אור מלאכותי בלילה מקדם את הפיזיולוגיה של הרבייה אצל עופות Artificial light at night advances avian reproductive physiology

אור מלאכותי בלילה מקדם את הפיזיולוגיה של הרבייה אצל עופות/ציפורים

דיויד דומיוני, מייקל קיטינג, וג’סקו פרטקה

תקציר

אור מלאכותי בלילה הוא תופעה הגוברת במהירות ומשערים כי יש לו השלכות גלובליות. אור בלילה נקשר עם בעיות בריאותיות בבני אדם כתוצאה של שינויים ביולוגיים מקצבים. השפעות על חיות בר נחקרו פחות, אבל ישנה הנחה כי אור בלילה משפיע על מחזורים עונתיים של תושבי העיר. באמצעות מכשיר אור לוגרס המקושר לציפורים שחורות חופשיות באירופה (מסוגTurdus Merula ), דבר ראשון מדדנו את עוצמת האור בלילה אשר ציפורי עיר וציפורי יער חשופות אליו בטבע. אחר כך השתמשנו במידות האלה כדי לבדוק את ההשפעה של אור בלילה על התזמון של פיזיולוגיה של הרבייה. ציפורי עיר וציפורי יער היו חשופות או לחושך או לאור נמוך בלילה בעוצמה (0.3 lux). ציפורים שנחשפו לאור בלילה פיתחו את מערכת הרבייה שלהם עד חודש מוקדם יותר, וגם נוצותיהם נשרו מוקדם יותר, מאשר ציפורים שנשמרו בלילות אפלים. יתר על כן, ציפורי העיר הגיבו אחרת מאשר ציפורי היער אל האור בלילה הטיפול, טוען כי העיור יכול לשנות את הפנוטיפ הפיזיולוגי של ציפורי שיר. התוצאות שלנו מדגישות את ההשפעה של תאורה ההנגרמת על ידי האדם על האקולוגיה של מיליוני בעלי חיים החיים בערים וקוראים להבנת ההתאמה והשלכות של זיהום אור.

הקדמה

בכל רחבי העולם, אזורים עירוניים גדלים מהר יותר מכל סוג קרקע אחר. ככל שהערים מתפשטות, אזורים כפריים וטבעיים הופכים לנופים עירוניים, הפחתת בית הגידול של מינים רבים של בעלי חיים וצמחים. למרות זאת, יש מספר גדל והולך של מינים על פני קבוצה גדולה שמצליחים בהצלחה ליישב ולהתרבות בסביבות עירוניות, ולכן, חשופים לתנאים סביבתיים חדשים. אקולוגיה עירונית היא שדה מבוסס בתחום המחקר: האקולוגים הראו מזמן את השפעת העיור על הדינמיקה של האוכלוסייה והקהילה, ובשני העשורים האחרונים מתעורר עניין חדש סביב מנגנוני התגובה של הפרט לעיור, למשל מתח ופיזיולוגיה של הרבייה, דפוסי פעילות מרחבית וטמפורלית, מטבוליזם והתנהגות. יתר על כך, בעוד שההשפעה של הרעש בקהילה וברמת הפרט החלה להיות מוסברת, ידע על ההשלכות האקולוגיות והאבולוציוניות של תאורה מלאכותית הלילה עדיין מוגבל. זה מדהים בהתחשב בעדויות רבות כי לאור דרך השינויים ו /או תנודות עונתיות (שינויים באורך היום) יש רלוונטיות ביולוגית חזקה על המקצבים היומיים והשנתיים של החיים.

פונקציות עונתיות, כגון רבייה, נחשבות להיות תחת סלקציה טבעית, בגלל שתיזמון אופטימלי, כלומר כאשר התנאים הסביבתיים חיוביים ביותר, מבטיח את הישרדותם הטובה ביותר של שני ההורים ושל הצאצאים. בגלל שפונקציות עונתיות דורשות תקופות ארוכות יחסית של פיתוח, רובן לא ניתן להתחיל באופן מיידי כאשר הגורמים האולטימטיביים הופכים אופטימליים. זה הוא נכון במיוחד עבור רבייה, אשר הגורם העיקרי האולטימטיבי, מזון, הופך להיות מכריע כאשר צאצאים דורשים כמות הולכת וגדלה של מזון. לפיכך, ההיענות לרמזים באופן הקרוב ביותר היא חיונית. בציפורים, מינים החיים באזורים מתונים משתמשים בזמן האור כדי לחזות עיתוי אופטימלי של רבייה. הגידול באורך היום בתחילת האביב יוזמת מפל של אירועים נוירואנדוקריניים ומוביל להתפתחות הגונדות.

