Экспериментальный подход к исследованию влияния искусственного света ночью на животных свободного выгула: реализация, результаты и направления будущих исследований

Резюме

Искусственное освещение в ночное время (ALAN) имеет широкие биологические эффекты. В этой статье описывается система для манипулирования ALAN внутри гнездовых ящиков при мониторинге поведения, состоящая из светодиодных индикаторов, соединенных с батареей, таймером и инфракрасной видеокамерой с поддержкой звука. Исследователи могли бы использовать эту систему для изучения многих нерешенных вопросов, касающихся влияния ALAN на организмы.

Аннотация

Животные эволюционировали с естественными узорами света и тьмы. Тем не менее, искусственный свет все чаще внедряется в окружающую среду из человеческой инфраструктуры и рекреационной деятельности. Искусственное освещение ночью (ALAN) может оказать широкое влияние на поведение животных, физиологию и приспособленность, что может привести к более широкомасштабному воздействию на популяции и сообщества. Понимание влияния ALAN на животных, находящихся на свободном выгуле, нетривиально из-за таких проблем, как измерение уровней света, с которыми сталкиваются мобильные организмы, и отделение эффектов ALAN от эффектов других факторов антропогенного нарушения. Здесь мы описываем подход, который позволяет нам изолировать эффекты искусственного воздействия света на отдельных животных путем экспериментального манипулирования уровнями освещенности внутри гнездовых ящиков. С этой целью может быть использована система, состоящая из светодиодного (светодиодного) света (светодиодов), прикрепленного к пластине и подключенного к системе батареи и таймера. Установка позволяет подвергать особей внутри гнездовых ящиков различной интенсивности и продолжительности ALAN при одновременном получении видеозаписей, которые также включают аудио. Система была использована в исследованиях свободных синиц (Parus major) и синих синиц (Cyanistes caeruleus), чтобы получить представление о том, как ALAN влияет на сон и паттерны активности у взрослых, а также на физиологию и динамику теломер у развивающихся птенцов. Система или ее адаптация могут быть использованы для ответа на многие другие интригующие исследовательские вопросы, такие как то, как ALAN взаимодействует с другими факторами возмущения и влияет на биоэнергетический баланс. Кроме того, подобные системы могут быть установлены в гнездовых ящиках, гнездах или норах различных видов или рядом с ними для манипулирования уровнями ALAN, оценки биологических реакций и работы над созданием межвидовой перспективы. Особенно в сочетании с другими передовыми подходами к мониторингу поведения и передвижения свободно живущих животных, этот подход обещает внести постоянный вклад в наше понимание биологических последствий ALAN.

Введение

Животные эволюционировали с естественными паттернами света и тьмы, которые определяют день и ночь. Таким образом, циркадные ритмы в гормональных системах организуют режимы отдыха и активности и позволяют животным максимизировать физическую форму ^1,2,3. Например, циркадный ритм в глюкокортикоидных гормонах с пиком в начале повседневной активности заставляет позвоночных вести себя надлежащим образом в течение 24-часового периода через влияние на метаболизм глюкозы и реакцию на стрессоры окружающей среды⁴. Аналогичным образом, шишковидный гормон мелатонин, который высвобождается в ответ на темноту, интегрально участвует в управлении паттернами циркадной ритмичности, а также обладает антиоксидантными свойствами ^5,6. На увлечение многими аспектами циркадной ритмичности, такими как высвобождение мелатонина, влияет фоторецепция уровней света в окружающей среде. Таким образом, внедрение искусственного света в окружающую среду для поддержки человеческой деятельности, отдыха и инфраструктуры может оказать широкомасштабное воздействие на поведение, физиологию и приспособленность животных свободного выгула ^7,8. Действительно, различные эффекты воздействия искусственного света в ночное время (ALAN) были задокументированы ^9,10, и ALAN был выделен в качестве приоритета для исследований глобальных изменений в^21-м веке¹⁰.

