Name: an experimental approach to investigating effects of artificial light at night on free-ranging animals: implementation, results, and directions for future research
Uploaded: 2022-02-02T13:00:00
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Unser Forschungsprogramm zu den biologischen Auswirkungen von ALAN auf Vögel wurde von der FWO Flandern (an M.E. und R.P., Projekt-ID: G.0A36.15N), der Universität Antwerpen und der Europäischen Kommission (an M.L.G., Marie Skłodowska-Curie Fellowship ID: 799667) finanziert. Wir danken den Mitgliedern der Forschungsgruppe Verhaltensökologie und Ökophysiologie an der Universität Antwerpen, insbesondere Peter Scheys und Thomas Raap, für die intellektuelle und technische Unterstützung.

Alle Anwendungen dieses Systems für Tierversuche wurden von der Ethikkommission der Universität Antwerpen genehmigt und in Übereinstimmung mit belgischen und flämischen Gesetzen durchgeführt. Die Methodik hielt sich an die ASAB/ABS-Richtlinien für den Einsatz von Tieren in der Verhaltensforschung. Das Königliche belgische Institut für Naturwissenschaften (Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen; KBIN) stellte Lizenzen für alle Forscher und Mitarbeiter zur Verfügung.
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Dieses auf dem Nestkasten basierende System aus LED-Leuchten und einer gepaarten IR-Kamera hat es den Forschern ermöglicht, eine Reihe faszinierender Fragen zu den biologischen Auswirkungen von ALAN zu bewerten. Darüber hinaus gibt es viele weitere Forschungsrichtungen, die mit dem System verfolgt werden können. Darüber hinaus könnte die Ausweitung der Nutzung des Systems auf andere Arten dazu beitragen, das Verständnis der interspezifischen Unterschiede in der Empfindlichkeit gegenüber ALAN zu fördern. Im Folgen...