אם זמן אור הוא רמז מנבא העיקרי של רבייה בציפורים, איך בעלי חיים אלה מתמודדים בבית גידול מואר כמו עיר? יש יותר ויותר עדות לכך שלציפורים עירוניות יש עונת רבייה מורחבת, בעיקר בשל הופעה מתקדמת של רבייה. באירופה ציפורים שחורות (Turdus merula), למשל, הופעת בלוטת גונדל התקדמה עד שלושה שבועות באוכלוסיית העיר, אצל זכרים וגם אצל נקבות. מספר גורמים פוטנציאלים נחשבו מסבירים את ההבדלים שנצפו בעיתוי של רבייה באזורים עירוניים, כגון אנתרופוגניים אספקת מזון, אקלים חם יותר, וגירוי חברתי אינטנסיבי יותר. בנוסף, שוער ע”י רוואן כי אור מלאכותי בלילה מעורר מוקדם רבייה בלונדון בסטרלינג (Sturnus vulgaris). מדעני עופות יודעים זמן רב כי חשיפת ציפורים לימים ארוכים יכול לעורר רבייה מחוץ לתקופה הרבייה הטבעית. יחד עם זאת, את ההשפעות של אור בלילה על התחדשות בלוטות גונדל נחקרו באמצעות עוצמות אור גבוהות מ 15 lux, ערך זה עשוי להיות בעוצמה רבה יותר מעל מה שציפורים נחשפות באזורים עירוניים. ואכן, אחד האתגרים העיקריים עבור מחקרים ניסיוניים החוקרים את ההשפעה של זיהום האור על חיות בר הוא חוסר ידע על גובה רמות האור בלילה אליו חיות נחשפות בערים. אנחנו ניגשנו לבעיה זו על ידי תיוג ציפורים פראיות באירופה- ציפורים שחורות עם לוגרים של מיקרו אור, ושחררנו אותם בבתי גידול עירוניים וכפריים. נתוני השדה אפשרו לנו לדמות באופן ניסיוני את עוצמת האור שבדרך כלל עופות שחורים נודדים חשופים בסביבה העירונית הטבעית שלהם, ולבדוק אם עוצמת אור נמוכה בלילה עלולה לגרום לשינויים בעיתוי של פיזיולוגיה הרבייה.

כלים ושיטה

1. מדידה של חשיפה טבעית לאור בלילה עבור ציפוריים חופשיות

על מנת לאמוד את עוצמת האור אליו ציפורים חופשיות נחשפות בלילה, השתמשנו מיקרו-לייט לוגר (סיגמא דלתא טק, אוסטרליה, משקל = 3 גרם). הלוגרים הכילו פוטודיודה (USA, (TSL 235, TAOSאשר היענות ספקטרלית נעה בין 300 ל 1100 ננומטר (שיא ב 780 ננומטר). כל לוגר היה מכויל במהלך דמדומי הבוקר מול פוטומטר (LI-1400 ו- LI-2100, LI-COR, USA) לחישוב ההארה (lux) מערכי תדרים. ההקלטות נעו בין 0.00004 ל- 40,000 lux. הלוגר מקליט ומאחסן את עוצמת האור בכל 2 דקות. אנחנו פרסנו את הלוגרים בין חודשים מרץ ויוני ב-2 שנים (2009 ו 2010) על 15 זכרים של ציפור שחורה שנתפסו בעיר מינכן (518 ,488070N, 118340E מ’ מעל פני הים, גרמניה) וביער כפרי ליד הכפר רייסטינג553 ,478530 N, 11804 E) מ’ מעל פני הים)  40ק”מ דרומית מערבית למינכן. הציפורים מיד שוחררו לטריטוריה שלהם. אנחנו לכדנו את הציפורים כשהיה אפשרי לאחר שבוע של הקלטות. אנחנו ניתחנו רק נתונים שנרשמו בין 10.00 ל 16.00, כי רצינו להימנע מלכלול את שלבי הדמדומים בניתוח. עבור זכרים ביער (n = 7), עוצמת האור בלילה היתה תמיד הערך הנמוך ביותר שניתן להבחין ע”י לוגר אור, עשינו ממוצע של ערכים אלו עבור כל הציפורים. עבור זכר בעיר (n = 8), חישבנו את החציון ואת המקסימום של הרבעון השלישי של כל המדדים בלילה ואז ממוצע של ערכים אלו עבור כל הציפורים (איור 1).

איור 1. חשיפה טבעית לאור בלילה של ציפורים שחורות חופשיות החיות בעיר באירופה. עמודות בצבע אפור בהיר מייצגים נתונים המתקבלים מלוגרים הנפרסים על ציפורים בודדות (n=8) בסביבה העירונית הטבעית שלהם. לכל אחד מציפורי העיר חישבנו חציון ומקסימום של הרבעון השלישי של כל הלילות, והשתמשו בממוצע של ערכים אלו מכל הציפורים. פסים אפור כהה מייצגים את עוצמת האור הנמדדת תחת מנורת רחוב באתר המחקר (6 lux). עמודה חורה מייצג את עוצמת האור (0.3 לוקס) שהשתמשו בניסוי כדי לדמות חשיפה אורבנית לאור בלילה בקבוצת הניסוי.

2. ציפורים

בחודש יולי 2010, לכדנו 40 ציפורים שחורות חדשות של זכרים בוגרים  (20 עירוני, 20 כפריים) באתרים כפריים ועירוניים אותם תיארנו בסעיף הקודם. הציפורים הועברו בכלובי בד למתקנים שלנו ב’רדולפצל’ (478440 N,   885880 E, 404 מ’ מעל פני הים), ונשמרו בנפרד בכלוב ציפורים עד 26 נובמבר 2010, אז הם הועברו פנימה לכלובים נפרדים בשני חדרים נפרדים. כל חדר כולל 10 ציפורי עיר ו -10 ציפורי יער, כולם חשופים לגמרי  למחזורי אור / חושך (LD) המדמה את השינוי הטבעי של זמן אור של ‘רדולפצל’. הציפורים יכלו לשמוע אבל לא לראות אחד את השני. מזון ומי שתייה היו זמינים. הערכנו את מסת הגוף והשומן של ציפורים ביום שבו הועברו פנימה, ולאחר מכן, בכל חודש. הציפורים היו נשקלות ע”י משקל מעבדה (KERN PCB 1000-2, דיוק 0.01 גרם, KERN, גרמניה) וציון כמות השומן התת עורית בסולם של 0-8. נשירת נוצות נבדקה על בסיס שבועי החל ממרץ 2011. כדי לקבוע את תחילתה של הנשירה, השתמשנו בנשירת נוצות הטיסה. לשם כך, אנחנו תעדנו את המצב של נוצות הטיסה על בסיס שבועי באמצעות שיטה שונה.  ברגע שציפור הנשירה או שגדל מחדש הפנימית הראשונה (ראשונית 1) של שמאל וימין יחד הגדרנו את התאריך הזה כנקודת התחלה.

