effekter på beteenden och vokaliseringar. Talgoxar använder holkar för avel och sover i bolådorna mellan november och mars. Kvinnor sover också inuti bolådorna under häckningssäsongen12. Systemet har också använts i mindre utsträckning för att studera effekter av ALAN på blåmesar (Cyanistes caeruleus). Den första svårigheten, som involverar att känna till ljusnivåer som djuret stöter på, mildras genom att, med tanke på att en individ är villig att komma in i bolådan (eller redan finns i bolådan när det gäller orörliga nestlings), kan ljusnivåerna bestämmas exakt av forskaren. Den andra svårigheten, som involverar korrelationer till förvirrande variabler, kan styras genom att använda bolådor i liknande miljöer och / eller mäta nivåerna av förvirrande variabler nära bolådor. Dessutom är det kraftfullt att anta ett experimentellt tillvägagångssätt hos kavitetshäckande fåglar eftersom bolådor eller naturliga håligheter kan skydda ungar och vuxna från ALAN13, vilket kan förklara varför vissa korrelativa studier finner liten effekt av ALAN (eller antropogent brus)14, medan experimentella studier oftare finner tydliga effekter (se nedan). Dessutom kan en upprepad experimentell design antas där individer tjänar som sin egen kontroll, vilket ytterligare ökar statistisk kraft och sannolikheten för att upptäcka meningsfulla biologiska effekter. Avsnitten nedan: (1) förklara detaljerna i systemets utformning och implementering, (2) sammanfatta de viktiga resultat som hittills har härletts med hjälp av systemet och (3) föreslå framtida forskningsriktningar som kan följas, både hos bröst och andra djur.
Detta boboxbaserade system av LED-lampor och en parad IR-kamera har gjort det möjligt för forskare att bedöma en rad spännande frågor om de biologiska effekterna av ALAN. Dessutom finns det många fler forskningsriktningar som kan följas med systemet. Dessutom kan en utvidgning av användningen av systemet till andra arter bidra till att främja en förståelse för interspecifika skillnader i känslighet för ALAN. Nedan presenteras några icke-uttömmande möjligheter för framtida forskning i hopp om att detta d…
The authors have nothing to disclose.
Vårt forskningsprogram som involverar de biologiska effekterna av ALAN på fåglar har fått finansiering från FWO Flandern (till M.E. och R.P., projekt-ID: G.0A36.15N), Antwerpens universitet och Europeiska kommissionen (till M.L.G, Marie Skłodowska-Curie Fellowship ID: 799667). Vi erkänner det intellektuella och tekniska stödet från medlemmar i forskargruppen Behavioral Ecology and Ecophysiology vid Universitetet i Antwerpen, särskilt Peter Scheys och Thomas Raap.
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 |