Измерение воздействия ALAN на животных свободного выгула создает нетривиальные проблемы по ряду причин. Во-первых, подвижные животные, перемещающиеся по окружающей среде, постоянно испытывают различные уровни света. Таким образом, как количественно оценить уровень света, которому подвергаются отдельные животные? Даже если уровни света на территории животного могут быть количественно определены, животное может использовать стратегии избегания, которые влияют на модели воздействия, тем самым требуя одновременного отслеживания местоположения животного и уровня освещенности. Действительно, в большинстве полевых исследований среднее значение и изменение уровней воздействия света неизвестны¹¹. Во-вторых, воздействие ALAN часто коррелирует с воздействием других антропогенных факторов возмущения, таких как шумовое загрязнение, химическое воздействие и деградация среды обитания. Например, животные, занимающие места обитания вдоль краев дорог, будут подвергаться воздействию света от уличных фонарей, шума от автомобильного движения и загрязнения воздуха от автомобильных выбросов. Как же тогда эффективно изолировать эффекты ALAN от эффектов смешанных переменных? Тщательные полевые эксперименты, которые позволяют эффективно измерять как уровни воздействия света, так и переменные реакции, имеют важное значение для оценки серьезности биологических эффектов ALAN и для разработки эффективных стратегий смягчения последствий¹¹.

В данной статье описывается экспериментальный подход, который, хотя и не без ограничений (см. раздел обсуждения), помогает смягчить, если не устранить трудности, указанные выше. Этот подход предполагает экспериментальное манипулирование уровнями ALAN внутри гнездовых ящиков свободно живущего суточного вида птиц, большой синицы (Parus major), с использованием системы светодиодных (LED) огней и инфракрасной (ИК) камеры, установленной в гнездовых ящиках. Настройка позволяет одновременно получать видеозаписи, включая аудио, что позволяет исследователям оценивать влияние на поведение и вокализацию. Большие сиськи используют гнездовые ящики для размножения и спят в гнездовых ящиках в период с ноября по март. Самки также спят внутри гнездовых ящиков во время¹² сезона размножения. Система также была использована в меньшей степени для изучения влияния ALAN на синих синиц (Cyanistes caeruleus). Первая трудность, связанная с знанием уровней освещенности, с которыми сталкивается животное, смягчается тем, что, учитывая, что особь готова войти в гнездовой ящик (или уже находится в гнездовом ящике в случае неподвижных птенцов), уровни освещенности могут быть точно определены исследователем. Вторая трудность, связанная с корреляциями со смешанными переменными, может контролироваться с помощью гнездовых ящиков в аналогичных средах и/или измерения уровней смешения переменных вблизи гнездовых ящиков. Кроме того, у птиц, гнездящихся в полостях, принятие экспериментального подхода является мощным, поскольку гнездовые ящики или естественные полости могут защитить птенцов и взрослых особей от ALAN¹³, что может объяснить, почему некоторые коррелятивные исследования обнаруживают небольшой эффект ALAN (или антропогенного шума)¹⁴, тогда как экспериментальные исследования чаще обнаруживают явные эффекты (см. Ниже). Более того, при повторных мерах может быть принята экспериментальная конструкция, в которой индивиды служат в качестве собственного контроля, что еще больше увеличивает статистическую мощность и вероятность обнаружения значимых биологических эффектов. Разделы ниже: (1) объясняют детали проектирования и внедрения системы, (2) обобщают важные результаты, которые были получены до сих пор с использованием системы, и (3) предлагают будущие направления исследований, которые могут быть продолжены, как у синиц, так и у других животных.

протокол

Все приложения этой системы к экспериментам на животных были одобрены этическим комитетом Университета Антверпена и проводились в соответствии с бельгийскими и фламандскими законами. Методология придерживалась руководящих принципов ASAB/ABS по использованию животных в поведенческих исследованиях. Бельгийский королевский институт естественных наук (Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen; KBIN) предоставил лицензии всем исследователям и персоналу.