3. טיפול באור

הניסוי התחיל ב -18 בדצמבר 2010. זמן אור בעקבותיו שינויים טבעיים מקומיים של אורך היום בשתי קבוצות טיפול לאורך כל הניסוי. קבוצת ביקורת נשארה תחת מחזור LD. ציפורים בקבוצות הניסוי נחשפו למחזורים של אור / אור עמום. עוצמת אור יום בשתי הקבוצות נע בין 250 ל 1250 lux, והיה מסופק על ידי נורות לבנות פלואורסצנטיות (Biolux 36 W, Osram, גרמניה) פולטות אור באורכי גל המכסים את הספקטרום הנראה. בגלל שעוצמת האור הנמוכה ביותר של נורות פלורסנט היתה עדיין גבוה מאוד (כ 20 lux), השתמשנו  בנורת תאורה ליבון (SLV Elektronic, גרמניה, עם אורך גל טווח של 450-950 ננומטר, נמדדת עם זרם אדום USB650 ספקטרומטר (OceanOptics, ארה”ב)) כדי לדמות את עוצמות האור הנמוך שציפורים שחורות חופשיות חוות בלילה. מנורות ליבון הותקנו כך שהציפורים לא יכלו לראות את הנורות באופן ישיר, ורק קיבלו את האור העקיף. בחרנו בסוג זה של נורה כי ראשית הוא מקור אור נפוץ באזורים עירוניים, למשל עבור קישוט אור בחוץ של בתים שנית הוא נציג של הספקטרום של האורות הפרוסים בעיר מינכן (אורות אדומים צהובים). עוצמת האור בלילה בקבוצת הניסוי נקבע ב- 0.3 lux. קבוצת הביקורת נחשפה לעוצמת אור מקסימלית של 0.0001 לוקס במהלך הלילה, המסופקת על ידי אותו סוג נורה המשמשת את קבוצת הניסוי. עוצמת אור זו של כ 0.0001 לוקס שימש כדי לאפשר ציפורים להתמצא בכלוב במשך הלילה. כל קבוצה נחשפה לדמדומים שלב של 35 דקות הן בבוקר והן בערב. תוכניות האור של שני החדרים היו בשליטת Gira Homeserver (גרמניה). עוצמת האור בכלובים נמדדה בכל ארבע תאים בכלוב באמצעות LI-1400 לוגר נתונים LI-210 photometric חיישן. הערכים ניתנים כממוצע המדידות בכל ארבע התאים.

4. ניתוח הורמונלי

על מנת לכמת את ההשפעות של אור בלילה על הפרשת טסטוסטרון פלזמה (T), אספנו דגימות דם. דגימת דם נערכו ב -8 בדצמבר 2010, לפני תחילת הניסוי. לאחר מכן, השגנו דגימת דם מכל פרט כל שלושה עד ארבעה שבועות. ניקבנו את וריד הזרוע עם מחט של 25 גרם ואספנו 200 מ”ל של דם בצינור המטוקריט. פלסמה הופרדה מתאי דם אדומים ע”י צנטריפוגה במשך 10 דקות (כוח g=18.63) בתוך 30 דקות לאחר סוף הדגימה ולאחר מכן חלק הפלסמה היה מאוחסן ב 2808 צלזיוס. קבענו ריכוז פלזמה T באמצעות (EIA) של ערכת אנזים אימוני מסחרית (מס ‘901-065, אנזו מדעי החיים, ניו יורק, ארה”ב), בעקבות  אתר דיאטיל כפול, מיצוי של 20 מ”ל נפח  מדגם. לאחר ייבוש תמצית תחת זרם חנקן, 400 מ”ל של מים מלוחים נוספו והדגימות שוחזרו לאורך הלילה. מתוך כל מדגם חדש השתמשנו 200 מ”ל עבור EIA, מופרדים באופן שווה בשתי בארות סמוכים. עקבנו לאורך ההוראות שסופקו על ידי היצרן. רמות של T חושבו באמצעות פרמטר-5 עקומת לוגיסטיקה – מותאמת לתוכנית (ניהול מיקרופלט, מעבדות ביו-רד בע”מ, קליפורניה, ארה”ב). דגימות פלסמה מכל פרט לכל מחזור הרבייה (תשע דגימות לכל ציפור) נותחו על אותה צלחת. דוגמאות של שני פרטים נכללו על כל צלחת. סך הכל הריצו 20 מבחנים. מבחן רגישות נמוכה היה 5.67 pg ml21 פלזמה T. ממוצע מקדם השתנות של מבחן חוזר לכל צלחת היה 6.9 אחוזים ו מקדם השתנות של מבחן פנימי היה 11.9 אחוזים.

5. הערכת גודל אשכים

גודל האשכים הוערך באמצעות חיתוך כירורגי בקיר הבטן. חתכים בוצעו תחת הרדמה של (סיפי-פארמה, גרמניה). רוחב האשך השמאלי נמדד קרוב ל -0.1 מ”מ. חתכים טופלו עם ג’ל ) Actihaemyl מדה-פארמה GmbH, גרמניה) ונסגרו עם Histoacryl (בראון, גרמניה). כל הציפורים התאוששו במהירות מן ההליך. החיתוך הכירורגי נערך שבוע לאחר לקיחת דגימת הדם שהוזכרה בפיסקה הקודמת. השגנו את רוחב האשכים הבסיסית מכל הציפורים ב -15 בדצמבר 2010, לפני תחילת הניסוי. לאחר מכן, החיתוכים הכירורגים נערכו מדי חודש.

