تاثیر زیستی نور مصنوعی در شب: یک چالش پژوهشی

نیما یزدان بخش

تهران، دانشگاه تهران، پردیس علوم، دانشکده زیست شناسی و قطب تبارزایی موجودات زنده

چکیده

شکل گیری و توسعه پدیده های زیستی بر روی کره زمین در پاسخ به الگوی متناوبی از نور صورت گرفته که به شکل طبیعی در بازه های روزانه، ماهیانه و یا فصلی در محیط رخ داده است. با این حال، پیشرفت های زندگی بشر طی صد سال گذشته منجر به وارد شدن نور مصنوعی به محیط طبیعی، بخصوص در شب و شکل گیری نور مصنوعی شبانه (ALAN) شده است. علی رغم تنوع زیاد منابع نور مصنوعی _ از نظر شدت و طیف نوری_ این موضوع باعث اختلال بزرگی در الگوی طبیعی نور شده است. در نتیجه، بر روی سطح زمین نور در زمان ها و مکان ها، و با شدت ها و در طیف هایی ارائه شده که به شکل طبیعی وجود نداشته و از این رو کاملا بی سابقه است. علی رغم مزایای بیشمار نور مصنوعی در پیشرفت زندگی و جوامع شهری، می توان انتظار داشت که این اختلال بی سابقه در الگوی طبیعی نور بر سامانه های زیستی تاثیرات فراوانی بر جای گذارد. پژوهش های بسیاری در این زمینه انجام شده و به چاپ رسیده اند. علی رغم پیشرفت های وسیع در فن آوری، ابزارهای اندازه گیری و روش های محاسبات زیستی، گستردگی آثار و زمان طولانی که برای مشاهده تغییرات در سامانه های زیستی لازم است، انجام بررسی هایی از این دست را به چالشی بزرگ برای محققین تبدیل کرده است. این مقاله به معرفی چالش هایی که محققین در بررسی تغییرات الگوی تابش نور بر موجودات زنده، جمعیت ها و اکوسیستم ها با آن مواجهند می پردازد.

واژه های کلیدی: نور مصنوعی، تأثیر زیستی، ALAN، اختلال در نور طبیعی، آسمان تابی

نویسنده مسئول: yazdanb@ut.ac.ir

چالش

از آغاز پیدایش زندگی بر روی کره زمین، تناوب طبیعی نور در روز، ماه و یا فصل الگوی تغییرات محیطی بوده است. این تناوب ها باعث رشد و توسعه پدیده های زیستی از مولکول ها تا اکوسیستم شده اند که شامل مسیر های متابولیسمی و فیزیولوژیک، رفتار تک تک موجودات زنده، الگوی جغرافیایی سازگاری و غنای گونه ها، و چرخه های اکوسیستم ها می شود (1-4). در حقیقت شاید بتوان گفت که سامانه های زیستی، پیش تر توسط نور سازمان دهی شده اند (5-7).

طی صد سال گذشته، با ورود نور مصنوعی به محیط شب ( شکل گیری نور مصنوعی شبانه، Artificial Light At Night =ALAN)، الگوی طبیعی نور به میزان زیادی دچار اختلال شده است. این امر در اثر منابع گوناگون نور ایجاد شده است. این منابع متنوع نور شامل نور چراغ های معابر، نور تابلو های تبلیغاتی، نورپردازی ساختمان ها و ابنیه، نور تابلوهای ایمنی، نور منازل و نور وسایل نقلیه است. ALAN الگوی نور طبیعی را به دو شکل مختل کرده است؛ هم به صورت تاثیر مستقیم نور منابع مختلف و هم از طریق پدیده آسمان­تابی (پراش حاصل از مولکول های اتمسفری و یا گرد و غبار موجود در اتمسفر ALAN، که به سمت بالا تابیده و یا منعکس می‍شود، 8-10).

بر روی سطح زمین، این اختلال در الگوی طبیعی نور به دو شکل اصلی دیده می شود (11). اول، نور در مکان ها، زمان ها و با شدت هایی ارائه شده است که به شکل طبیعی وجود نداشته اند. این موضوع از طریق تصاویر برگرفته توسط ماهواره ها از سطح زمین که میزان ALAN، زیرساخت های شهری و مراکز تجمع جمعیت را نشان می‍دهند، کاملا به اثبات رسیده است (12 و 13). به کار بردن تصاویر برای تقسیم بندی میزان ALAN بسیار پرچالش است، به خصوص که وسعت مناطقی که ثبت شده است، عمدتا به دلیل پدیده آسمان­تابی ، بیشتر از زیرساخت های شهری است. بر اساس یکی از تخمین هایی که به طور خاص تاثیرات آسمان­تابی را مورد بررسی قرار داده بود، 18.7% سطح کره زمین در معرض ALAN است (12). بررسی دیگری که بیشتر بر پایه تصاویر ماهواره ای انجام گرفت نشان داد که 11.4% سطح خشکی‍ها، و 0.2% مساحت آبهای زمین در معرض ALAN هستند (11). از سوی دیگر، مطالعه دیگری نشان داد که ALAN با نرخ حدود 6% در سال و با تنوع جغرافیایی زیادی (20%-0) در حال افزایش است (14).