Tiere haben sich mit den natürlichen Mustern von Licht und Dunkelheit entwickelt, die Tag und Nacht definieren. So orchestrieren zirkadiane Rhythmen in hormonellen Systemen Ruhe- und Aktivitätsmuster und ermöglichen es den Tieren, die Fitnesszu maximieren 1,2,3. Zum Beispiel bereitet der circadiane Rhythmus in glukokortikoiden Hormonen, mit einem Höhepunkt zu Beginn der täglichen Aktivität, Wirbeltiere dazu an, sich über die 24-Stunden-Periode hinweg angemessen zu verhalten, über Auswirkungen auf den Glukosestoffwechsel und die Reaktion auf Umweltstressoren4. In ähnlicher Weise ist das Zirbeldrüsenhormon Melatonin, das als Reaktion auf Dunkelheit freigesetzt wird, integraler Bestandteil der Steuerung von Mustern der circadianen Rhythmizität und hat auch antioxidative Eigenschaften 5,6. Die Mitnahme vieler Aspekte der circadianen Rhythmizität, wie z.B. die Freisetzung von Melatonin, wird durch die Photorezeption von Lichtniveaus in der Umwelt beeinflusst. Daher hat die Einführung von künstlichem Licht in die Umwelt zur Unterstützung menschlicher Aktivitäten, Erholung und Infrastruktur das Potenzial, weitreichende Auswirkungen auf das Verhalten, die Physiologie und die Fitness freilaufender Tiere zu haben 7,8. Tatsächlich wurden verschiedene Auswirkungen der Exposition gegenüber künstlichem Licht in der Nacht (ALAN) dokumentiert9,10, und ALAN wurde als eine Priorität für die Erforschung des globalen Wandels im 21. Jahrhundert 10 hervorgehoben.
Die Messung der Auswirkungen von ALAN auf freilaufende Tiere stellt aus einer Reihe von Gründen nicht triviale Herausforderungen dar. Erstens erleben mobile Tiere, die sich durch die Umgebung bewegen, ständig unterschiedliche Lichtstärken. Wie quantifiziert man also das Lichtniveau, dem einzelne Tiere ausgesetzt sind? Selbst wenn das Lichtniveau auf dem Territorium des Tieres quantifiziert werden kann, kann das Tier Vermeidungsstrategien anwenden, die die Expositionsmuster beeinflussen und somit eine gleichzeitige Verfolgung des Standorts und der Lichtverhältnisse des Tieres erfordern. Tatsächlich sind in den meisten Feldstudien der Mittelwert und die Variation der Lichtexposition unbekannt11. Zweitens korreliert die Exposition gegenüber ALAN oft mit der Exposition gegenüber anderen anthropogenen Störfaktoren wie Lärmbelästigung, chemischer Exposition und Verschlechterung des Lebensraums. Zum Beispiel werden Tiere, die Lebensräume entlang der Straßenränder besetzen, dem Licht von Straßenlaternen, dem Lärm des Fahrzeugverkehrs und der Luftverschmutzung durch Fahrzeugemissionen ausgesetzt. Wie isoliert man dann effektiv die Auswirkungen von ALAN von den Auswirkungen von Störvariablen? Rigorose Feldexperimente, die gute Messungen sowohl der Lichtexpositionsniveaus als auch der Antwortvariablen ermöglichen, sind unerlässlich, um die Schwere der biologischen Wirkungen von ALAN zu bewerten und wirksame Minderungsstrategienzu entwickeln 11.
Dieser Artikel beschreibt einen experimentellen Ansatz, der, obwohl nicht ohne Einschränkungen (siehe Diskussionsabschnitt), dazu beiträgt, die oben genannten Schwierigkeiten zu lindern, wenn nicht sogar zu beseitigen. Der Ansatz beinhaltet die experimentelle Manipulation der ALAN-Werte in den Nistkästen einer freilebenden, tagaktiven Vogelart, der Kohlmeise (Parus major), unter Verwendung eines Systems von Leuchtdiodenleuchten (LED) und einer Infrarotkamera (IR), die in Nistkästen installiert sind. Das Setup ermöglicht die gleichzeitige Aufnahme von Videoaufnahmen, einschließlich Audio, wodurch Forscher die Auswirkungen auf Verhaltensweisen und Vokalisationen beurteilen können. Kohlmeisen nutzen Nistkästen für die Zucht und schlafen zwischen November und März in den Nistkästen. Die Weibchen schlafen während der Brutzeit12 auch in den Nistkästen. Das System wurde in geringerem Maße auch verwendet, um die Auswirkungen von ALAN auf Blaumeisen (Cyanistes caeruleus) zu untersuchen. Die erste Schwierigkeit, die darin besteht, die Lichtverhältnisse zu kennen, auf die das Tier trifft, wird dadurch gemildert, dass ein Individuum bereit ist, den Nistkasten zu betreten (oder sich bei unbeweglichen Nestlingen bereits im Nistkasten befindet), die Lichtverhältnisse vom Forscher genau bestimmt werden können. Die zweite Schwierigkeit, die Korrelationen zu verwirrenden Variablen beinhaltet, kann durch die Verwendung von Nistkästen in ähnlichen Umgebungen und/oder die Messung der Ebenen von Störvariablen in der Nähe von Nistkästen kontrolliert werden. Darüber hinaus ist bei Hohlraumnistvögeln ein experimenteller Ansatz von Vorteil, da Nistkästen oder natürliche Hohlräume Nestlinge und Erwachsene vor ALAN13 schützen können, was erklären könnte, warum einige korrelative Studien wenig Wirkung von ALAN (oder anthropogenem Rauschen) finden14, während experimentelle Studien häufiger klare Effekte finden (siehe unten). Darüber hinaus kann ein experimentelles Design mit wiederholten Messungen übernommen werden, bei dem Individuen als ihre eigene Kontrolle dienen, was die statistische Aussagekraft und die Wahrscheinlichkeit, sinnvolle biologische Effekte zu erkennen, weiter erhöht. Die folgenden Abschnitte: (1) erläutern die Details des Designs und der Implementierung des Systems, (2) fassen die wichtigen Ergebnisse zusammen, die bisher mit dem System erzielt wurden, und (3) schlagen zukünftige Forschungsrichtungen vor, die sowohl bei Meisen als auch bei anderen Tieren verfolgt werden könnten.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Broad spectrum; 15 mm x 5 mm; LED headlight</td>
			<td>RANEX; Gilze; Nederlands</td>
			<td>6000.217</td>
			<td>A similar model could also be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Battery</td>
			<td>BYD</td>
			<td>R1210A-C</td>
			<td>Fe-battery 12 V 120 Wh ( lithium iron phosphate battery)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dark green paint</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Optional. To color nest boxes/electronic enclosures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrical tape</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>For electronics</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Homemade timer system</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>YP109A 12V</td>
			<td>A similar model could also be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared camera</td>
			<td>Koberts-Goods, Melsungen, DE</td>
			<td>205-IR-L</td>
			<td>Mini camera; a similar model could also be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light level meter</td>
			<td>ISO-Tech ILM; Corby; UK</td>
			<td>1335</td>
			<td>To calibrate light intensity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mini DVR video recorder</td>
			<td>Pakatak, Essex, UK</td>
			<td>MD-101</td>
			<td>Surveillance DVR Recorder Mini SD Car DVR with 32 GB</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Passive integrated transponder (PIT) tags</td>
			<td>Eccel Technology Ltd, Aylesbury, UK</td>
			<td>EM4102</td>
			<td>125 Kh; Provides unique electronic ID</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Radio frequency identification (RFID) Reader</td>
			<td>Trovan, Aalten, Netherlands</td>
			<td>GR-250</td>
			<td>To scan PIT tags and determine bird identity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resistor</td>
			<td>RS Components</td>
			<td></td>
			<td>Value depending on voltage battery and illumination</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SD card</td>
			<td>SanDisk</td>
			<td></td>
			<td>64 GB or larger</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SongMeter</td>
			<td>Wildlife Acoustics; Maynard, MA</td>
			<td></td>
			<td>Optional. Provides a means of monitoring vocalizations outside of nest boxes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TFT Color LED Portable Test Monitor</td>
			<td>Walmart</td>
			<td></td>
			<td>Allows verification that the camera is on and recording the image correctly</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wood</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>To construct nest boxes/electronic encolsures</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an experimental approach to investigating effects of artificial light at night on free-ranging animals: implementation, results, and directions for future research