6. הקלטות שירים

פעילות השיר נרשמה כל שלושה עד ארבעה שבועות. מיקרופון שיכול לקלוט ולשדר כל הכיוונים (T-BONE, אוסטרליה) היה קבוע על התקרה של כל חדר מצביע למטה לכלובים. כלומר, הקלטה של שיר נעשתה על בסיס כל חדר (ביקורת לעומת ניסיוני), כך שלא ניתן לכמת שגיאות תקן. המיקרופון היה מחובר למקליט דיגיטלי מסוג Tascam DR-08 (TEAC Corporation, יפן). ההקלטות החלו אחר הצהריים ונמשך 24 שעות. עבור מחקר זה, נותחו רק הקלטות מחמש שעות לפני הופעת דמדומי הבוקר, הזמן בו השיר הראשון הופיע הוקלט והוא דווח דקות לפני הדמדומים.

7. ניתוח סטטיסטי

כל הניתוח הסטטיסטי בוצע עם תוכנה  R v.2.13.0כל הבדיקות היו מבחן t דו-זנבי והמובהקות שהתקבלה ב α=0.05. שינוי בגודל האשכים נותח על ידי תוסף כללי מודלים של אפקטים מעורבים (GAMMs, R Packa mgcv). יומן טרנספורמציה רוחב האשכים נכלל כמשתנה תגובה על מנת להגיע לנורמליות ולהומוגניות של שונות. טיפול,  נכלל כאינטראקציה בין הטיפול למקור נכללו כתנאים פרמטריים. ארבע האינטראקציות האפשריות בין רמת הגורמים לתאריך בוצעו במודל כתנאים. כדי להסביר את משתנה הבלתי תלוי של מדידות חוזרות, הנבדקים נכללו כמעכבים אקראיים במודל. בנוסף, ציינו ערכי סף של רוחב האשכים כדי להעריך את משך “עונת הרבייה”. התחלה וסיום  פונקציות אשכים הוגדרו כתאריכים שבהם רוחב האשכים הגיעה לערך של 5 מ”מ. סף זה נבחר על הנחה כי האשכים מתחילים לייצר זרע בחצי נפח מרבי. התאריך המדויק שבו צמיחה של האשכים ורגרסיה עברו את ערך הסף היה אומדן עבור כל אחד מן ארבעת הפרמטרים במשוואה הלוגיסטית (תוכנת GRAPHPAD, ארה”ב). המשוואה ששימשה הייתה: גודל אשכים B=  B+(A-B)/1+(C-date)/Dכאשר A= עקומה נמוכה של אסימפטוטה B= אסימפטוטה גבוהה של העקומה, C= תגובה לחצי דרך בין תחתון לעליון ו D=שיפוע העקומה בחצי הדרך בין תחתון ועליון. אורך “עונת הרבייה” הוגדרה כמספר הימים אשר לפרט היו מבחנים פונקציונליים.

נתונים על טסטוסטרון (T) נותחו עם מודל ליניארי מעורב (LMMs, R package lme4)יומן טרנספורמציה T היה כמשתנה תגובה. תאריך פולינומיאלי, מוצא, טיפול וכל אינטראקציות אפשריות נכנסו למודל כגורמים קבועים. הנבדקים נכללו באופן אקראי. מודלים הוערכו על ידי השוואה לקריטריון המידע (AICs). אנחנו החשבנו את המודל הטוב ביותר שיחד עם AIC הנמוך ביותר שכלל תאריך, מוצא, טיפול ואת האינטראקציה בין הטיפול לבין תאריך, והטיפול לבין התאריך השני הפולינומיאלי. הערך p עבור כל אומדן חושב על ידי שרשרת מונטה קרלו מרקוב (MCMC) באמצעות הפונקציה pvals.fnc בשפת החבילה .R האינטראקציות הוערכו על ידי השוואת 95 אחוזים של האומדנים עבור כל קבוצת טיפול בכל נקודת זמן של מחזור הרבייה (CI). מחזור רבייה חושב באמצעות פונקציה sim בחבילה R.  שקלנו ששתי הקבוצות יהיו שונות משמעותית אם האומדן של מחזור הרבייה עבור קבוצה אחת לא נכלל בהערכות של הקבוצות האחרות. השתמשנו באותו סוג של מודלים והליך לנתח את הווריאציה של משקל הגוף ואת ציוני השומן. בכל אלה מודלים AIC הטוב ביותר היה תמיד נתון על ידי הכללת האפקט הליניארי  של תאריך, מוצא וטיפול, אך לא אינטראקציות. זמן ההתחלה של הנשירה הושווה בין טיפולים ואוכלוסייה באמצעות מודלים לינאריים כלליים עם מבנה שגיאות וקישור יומן. התאריך של תחילת הנשירה נכלל כמשתנה תגובה, וטיפול, מוצא והאינטראקציה שהם משתנים מסבירים. האינטראקציה לא הייתה משמעותית, ולכן הסרנו אותה.

תוצאות

בשטח נחשפו ציפורי יער חופשיים (n = 7) בממוצע ל 0.00006 lux בלילה. לעומת זאת, ציפורי עיר חופשיים (n = 8) נחשפו לרמות אור המשתנות מאוד בלילה (טווח 0.07-2.2 lux, ממוצע 0.2 lux, איור 1).

