光污染对夜行节肢动物运动生态学的双重威胁：昼夜节律紊乱与天光偏振导航线索的同步掩蔽

《Current Biology》：Light pollution creates multiple threats to the movement ecology of nocturnal arthropod taxa

本研究聚焦于光污染对夜行节肢动物运动生态学的多重威胁。研究人员通过对比分析棉铃虫（Helicoverpa armigera）和Drassodes蜘蛛在自然黑暗与人工光照下的活动节律，并利用摄影偏振测量技术量化了光污染对天光偏振模式的影响。研究发现，人工光不仅显著抑制了两种动物的夜间活动高峰，还严重削弱了其用于导航的关键视觉线索——天光偏振模式。该研究揭示了单一环境压力源（光污染）可通过同时影响时间节律和空间导航线索，对夜行节肢动物产生协同的负面生态影响，强调了在评估环境压力时需关注其多重并发效应。

　　

当夜幕降临，城市灯火通明，这看似繁华的景象背后，却隐藏着对自然界的深刻影响。光污染，这个日益严重的环境问题，正在悄然改变夜行性动物的生存环境。对于依赖黑暗进行活动、觅食和迁徙的夜行节肢动物而言，人工光不仅扰乱了它们感知昼夜更替的“生物钟”，还可能遮蔽了它们赖以导航的“天然罗盘”——天光偏振模式。然而，光污染对动物行为的多重影响往往是同时发生的，目前尚缺乏研究系统揭示这些并发效应如何共同作用于动物的运动生态。

为了回答这一问题，来自布里斯托大学等机构的研究团队在《Current Biology》上发表了一项研究，他们以两种生态习性迥异、亲缘关系较远的夜行节肢动物——长距离迁徙的棉铃虫（Helicoverpa armigera）和中心觅食的Drassodes蜘蛛为研究对象，系统探究了光污染如何同时影响它们的活动节律和导航能力。该研究不仅揭示了光污染对动物行为的直接抑制效应，还首次量化了光污染对夜行节肢动物关键导航线索的破坏程度，强调了单一环境压力源的多重生态威胁。

为了开展这项研究，研究人员运用了多种关键技术方法。他们首先通过野外实地观测和视频记录，分析了棉铃虫和Drassodes蜘蛛在自然黑暗、LED路灯和高压钠灯（HPS）照射下的夜间活动节律。其次，他们利用摄影偏振测量技术，在14个光污染辐射梯度不同的欧洲地点，测量了夜空偏振模式的偏振度（DoP）和空间分布。最后，他们结合同步辐射X射线显微断层扫描技术重建的动物眼部结构模型，计算了光污染背景下，两种动物视觉系统能够感知到的偏振对比度，从而评估了光污染对它们导航能力的实际影响。

光污染与光周期活动

研究人员首先测量了棉铃虫和Drassodes蜘蛛在自然黑暗条件下的夜间活动模式，以确定它们对光照变化的反应。他们使用了两个指标来量化动物的活动：活动指数（反映个体在日落后的特定时间窗口内活动的比例）和节律指数（反映个体在特定时间窗口内的活动相对于整夜活动的比例）。在自然夜空下，棉铃虫在日落后的前2小时表现出明显的活动高峰，随后活动量逐渐减少，在日出前4小时降至0%。Drassodes蜘蛛也表现出类似的活动高峰，但个体在整个夜间都保持一定的活动水平。

当暴露在约10-15勒克斯（lux）的LED路灯下时，两种动物在活动高峰窗口内的活动比例均显著下降。在棉铃虫中，这一活动高峰被完全抑制，而在Drassodes蜘蛛中，活动高峰虽然减弱，但并未完全消失。同样，在约10-15勒克斯的高压钠灯（HPS）照射下，两种动物在活动高峰窗口内的活动比例也显著下降。值得注意的是，LED路灯对棉铃虫活动高峰的抑制效果比高压钠灯更强，这表明光污染的影响具有光谱依赖性。

光污染与天光偏振模式

接下来，研究人员探究了光污染如何影响夜空的偏振模式。他们通过摄影偏振测量技术，比较了高光污染和低光污染地区从日落到深夜的偏振模式变化，并沿着光污染辐射梯度（从0.36到48.85 nWcm^-2sr^-1）测量了14个地点的偏振模式。

研究发现，光污染显著削弱了夜空偏振模式的最大偏振度（DoP）及其空间和时间分布，且这种削弱效应随着光污染辐射强度的增加而加剧。在自然满月条件下，偏振模式的最大DoP可达0.40-0.60，覆盖约50%-60%的天空面积。然而，在光污染辐射强度大于30 nWcm^-2sr^-1（相当于大城市或工业区）的地区，偏振模式的空间范围严重缩小，最大DoP降至0.10-0.15以下。这种效应在日落后的特定时间段（当太阳偏振模式占主导地位时）最为显著。

光污染与视觉感知

为了评估光污染对动物导航能力的实际影响，研究人员计算了棉铃虫和Drassodes蜘蛛视觉系统能够感知到的偏振对比度。他们结合了夜空偏振模式的测量数据、动物眼睛的视野和光学特性，以及光感受器的光谱和偏振敏感性，模拟了动物在光污染背景下能够检测到的偏振信息。

结果显示，光污染辐射强度与光感受器偏振对比度之间存在负相关关系。在0到30 nWcm^-2sr^-1的辐射强度范围内，这种负相关关系最为强烈，当辐射强度超过30 nWcm^-2sr^-1时，偏振模式几乎被完全遮蔽，偏振对比度趋于稳定。由于棉铃虫在自然条件下具有更高的最大光感受器偏振对比度，因此光污染对其导航能力的负面影响更为严重。

研究结论与讨论

这项研究揭示了光污染对夜行节肢动物运动生态学的双重威胁。一方面，人工光直接暴露，特别是短波长的LED照明，抑制了棉铃虫和Drassodes蜘蛛的自然活动高峰，扰乱了它们的昼夜节律。另一方面，光污染在夜间活动高峰期对天光偏振模式造成了最严重的破坏，削弱了动物用于导航的关键视觉线索。

光污染的影响是复杂且具有背景依赖性的。它不仅是时间敏感的，也是物种特异性的，并且依赖于辐射强度和光谱。对于像棉铃虫这样的迁徙物种，活动受到抑制可能导致个体被困在非预期的地点，延误或阻止迁徙，并造成时间校正导航的错误。对于像Drassodes蜘蛛这样的中心觅食者，虽然灯光可能会在短期内聚集猎物，但夜间活动的抑制可能会减少长期的捕食成功率，并阻碍扩散。

研究还发现，LED路灯对动物活动的抑制效果比高压钠灯更强，这可能是由于节肢动物对短波长光更敏感。因此，为了节能而广泛用LED路灯替代高压钠灯，可能会增加对节肢动物群落的负面影响。

该研究强调了在评估环境压力源的影响时，考虑其多重并发效应的重要性。光污染不仅通过单一途径影响动物，而是通过同时扰乱时间节律和空间导航线索，对夜行节肢动物产生协同的负面生态影响。未来的研究需要进一步探索这些并发效应如何相互作用，以及它们如何最终影响种群的适应性和生存。