Tiere haben sich mit natürlichen Mustern von Licht und Dunkelheit entwickelt. Künstliches Licht wird jedoch zunehmend durch menschliche Infrastruktur und Freizeitaktivitäten in die Umwelt eingeführt. Künstliches Licht in der Nacht (ALAN) hat das Potenzial, weitreichende Auswirkungen auf das Verhalten, die Physiologie und die Fitness von Tieren zu haben, was zu breiteren Auswirkungen auf Populationen und Gemeinschaften führen kann. Das Verständnis der Auswirkungen von ALAN auf freilaufende Tiere ist aufgrund von Herausforderungen wie der Messung des Lichtniveaus, auf das mobile Organismen stoßen, und der Trennung der Auswirkungen von ALAN von denen anderer anthropogener Störfaktoren nicht trivial. Hier beschreiben wir einen Ansatz, der es uns ermöglicht, die Auswirkungen der künstlichen Lichtexposition auf einzelne Tiere zu isolieren, indem wir die Lichtverhältnisse in Nistkästen experimentell manipulieren. Zu diesem Zweck kann ein System verwendet werden, das aus Leuchtdioden (LED) besteht, die an einer Platte haften und mit einem Batterie- und Timersystem verbunden sind. Das Setup ermöglicht es, Individuen in Nistkästen unterschiedlichen Intensitäten und Dauern von ALAN auszusetzen und gleichzeitig Videoaufnahmen zu erhalten, die auch Audio enthalten. Das System wurde in Studien an freilaufenden Kohlmeisen (Parus major) und Blaumeisen (Cyanistes caeruleus) verwendet, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie ALAN Schlaf- und Aktivitätsmuster bei Erwachsenen und die Physiologie und Telomerdynamik bei sich entwickelnden Nestlingen beeinflusst. Das System oder eine Adaption davon könnte verwendet werden, um viele andere faszinierende Forschungsfragen zu beantworten, z. B. wie ALAN mit anderen Störfaktoren interagiert und das bioenergetische Gleichgewicht beeinflusst. Darüber hinaus könnten ähnliche Systeme in oder in der Nähe der Nistkästen, Nester oder Höhlen einer Vielzahl von Arten installiert werden, um ALAN-Spiegel zu manipulieren, biologische Reaktionen zu bewerten und auf den Aufbau einer interspezifischen Perspektive hinzuarbeiten. Insbesondere in Kombination mit anderen fortschrittlichen Ansätzen zur Überwachung des Verhaltens und der Bewegung freilebender Tiere verspricht dieser Ansatz fortlaufende Beiträge zu unserem Verständnis der biologischen Implikationen von ALAN.