טבלה 1: גודל האפקט של טיפול באור ותזמון גדילת אשכים ורגרסיה. =a גדילת אשכים, רגרסיה=b, ערבוב לאחר התאמת גדילת נשירה של כל פרט=c, משך מבחנים פונקציונלים מחושבים כמספר הימים בין a ל- b.

לא היה הבדל במסת גוף בין ציפורי העיר לציפורי היער (LMM, MCMC estimate = 20.40, pMCMC = 0.67) או בשומן (LMM, MCMC estimate = 0.06, pMCMC = 0.70) לפני ובמשך כל הניסוי. יתר על כן, טיפול באור לא משפיע על משקל גוף, (LMM, MCMC estimate = 0.08, pMCMC = 0.93) או על שומן (LMM, MCMC estimate = 0.17, pMCMC = 0.35) במשך תקופת הרבייה.

ציפורי הניסוי נחשפו לעוצמת אור של 0.3 lux בלילה פיתחו מבחנים תפקודיים בממוצע 26 ימים (אינטרפולציה מהמודל הלוגיסטי, טבלה 1 ואיור 2 א) מוקדם מאשר ציפורי הביקורת תחת לילות אפלים (GAMM, p< 0.001, טבלה 2). ציפורי העיר הפכו פעילים ברבייה בממוצע 13 ימים מוקדם יותר מאשר נבדקי היער (טבלה 1). לאחר התחשבות בהשפעה המיוחסת לשונות פרוטוקול אור, הבדל זה היה משמעותי (GAMM, p = 0.025, טבלה 2), המאשר תוצאות קודמות על זכר פראי ציפורים שחורות מאותן אוכלוסיות. התוצאה של המודל שלנו גילה אינטראקציה משמעותית בין הטיפול (GAMM, p< 0.041, טבלה 2). אינטראקציה זו ניכרת במהלך שלב רגרסית האשכים. ציפורי עיר חשופים לאור בלילה היו ברגרסיה האשכים שלהם 14 ימים קודם לכן מאשר ציפורי יער החשופים לאור מלאכותי בלילה, ואילו ציפורי יער ועיר תחת לילות אפלים היו שונים זה מזה על ידי שלושה ימים בעיתוי של רגרסיה באשכים (טבלה 1). בסהכ ציפורי הניסוי שמרו על מבחנים תפקודיים 12 ימים יותר מציפורי הביקורת. בפרט, לציפורי יער ועיר היו בהתאמה, 9 ו 12 ימים יותר משך עונת הרבייה לעומת עמיתיהם בקבוצת הביקורת (טבלה 1).

רמות הפלסמה T נבדלו גם בין קבוצות הטיפול. הציפורים שנחשפו לאור בלילה החלו לעלות את הפרשת טסטוסטרון פלזמה מוקדם יותר מציפורי ביקורת (השפעה משמעותית של טיפול × תאריך)  אינטראקציה: LMM, MCMC הערכה = 20.6, pMCMC = 0.0001 ואפקט משמעותי לאינטראקציה בין טיפול × תאריך שני: LMM, MCMC אומדן = 20.05, pMCMC =0.0002). באופן מיוחד, מצאנו הבדלים משמעותיים במדידות שנעשו ב 21 ינואר (ביקורת: ממוצע = 21.76, CI = 22.02, 21.50; ניסוי: ממוצע = 21.24, CI = 21.50, 20.99). למרות שציפורים עירוניות נטו להגדיל את ריכוז T שלהם מוקדם יותר מאשר ציפורי יער, השפעות אלה אינן משמעותיות ולא אינטראקציה בין מוצא לבין טיפול שונה משמעותית (איור 2 ב).

אור בלילה השפיע גם על עיתוי הנשירה (איור 2 א). ציפורים תחת אור בלילה התחילו את הנשירה שלהם בממוצע 22 ימים לפני הציפורים תחת לילות אפלים (GLM, d.f = 38, z = -5.59, p< 0.001). בנוסף, גילינו הבדלים בתוך הטיפול: בשני הטיפולים קבוצות עופות העיר החלו לנשור בממוצע 13 ימים לפני ציפורים יער (GLM, d.f. = 38, z = -3.28, p = 0.001).

שתי קבוצות הביקורת והטיפול הראו שונות עונתית בתחילת השיר של בוקר. קבוצת הניסוי הראה הופעה מוקדמת יותר של מקהלת שחר מאשר קבוצת ביקורת, התקדמות השיר מתחיל באופן דרמטי ביותר במרץ אפריל (איור 2 ג).

דיון

כאן, אנו מראים כי אפילו עוצמות אור נמוכות מאוד בלילה מסוגלות לשנות את התזמון של פיזיולוגיית הרבייה של ציפורי שיר. למרות שההשפעה של גירוי אור בלילה על מערכת הרבייה של ציפורים ידועה כבר זמן רב ונעשה בו שימוש יעיל  במדעי העופות כדי להגדיל את ייצור הביצים, מחקרים קודמים השתמשו באור בלילה בעוצמות בלתי מציאותיות מבחינת מה שנחשפות העופות בערים. התוצאות שלנו הן גישה חדשה כי השתמשנו בעוצמת אור נמוכה מאוד בלילה אשר נקבעה מתוך נתונים שנרשמו על ציפורים שחורות נודדות עירוניות. השתמשנו בעוצמת אור של 0.3 lux, שערכה 20 פעמים נמוכה יותר מאשר עוצמת האור ע”י מנורת רחוב באתר המחקר שלנו   (כ -6 lux).