1. Создание экспериментальной системы

1. Получите светодиоды широкого спектра действия для использования при создании ALAN. Возьмите светодиодный свет (ы) от светодиодной фары. Используйте либо один светодиодный индикатор, либо несколько (например, 4) светодиодных фонарей широкого спектра для более рассеянного освещения (рисунок 1).
   ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве модификации могут использоваться светодиоды с различными спектральными свойствами (например, красный и синий), но их необходимо будет получить из другого источника (см. Дополнительный материал Grunst et al. 2019¹⁵ для спектральных свойств светодиодов, используемых в прошлых исследованиях с использованием этой системы).
2. Разработайте систему для установки светодиодов вместе с ИК-камерой, чтобы обеспечить поведенческий мониторинг. Исследователи могут достичь этой цели несколькими способами.
   1. Вариант 1. Вставьте один светодиод широкого спектра действия в гнездовой ящик отдельно в пластиковой трубке, прилегающей к ИК-камере, установленной с помощью клея на пластиковой или металлической пластине, которая помещается в гнездовой ящик (рисунок 1A, B).
   2. Вариант 2. Установите ИК-камеру в центральном положении на пластиковую или металлическую пластину, а затем установите светодиодные фонари в фиксированных положениях на пластине, окружающей ИК-камеру (рис. 1С).
3. Спроектируйте средство для подключения системы к источнику питания (аккумулятору) и таймеру.
   1. Используйте нож или дрель, чтобы сделать рощи в боковой части гнездового ящика, через которые могут протянуться проводные разъемы для подключения системы к Fe-батарее (12 В; 120 Втч) и самодельному таймеру (12 В).
   2. Спроектируйте темно-зеленый деревянный корпус, который соответствует гнездовому ящику по цвету, длине и ширине (например, гнездовые ящики, используемые в прошлых исследованиях, имели размеры: 120 мм х 155 мм х 250 мм), и с одним боковым отверстием через шарнир для размещения батареи, регистратора для видео и системы таймера для светодиодов (рисунок 2; Дополнительный рисунок 1 и дополнительный рисунок 2).
4. Разработайте средство, с помощью которого можно регулировать интенсивность ALAN.
   1. Получите резистор (значение зависит от напряжения батареи и освещенности) и подключите его последовательно к светодиоду (светодиодам).
5. Спроектируйте «фиктивные» коробки с теми же размерами, что и корпуса, в которых размещаются таймер и аккумулятор для использования при приучении птиц к системе (т.е. как на рисунке 2А, но без внутренней электроники).
   ПРИМЕЧАНИЕ: В разделах 2 и 3 обсуждаются пошаговые методы, используемые для изучения воздействия ALAN на фокальный организм.

Рисунок 1: Две системы, состоящие из ИК-камер и светодиодных фонарей, используемых для манипулирования ALAN внутри гнездовых ящиков. (A) Вид сверху гнездового ящика с пластиной, удерживающей старую систему на месте. (B) Старая система с 1 светодиодом широкого спектра для управления ALAN и центральной камерой с 10 ИК-светодиодами (c) Более новая система с 4 светодиодами широкого спектра и центральной ИК-камерой с 4 ИК-светодиодами. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Самодельный аккумулятор и таймер, используемый для манипулирования поведением ALAN и видеозаписи. (A) Устройство заключено в деревянный ящик, который установлен поверх гнездового ящика. (B) Вид электроники внутри устройства. Разъемы простираются от гнездового ящика до деревянного корпуса для подключения электроники к ИК-камере и светодиодам широкого спектра. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

2. Планирование эксперимента и регулировка интенсивности и времени ALAN

1. Определите желаемую интенсивность света, которой будут подвергаться животные.
   1. Тщательно продумайте, какую экспериментальную интенсивность света использовать, чтобы получить значимые результаты, которые отвечают на вопрос исследования. В целом, это будет означать выбор экологически значимой интенсивности света, с которой могут столкнуться свободно выгуливающие животные (см. Таблицу 1 для руководства).
2. Отрегулируйте светодиодные лампы на желаемую интенсивность света (например, 1-3 люкса, как это использовалось в прошлых исследованиях; Таблица 1 и Таблица 2).
   1. Перед размещением в полевых условиях поместите систему на гнездовой ящик, взятый в лабораторию, чтобы откалибровать интенсивность света. Подключите светодиоды к источнику питания, как описано ниже (раздел протокола 3).
   2. Отрегулируйте свет, излучаемый светодиодами, до желаемой интенсивности (люкс), поместив измеритель освещенности на уровне птицы в гнездовом ящике (~ 8 см от дна) и одновременно отрегулировав резистор последовательно со светодиодами.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Можно достичь очень низкой интенсивности света (например, уровни свечения сельского неба; 0,01 люкса).
3. Определите временные рамки, в течение которых животные будут подвергаться воздействию ALAN.
   1. Определите продолжительность и время воздействия в течение ночи. Например, можно подвергать животных воздействию ALAN в течение всей ночи, только часть ночи, или оставить период темноты посреди ночи, чтобы уменьшить степень возмущения.
   2. В тех случаях, когда животное должно войти в гнездовой ящик (или определенную область), чтобы подвергнуться воздействию ALAN, также подумайте, следует ли включать свет до или после того, как произойдет событие входа.
4. Установите таймер для управления периодом освещения в ночное время.
   1. Установите таймер, подключенный к светодиодам широкого спектра, таким образом, чтобы свет включался и выключался в определенные периоды времени (например, не менее чем за 2 часа до захода солнца; выключался через 2 часа после восхода солнца).
      ПРИМЕЧАНИЕ: ИК-камера позволяет записывать поведение животного одновременно в течение всего времени воздействия света и будет включена до тех пор, пока оно подключено к заряженной батарее.
5. Определите подходящий экспериментальный дизайн для использования в целевом исследовательском вопросе (вопросах).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для некоторых вопросов повторные измерения экспериментального дизайна будут наиболее мощным вариантом (например, Как воздействие ALAN влияет на поведение сна?). Для других потребуются парные контрольные и экспериментальные группы (например, как воздействие ALAN влияет на потерю теломер у развивающихся птенцов?).