Die mit diesem System veröffentlichten Peer-Review-Forschungsartikel sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Mehrere andere Manuskripte sind in Arbeit. Diese Studien befassen sich mit drei großen Forschungsfragen. Erstens wurde das System verwendet, um die Auswirkungen der Lichtexposition auf das Schlafverhalten und das Aktivitätsniveau bei Erwachsenen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde ein experimentelles Design mit wiederholten Messungen verwendet, bei dem dasselbe Individuum zunächst das Schlafen un...

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An Experimental Approach to Investigating Effects of Artificial Light at Night on Free-Ranging Animals: Implementation, Results, and Directions for Future Research

Künstliches Licht in der Nacht (ALAN) hat weitreichende biologische Wirkungen. Dieser Artikel beschreibt ein System zur Manipulation von ALAN in Nistkästen bei gleichzeitiger Überwachung des Verhaltens, bestehend aus LED-Leuchten, die mit einer Batterie, einem Timer und einer audiofähigen Infrarot-Videokamera gekoppelt sind. Forscher könnten dieses System nutzen, um viele offene Fragen zu den Auswirkungen von ALAN auf Organismen zu untersuchen.

Ein experimenteller Ansatz zur Untersuchung der Auswirkungen von künstlichem Licht bei Nacht auf freilaufende Tiere: Umsetzung, Ergebnisse und Richtungen für zukünftige Forschung

Animals have evolved with natural patterns of light and darkness. However, artificial light is being increasingly introduced into the environment from ...