יש ראיות לכך שאוכלוסיות עירוניות של מגוון מינים של ציפורים החיים באזורים עירוניים חוות מוקדם יותר את תחילת הרבייה לעומת הכפר. מספר גורמים נקבעו כאחראים לעיתים קרובות עבור ההתקדמות הזו של הרבייה, כגון מיקרו אקלים חם יותר, זמינות מזון מוגברת, וגירויים חברתיים גבוהים יותר. בנוסף, זיהום האור תמיד היה אחד מהגורמים האפשריים. אבל היו חסרות עדויות של ניסויים. תוצאות המחקר מאשר את הרעיון של אפקט גירוי ע”י אור מלאכותי בלילה על העיתוי של רבייה בציפורים עירוניות. בבפרט, המחקר שלנו מדגיש את העובדה כי עוצמות נמוכות של אור מלאכותי בלילה משפיע על תזמון הרבייה לא רק במהלך שלב הנחת הביצים, כפי שהוצע קודם אבל זה יכול לקדם את צמיחת בלוטת הגונדל וייצור הטסטוסטרון עד חודש, כמות ניכרת של זמן בהתחשב באורך עונת הרבייה בציפורים שחורות באירופה (שלושה עד ארבעה חודשים). יחד עם זאת, ההשלכות האקולוגיות של השפעת האור בלילה על עיתוי הרבייה עדין לא ידועות. גידול מוקדם יכול באופן פוטנציאלי להשיג יתרון פיזיולוגי על ידי הגדלת מספר דגירות לעונה, ולכן, את כמות הרבייה. למרות זאת, גידול מוקדם אצל זכרים יכול גם לגרום לירידה בכושר אם הנקבות לא יהיו מוכנות להתרבות. אין לנו נתונים על עיתוי הפריון של הנקבות בשנה בה ערכנו הניסוי שלנו, אבל מחקרי שדה קודמים באותן אוכלוסיות מצביעות על כך שצמיחת גונדל התקדמה בשתי הקבוצות הזכרים והנקבות העירוניים, לעומת עופות היער מאותו סוג ציפורים שחורות. לכן, גידול מוקדם של בלוטת הגונדל יכולה להיות יתרון עבור זכרים. עם זאת, כדי להקדים את מערכת הרבייה מוקדם יותר באביב כאשר תנאי מזג האוויר וזמינות המזון הם לא אופטימלים יכול לבוא במחיר מטבולי. מחסור במאגרי אנרגיה עלול ליצור אפקט שלילי על התגובה של המערכת החיסונית ובסופו של דבר לגרום להפחתת הצלחת הרבייה וההשרדות.

איור 2: (a) השפעות של אור בלילה על שינוי עונתי ברוחב אשכים, ייצור טסטוסטרון. (b), התחלת נשירה (a) ו- (c) שיר ראשון בבוקר אצל זכרים בוגרים מסוג ציפור שחורה אירופאית . (a) עיר (משולשים, קווים מקווקווים) ויער (מעגלים, קווים מוצקים)  זכרים בוגרים מסוג ציפור שחורה אירופאית נבדקו כדי לדמות זמן אור טבעי אבל עם עוצמות אור שונים בלילה. ציפורי ביקורת (כחול) חוו לילות ללא אור, ואילו ציפורים ניסיוניות (אדום) נחשפו לאור קבוע של 0.3 לוקס בלילה. קו אופקי מקווקו מייצג גודל אשכים (רוחב 5 מ”מ) שמעליהן זכרים מסוגלים לייצר זרע פורה. הנתונים מייצגים ממוצע + שעות. בנוסף, אנו מראים זמן התחלת נשירה יזום כתיבה אופקית בצד ימין למעלה של (a, ביקורת / ניסיוני, כחול /אדום; עיר / יער, מלא / ריק רקע). גודל מדגמים: ביקורת = 20 (10 יער ו 10 ציפורי עיר), ניסיוני = 20 (10 יער 10 ציפורי עיר). (b) שינוי עונתי בייצור טסטוסטרון פלזמה. עבור סמלים ראו (a). (c) זמן תחילתה של מקהלת הבוקר של שתי קבוצות הניסוי (עיגולים כחולים / קווים מוצקים, שליטה, לילה אפל, עיגולים אדומים / קווים מקווקווים, ניסיוני / אור בלילה) נמדד כל שלושה עד ארבעה שבועות במהלך מחזור האשכים. קו מקווקו אופקי מציין תחילת שלב דמדומי הבוקר. כל מעגל מייצג את השיר הראשון של הנבדק הראשון בכל קבוצה.