Уровень источника/воздействия	Интенсивность (люкс)
Полный солнечный свет	103000
Полный лунный свет	0.05–1
Городское свечение неба	0.2–0.5
Разоблачение свободноживущих европейских черных дроздов	0.2 (0.07–2.2)
Прошлые экспериментальные исследования с использованием системы	1–3
Светодиодные уличные фонари	~10
Натриевые уличные фонари низкого давления	~10
Натрий высокого давления	~10
Флуоресцентное освещение	300
Металлогалогенные	400–2000

Таблица 1: Характерная интенсивность света в окружающей среде ^3,9, уровни воздействия птиц свободного выгула⁴¹ и интенсивности, использовавшиеся в прошлых исследованиях с использованием этой системы (ссылки в таблице 2).

3. Реализация воздействия ALAN

1. Приучите животных к экспериментальной установке.
   1. Если возможно в контексте эксперимента, приучите животных к установке, разместив фиктивные ящики в верхней части гнездовых ящиков по крайней мере за 1 день до эксперимента, чтобы свести к минимуму последствия неприятия новизны.
2. Опрос основных лиц.
   1. Поместите животных в исследуемую популяцию с пассивными интегративными транспондерными метками (PIT), чтобы можно было идентифицировать их в гнездовых ящиках, не беспокоя птиц.
   2. В экспериментах, связанных с влиянием ALAN на поведение во сне, посетите гнездовые ящики в ночь перед экспериментом и отсканируйте коробки с помощью считывателя радиочастотной идентификации (RFID), чтобы определить, какие птицы гнездятся внутри.
   3. В экспериментах во время сезона размножения, связанных с воздействием аланов на развивающихся птенцов, последовательно контролируйте (например, через день) гнездовые ящики и проверяйте содержимое гнезда и личность взрослых особей. Тщательно отбирайте гнездовые ящики, содержащие выводки с определенными характеристиками (т.е. модальный размер расплода, присутствуют оба родителя и кормятся) для использования в эксперименте.
3. Выберите и реализуйте эксперимент.
   1. Для экспериментов, связанных с поведением во сне, реализуйте повторные меры, разработанные путем предварительной регистрации лиц, спящих в условиях темноты в течение по крайней мере одной ночи, для регистрации ненарушенного сна в отсутствие ALAN (контрольная обработка) после шагов 3.3.2-3.3.21.
   2. С этой целью обязательно синхронизируйте время на ИК-камерах с местным временем, прежде чем выводить их в поле.
   3. Вставьте SD-карту в слот SD в мини-регистраторе DVR, расположенном рядом с батареей (рисунок 2B; Дополнительный рисунок 2). Убедитесь, что SD-карта пуста, а если нет, удалите содержащиеся на ней данные.
   4. По крайней мере, за 2 часа до наступления темноты снимите фиктивную коробку сверху гнездового ящика.
   5. Откройте крышку гнездового ящика.
   6. Поместите пластину с ИК-камерой внутрь гнездового ящика, а объектив камеры ориентирован вниз.
   7. Вытяните электронные разъемы из рощи в гнездовом ящике.
   8. Закройте крышку гнездового ящика.
   9. Поместите корпус, содержащий батарею, рекордер и таймер, поверх гнездового ящика.
   10. Подключите разъемы питания аккумулятора. Подключите красный разъем от рекордера к белому разъему от камеры (аудио), желтый разъем от рекордера к желтому разъему от камеры (видео) и черный разъем от батареи к красному разъему от камеры (питание) (дополнительный рисунок 1 и дополнительный рисунок 2).
   11. Нажмите кнопку записи, чтобы начать запись с камеры.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Таймер не будет установлен и/или питание не будет подключено к таймеру, управляющему светодиодами, так что в контрольные ночи не будет производиться ALAN.
   12. Проверьте с помощью небольшого экрана TFT, чтобы убедиться, что запись началась и что изображение правильное. Порт для подключения tft-экрана расположен под рекордером (дополнительный рисунок 2).