Unsere Methode zur Manipulation von künstlichem Licht in der Nacht oder ALAN in Nistkästen ist leistungsfähig, um die Auswirkungen von ALAN auf das Verhalten, die Physiologie und die Fitness von Tieren zu bestimmen. Diese Technik hilft, die Herausforderungen zu überwinden, die mit der Untersuchung der Auswirkungen von ALAN auf freilaufende Tiere verbunden sind, da Forscher Tiere nachts kontrolliert Licht aussetzen können. Dieses System kann bei jeder Vogel- oder Säugetierart verwendet werden, die Hohlräume zum Brüten oder Ausruhen verwendet, und hat auch das Potenzial, für den Einsatz in anderen Kontexten modifiziert zu werden.Beginnen Sie damit, die Tiere an den Versuchsaufbau zu gewöhnen, indem Sie mindestens einen Tag vor dem Experiment eine Dummy-Box auf die Oberseite des Nistkastens stellen, um die Auswirkungen der Neuheitsaversion zu minimieren. Um die Fokuspersonen zu begutachten, passen Sie die Tiere in der Studienpopulation mit einem passiven integrativen Transponder oder PIT-Tag an, um eine Identifizierung innerhalb des Nistkastens zu ermöglichen, ohne die Vögel zu stören. In Experimenten, bei denen es um die Wirkung von künstlichem Licht in der Nacht oder ALAN auf das Schlafverhalten geht, besuchen Sie die Nistkästen in der Nacht vor dem Experiment und scannen Sie die Boxen mit einer Radiofrequenzanzeige oder einem RFID-Lesegerät, um festzustellen, welche Vögel sich darin aufhalten.Um den ungestörten Schlaf in Abwesenheit von ALAN aufzuzeichnen, implementieren Sie ein Design für wiederholte Messungen, indem Sie den Schlaf unter dunklen Bedingungen für eine Nacht und dann in Anwesenheit von ALAN für eine Nacht aufzeichnen. Synchronisieren Sie in beiden Nächten, bevor Sie die Infrarot- oder IR-Kamera ins Feld bringen, die Zeit mit der Ortszeit. Legen Sie als Nächstes eine MDSD-Karte in den SD-Steckplatz in den Mini-DVR-Recorder neben dem Akku ein.Entfernen Sie mindestens zwei Stunden vor Beginn der Dunkelheit den Dummy-Kasten von der Oberseite des Nistkastens und öffnen Sie den Nistkastendeckel, um die Platte mit der IR-Kamera im Inneren zu platzieren, wobei das Kameraobjektiv nach unten ausgerichtet ist. Verlängern Sie dann die elektronischen Steckverbinder aus der Nut im Nistkasten. Nachdem Sie den Nistkastendeckel geschlossen haben, legen Sie das Gehäuse mit Batterie, Rekorder und Timer auf den Nistkasten.Schließen Sie dann den roten Stecker vom Recorder an den weißen Stecker der Kamera, den gelben Stecker des Recorders an den gelben Stecker der Kamera und den schwarzen Stecker aus dem Akku an den roten Stecker der Kamera an. Und für die ALAN-Nacht die LEDs zum Timer und der Timer zur Stromquelle. Sobald das Gerät angeschlossen ist, setzen Sie die Drähte in die Gehäuse ein, in denen das System untergebracht ist.Wenn die Aufnahme beginnt, überprüfen Sie mit einem kleinen TFT-Bildschirm, um das richtige Bild sicherzustellen, und drücken Sie dann Aufnahme. Kehren Sie eine Stunde nach Einbruch der Dunkelheit zum Nistkasten zurück, um die Identität der darin schlafenden Vögel zu überprüfen, indem Sie einen RFID-Transponderleser um den Boden und die Seiten des Nistkastens bewegen und die vom PIT-Tag mitgeteilte eindeutige Identifikationsnummer aufzeichnen. Am Morgen nach der Kontrollaufzeichnung, zwei Stunden nach Sonnenaufgang, holen Sie das Batteriesystem aus dem Nistkasten ab, bevor Sie den Dummykasten auf dem Nistkasten zurückgeben.Laden Sie im Labor die Batterie auf und entfernen und laden Sie die SD-Karte aus dem Rekorder herunter, um die Verhaltensdaten zu sammeln. Nachdem Sie die Daten erfolgreich heruntergeladen haben, löschen Sie die Daten von der SD-Karte, gefolgt von der Einlegung der Karte in den Mini-DVR-Rekorder. Implementieren Sie in einer folgenden Nacht die Lichtbelichtungsbehandlung, indem Sie das Timer-System für die gewünschte Zeit der Lichtbelichtung einrichten und die Aufzeichnung wie zuvor beschrieben steuern, wobei der Timer an die Stromversorgung angeschlossen ist und die LEDs an den Timer angeschlossen sind.Bei Experimenten mit mehreren Nächten Lichtbelichtung und Videoaufzeichnung sammeln Sie die Systeme jeden Morgen, um die Batterien tagsüber aufzuladen, und ersetzen Sie das System dann abends. Sammeln Sie später Daten zu den Antwortvariablen von Interesse. Die Studie dokumentierte die dramatischen Auswirkungen der ALA-Exposition auf das Schlafverhalten.Die Vögel, die ALAN mit einer relativ geringen Intensität von 1,6 Lux ausgesetzt waren, wachten eine halbe Stunde früher auf, verließen den Nistkasten 20 Minuten früher und schliefen 40 Minuten weniger als die Kontrollvögel. Hier konzentrieren wir uns auf die Verwendung des Systems, um die Auswirkungen auf den Schlaf zu bewerten, aber das System kann auch verwendet werden, um die Auswirkungen auf die Entwicklung von Nestlingen während der Brutzeit zu testen. Um die physiologischen Auswirkungen der ALAN-Exposition zu bewerten, können Tiere gefangen, Blutproben entnommen und morphometrische Messungen durchgeführt werden.Dieses auf Nistkästen basierende System hat es den Forschern ermöglicht, eine Reihe faszinierender Fragen zu den biologischen Auswirkungen von ALAN zu bewerten, die zuvor nicht bewertet werden konnten, wie z.B. Auswirkungen auf den Schlaf.

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