המנגנונים שבאמצעותם עוצמת האור נמוכה בלילה לכאורה השפיעו על מערכת הרבייה עדיין לא ברור. מדידת זמן אור בעופות תלוי על תהליכים ביולוגיים שמתרחשים מדי יממה מתוך היממה. אם האור פוגע בשלב הרגיש של קצב היממה (12-16 שעות לאחר עלות השחר), הורמון מחלמן מיוצר ובסופו של דבר נוצר גירוי לגדילת בלוטת הגונדל. עם זאת, לאור  בלילה לא יכולה להיות רק השפעה ישירה על עיתוי הייצור, אלא גם עשויות להתקיים השפעות עקיפות. ניתן להעלות על הדעת שתי השפעות עקיפות אפשריות. ראשית, יש ראיות כי אור בלילה יכול לשנות תהליכים מטבוליים בעכברים המובילים לאחסון עודף של שומן, ומאגרי אנרגיה גבוהים יכולים להאיץ  את ההתרבות. לדוגמא ויקלסקי וחבריו, הראו לאחרונה כי המהירות של השעון הפנימי של העופות עשוי להשתנות על ידי הוצאות אנרגיה: דרורי בית עם הוצאת אנרגיה יומית גבוהה יותר הראו מהירות רבה יותר של קצב מחזור הרבייה מאשר ציפורים עם אנרגיה נמוכה יותר. מאחר ובניסוי שלנו לציפורים שהיו חשופים לאור בלילה היו רמות גבוהות יותר של הפעילות היומית (דומיוני.ד, 2010 נתונים שלא פורסמו), אנו מציעים כי התחלה מוקדת יותר של צמיחת אשכים בקבוצה זו, עשויה להיות תוצאה של שינויים באותות מטבוליים. הנחה שנייה קשורה להורמון המלטונין. למרות שמלטונין בדרך כלל בעל  תפקיד קטן בביולוגיה עונתית של עופות, הממצאים האחרונים מראים כי (1) ניהול מלטונין עקבי יכול לעכב את מועד ההטלה של ירגזי מצוי פראי ו- (2) מלטונין יכול לגרום לעיכוב הורמון גונדוטרופין, אשר השפעתו ניתן לראות ישירות ברמה של הגונדולה. מאחר ואור עמום יכול להפחית את ייצור המלטונין בלילה, זה אפשרי כי בניסוי שלנו ציפורים תחת אור בלילה היה רמה נמוכה יותר של מלטונין וזה יכול היה להאיץ את צמיחת האשכים. השפעות ישירות או עקיפות של אור בלילה אינן הנחות הדדיות.

הספקטרום של אור בלילה בערים הוא מגוון מאוד וכתוצאה מכך התפלגות מרחבית דמוית פסיפס של אורכי גל שונים של מערכות אור מלאכותיות. אנו מודעים לכך שלא רק עוצמת האור, אלא גם את הספקטרום של האור יכול להשפיע על התגובה של ציפורים לזמן אור. עיצבנו את הניסוי כדי לבדוק את ההשפעה של עוצמת אור נמוך לבד באמצעות מערכת נורה אשר נמצאת בדרך כלל על עיטור בתים בערים. יתר על כן, אנחנו שלטנו על  ההשפעה של ספקטרום האור באמצעות אותו סוג של נורות בשתי קבוצות הניסוי. כך ההבדל היחיד בין שתי הקבוצות הניסוי היה עוצמת אור במהלך הלילה. זה מדהים כי עוצמת האור של רק 0.3 lux היה מסוגל לייצר כזו תגובה חזקה במערכת הרבייה. בתרנגולות, הרגישות הספקטראלית לזמן אור לחלק במוח המעורב ברבייה עונתית (VA-opsins) שיא ב 492 ננומטר, נחשב נמוך בהרבה מאורך הגל ששימש בניסוי שלנו. יתר על כן, מנקר וחבריו, מצאו שבדרורים עוצמת האור הנדרשת לתגובה של זמן אור הוא בערך 10 lux. זה עשוי להדגיש את האפשרות כי השפעות עקיפות אחרות של אור בלילה עלול להאיץ את הצמיחה של הגונדל (ראה לעיל).

טבלה 2. השפעת הטיפול, המוצא והתאריך על גודל האשכים. המודל הוא מודל מעורבב (GAMM) עם טיפול ומוצא כתופעות קבועות, אינטראקציה בין טיפול ביקורת, ניסוי)  מוצא (יער, עיר) ותאריך תנאי שטח.

כמו במקרים רבים במעבדה, עיצבנו ניסוי עם קבוצת ביקורת אחת וקבוצת ניסוי אחת. אנחנו לא יכולים להוציא מכלל אפשרות כי במקרה כמה נבדקים בחדר הניסוי, שבלוטת הגונדל שלהם צמחה מוקדם יותר בשל הרגישות הגבוהה שלהם לעוצמות אור נמוך בלילה, יכול להיות שיצר גירוי אצל בעלי החיים האחרים באותה קבוצה לגדילה מוקדמת של הגונדל והתוצאות כוללות גם אותם. יחד עם זאת, אנו מאמינים כי גירוי חברתי לא יכול להסביר לבד את ההבדל שנצפה מאז שמצאנו הבדלים בנבדקים שעברו טיפול בזמני הרבייה. ואכן, ציפורי העיר שנלקחו בשבי הראו גידול מוקדם יותר של האשכים בהשוואה לציפורי היער בשתי קבוצות הניסוי, ללא קשר לגירוי של האור בלילה. תוצאה זו היא בניגוד לממצאים הקודמים שלנו מאותן אוכלוסיות. בשדה, הן זכר והן נקבה מסוג ציפור שחורה עירונית, הראו שלושה שבועות קודם לכן צמיחת גונדל מאשר ציפורי היער מאותו הסוג,  אבל בולט הבדל בעיתוי של ההתפרצות מחודשת של הגונדל שהיה מצומצם מאוד בציפורים בתנאי מעבדה, דבר המרמז על כך שהאפקט בטבע הוא בעיקר בשל גמישות פנוטיפית בתגובות פיזיולוגיות לתנאים סביבתיים ספציפיים. הבדל אחד ברור בין המחקר הקודם לבין הנוכחי הוא בעופות של המחקר הנוכחי שנתפסו מהטבע ולא גודלו במעבדה. לפיכך, ההבדל בתגובה בין שתי האוכלוסיות יכול להיות בגלל  מאפיינים סביבתיים שונים קודמים של ציפורי עיר  ויער במהלך חייהם הקודמים לניסוי. לדוגמה, ציפורים עירוניות יכול לשמש יותר לבני אדם, פחות לחץ, אשר יכול לתרום לצמיחת גונדל מוקדם יותר.