   13. Примерно через 1 ч после наступления темноты вернитесь в гнездовой ящик и проверьте личность птицы, спящей внутри, переместив считыватель транспондера RFID по дну и сторонам гнездового ящика и записав уникальный идентификационный номер, сообщенный с метки PIT.
   14. Утром после контрольной записи, по крайней мере, через 2 часа после восхода солнца, вернитесь в гнездовой ящик и соберите аккумуляторную систему и ИК-камеру.
   15. Опять же, поместите фиктивный ящик поверх гнездового ящика.
   16. В лаборатории или офисе зарядите аккумулятор, извлеките и загрузите SD-карту с диктофона для сбора поведенческих данных.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Батареи имеют срок службы ~ 30 ч в холодных условиях, чтобы обеспечить запись в течение всей ночи, но должны быть полностью перезаряжены между последовательными ночами записи.
   17. После успешной загрузки данных сотрите данные с SD-карты, а затем снова вставьте их в мини-регистратор DVR.
   18. В последующую ночь применяют обработку световым воздействием (например, 1-3 люкса, как это использовалось в прошлых экспериментах с использованием системы; Таблица 1 и Таблица 2).
   19. Установите систему таймера на нужный период времени освещенности.
   20. Выполните те же действия (3.3.2-3.3.17), описанные выше для контрольной записи, а также подключите таймер к источнику питания, а светодиоды к таймеру (дополнительный рисунок 1 и дополнительный рисунок 2).
   21. При желании повторите контрольную запись (поведения во сне в условиях темноты, т.е. отсутствия АЛАНА) на третью ночь.
   22. Для экспериментов, связанных с воздействием АЛАН на птенцов, используйте контрольные и экспериментальные выводки, как описано в шагах 3.3.23-3.3.25.
   23. Поместите фиктивные ящики (без электроники) поверх гнездовых ящиков контрольных выводков и обрабатывайте как контрольных, так и экспериментальных птенцов эквивалентными способами.
   24. Реализуйте экспериментальную экспозицию ALAN для экспериментальных коробок. В течение экспериментального периода установите светодиодную систему и ИК-камеру внутри гнездового ящика, как описано выше, и установите таймер для управления желаемым периодом воздействия света.
   25. Перезарядите батарейки. Для экспериментов, включающих несколько ночей воздействия света и видеозаписи, собирайте системы каждое утро, чтобы заряжать батареи в течение дня, а затем заменяйте систему вечером.
4. Сбор данных об интересующей переменной (переменных) ответа.
   1. Если интересующей переменной является поведение в гнездовом поле, ИК-камера позволит одновременно документировать поведение (например, поведение во сне; Рисунок 3).
   2. Сбор любых других данных, представляющих интерес, с помощью дополнительных методов мониторинга, при этом отбор проб происходит в различные моменты времени (например, образцы крови, взятые до и после воздействия^{света 15}).

Рисунок 3: Инфракрасное изображение большой синицы внутри гнездового ящика, подверженного воздействию ALAN. (A) Спящий и (B) Alert great tit Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Результаты

Рецензируемые научные статьи, опубликованные с использованием этой системы, обобщены в таблице 2. Несколько других рукописей находятся в стадии разработки. В этих исследованиях рассматриваются три основных набора исследовательских вопросов. Во-первых, система была использов...

Обсуждение

Эта система светодиодных фонарей и парная ИК-камера позволили исследователям оценить ряд интригующих вопросов, касающихся биологических эффектов ALAN. Кроме того, существует гораздо больше направлений исследований, которые могут быть продолжены с системой. Кроме того, расширение испол...

Материалы

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