אין נתונים לבדיקה מפורשת של רעיון זה. עם זאת, זכר עירוני וזכר היער לא היו שונים במשקל הגוף וציון השומן לפני ובמהלך הניסוי כולו. לפיכך, תוצאות אלה טוענות נגד האפשרות כי ציפורים עירוניות היו במצב טוב יותר בהשוואה ללתנאי היער שלהם, ולכן מצב גוף טוב יותר לבד לא יכול להסביר את פיתוח הגונדות המוקדם יותר של ציפורים שחורות עירונים במחקר הנוכחי.

יתר על כן, גיל ידוע להיות אחד הגורמים המשפיעים על תזמון הרבייה, כי בדרך כלל אצל ציפורים מבוגרות יותר הגונדות גדלות מוקדם יותר מאשר נבדקים בשנה הראשונה. אם, למשל, לאוכלוסיית היער יש שיעור תמותה גבוהה יותר, אז יכולה להיות דגימה מוטה כלפי ציפורים צעירות יותר, ולכן פחות סביר שהאשכים שלהם יגדלו במועד מוקדם יותר בהשוואה לזכרים העירוניים. על מנת למזער הטיה זו, השתמשנו רק ציפורים בוגרים (בני שנתיים ומעלה). עם זאת, בהזדקנות ציפורים שחורות אירופאיות לאחר הרבייה הראשונה נשירה היא בלתי אפשרית, ולכן יכול להיות כי היתה לנו במקרה הטיה של ציפורים עירוניות ישנות יותר. איננו יכולים להתייחס ישירות להנחה זו. עם זאת, יש לנו ראיות מאוכלוסיית המחקר שלנו, כי זכרים מבוגרים מהציפורים השחורות האירופיים אינם מגדלים את האשכים שלהם מוקדם יותר ברציפות במשך שנים. זה עשוי לטעון נגד אפקט של גיל מבולבל בתוצאות שלנו. ציפורי העיר שלנו וציפורי היער לא רק היו שונים בעיתוי של צמיחת גונדל, אבל אפילו בתוך קבוצת הניסוי שנחשפה לאור בעיר בלילה הציפורים הראו מחזורים שונים של צמיחת גונדל בהשוואה לציפורים ביער, בעיקר רגרסיה בעיתוי של האשכים. נתונים אלה עשויים להצביע על כך שלציפורי העיר יש רגישות שונה לאור בלילה לעומת ציפורי יער, אבל השערה זו דורשת בדיקה ישירה נוספת, בסך הכל הממצאים שלנו מראים כי העיור יכול לשנות את הפנוטיפ הפיזיולוגי של ציפורי שיר.

למרות שהקלטות השיר שלנו לא בוצעו על בסיס אישי, נתונים אלה מצביעים על כך שאור בלילה עשוי גם להשפיע על התזמון של שיר השחר. זיהום אור יש היה קשור שוב ושוב עם מחזור יומי בציפורי שיר, וכאן אנו מציגים פוטנציאל לקשר ישיר בין אור בלילה לבין שירה בתחילת השחר. ההשפעה היתה תלות העונה, כלומר, ציפורים שחורות מתחת לאור בלילה התחילו לשיר מוקדם יותר מאשר ציפורים תחת חשיכה באמצע מחזור הרבייה, כאשר האשכים היו הגדולים ביותר. בתחילת ובסיום של מחזור, כאשר האשכים היו קטנים יותר, השפעת האור בלילה היתה פחות דרסטית. בגלל שקבוצה של ציפורים תחת אור בלילה הראו שונות עונתית בעיתוי שיר השחר אנו חושדים כי הציפורים נטו לפרש את לוח הזמנים של האור כמו מחזור אור יום/לילה ולא 24 שעות ביום.

המחקר שלנו מאשר את ההשערה כי לאור מלאכותי יש השפעה גדולה על תכונות המשך החיים על בעלי חיים שעברו לאזורים עירוניים. מאות מיליוני ציפורים חיות בערים, אבל הידע שלנו על התוצאות של זיהום האור עבור בעלי חיים אלה עדיין מוגבל מאוד. אור בלילה נחשב לאחרונה רלוונטי לא רק עבור המגוון הביולוגי, אלא גם עבור בריאות האדם והכלכלה. אנו מציעים כי בעידן הערים והעיור, הגיע הזמן לתת למדענים להגביר את המחקר על זיהום האור וקובעי המדיניות יתחילו לדון בפתרונות למתן את ההשפעות של העיור על חיות בר. כל ההליכים הניסיוניים בוצעו בהתאם להנחיות הסוכנויות הגרמניות הרלוונטיות. הרעיון המקורי של מחקר זה ואת הניסויים הראשונים של לוגר אור מיקרו טכניקה היו ביוזמת איבו גווינר. ג’יי.פי. שנתמך כלכלית על ידי מענק (יוזמה ביולוגית אבולוציונית) של קרן מימון נוסף ל D.D. סופק על ידי הבינלאומי מקס פלאנק בית הספר למחקר בביולוגיה אורגנית. המחקר מעולם לא היה מתנהל ללא העזרה של  מטפלים רבים בבעלי חיים. אנו מודים לק. מורטגה, מ. האו, ב. הלם, ט. גרייבס, ק. סאפי, מ. וויקלסקי, ד.דכמן, וו. גוימן, י. גרייבס, שסיפק הערות שימושיות לטיוטות קודמות. מאמר זה מוקדש לזיכרו של ד”ר ביורן סימנס, אשר באופן בלתי צפוי מת ב -23 במאי 2012.