دوم اینکه طیف نوری ALAN با نور خورشید، ماه و یا ستارگان متفاوت است (11). طیف ALAN اساسا به نوع منبع نوری مورد استفاده بستگی دارد که می تواند از یک طیف محدود (مثل طیف سدیم کم فشار) تا یک طیف وسیع (مثل تخلیه شدید بار و دیود ساطع کننده نور (LED)، 15) متنوع باشد. علی رغم تنوع فن آوری غالب در مناطق جغرافیایی مختلف که گاه حتی در یک محدوده کوچک هم ناهمگون است، به طور کلی استفاده از منابع نور سفید رایج تر است. این منابع نور، عمدتا دارای یک جزء قوی در قسمت آبی طیف (به ویژه با استفاده از LEDها، 16) هستند.

بر خلاف بسیاری از تغییرات محیطی دیگر ایجاد شده توسط بشر (مثلا در CO2، دما و تغییرات اقلیمی)، تغییرات حاصل از ALAN کاملا بی سابقه هستند و پیش از این هیچ پدیده طبیعی که از لحاظ ماهیت، شدت، وسعت، زمان بندی و یا نرخ پخش شدن مشابه ALAN باشد وجود نداشته است (11 و 17).

با این که به کارگیری ALAN مزایای برجسته و اساسی برای بشر به همراه داشته است، اگر سامانه های زیستی اساسا بر پایه نور شکل گرفته باشند و ALAN الگوی نور را به نحوی جدید و بی سابقه تغییر داده باشد، می توان انتظار داشت که ALAN تاثیرات زیستی فراوانی داشته باشد. این نگرانی بحث جدیدی نیست (20-23). مدتهاست که این نگرانی ها وجود داشته اند و بسیاری از پژوهش ها که نشان دهنده چنین آثاری هستند به چاپ رسیده اند (برای نمونه های اخیر به 24-31 مراجعه کنید). با این حال، درک وخامت واقعی این معضل، چالش بر­انگیز و زمان­بر است. با توجه به استفاده سریع و گسترده از نور LED و به کارگیری نورپردازی هوشمند (16)، امروزه امکان تنظیم ALAN، و از این طریق، کاهش آثار محیطی منفی آن فراهم شده است. با این حال، این موضوع نیازمند درک صحیحی از تبعات شدت و ترکیب طیفی ALAN می باشد. این چالش پژوهشی در مقاله حاضر به اشکال کلیدی و متفاوتی نشان داده می شود. در این مقاله به بررسی چالش هایی می پردازیم که مربوط به نور، موجودات زنده منفرد و یا جمعیت ها، اجتماعات و اکوسیستم ها هستند.

نور

درک الگوهای ALAN به طور عمده بر اساس تحلیل تصاویر ماهواره ای (12 و 32)، نقشه برداری های هوایی (33و 34) و همچنین اندازه گیری های زمینی تابش مستقیم و یا آسمان­تابی (8 و 35، و برخی از این تحلیل ها که از داده های شهری استفاده می کنند، مانند 36) صورت می گیرد. ارزشمندی این روش ها اثبات شده است و شناخت بسیار خوبی به ما می دهند. با این حال، برای درک تبعات زیستی ALAN، لازم است که نتایج به دست آمده از این تحلیل ها به روش های مختلف مورد ارزیابی قرار گیرند.

اول، لازم است که توجه بیشتری به تفاوت در ماهیت و اهمیت نسبی سه منبع اصلی ALAN، یعنی تابش مستقیم، نوری که توسط پوشش ابر ها پراش می یابد و نوری که از آسمان صاف پخش می شود، معطوف گردد (37). بیشترین بررسی های انجام گرفته در مورد ALAN از طریق مطالعه تابش مستقیم است و نمودارهای نوعی نشان دهنده ALAN، عمدتا بر اساس تابش یک یا چند شکل از روشنایی های معابر تهیه می شوند. با این حال، پراش اتمسفری نور، و پدیده آسمان_تابی حاصل از آن نیز احتمالا به همان اندازه اهمیت دارند، چرا که در حالی که تابش مستقیم ممکن است از چند متر تا صدها متر وسعت یابد و به آسانی توسط موانع محدود می شود، پدیده آسمان­تابی از چند کیلومتر تا چند صد کیلومتر گسترش پیدا می کند (17) و بسیار کمتر تحت تاثیر موانع بازدارنده قرار می گیرد (37). به بیان دیگر، و به خصوص با استفاده از ابزارهای رایانه ای که امروزه در دسترس هستند، لازم است مسایل بیشتری در ارتباط با ماهیت پدیده آسمان­تابی مورد بررسی و شناسایی قرار گیرند.

دوم، لازم است که به طیف های مختلف ALAN توجه بیشتری شود. ALAN عمدتا به صورت شدت روشنایی و از منظر بینایی انسان مورد توجه قرار می گیرد. با این حال، نه تنها حساسیت فرایند های زیستی (مانند فتوسنتز، ساعت زیستی و بینایی) در بازه های مختلف طیف نوری متفاوت است، بلکه شکل این فرایند ها نیز با توجه به طیف نور تغییر می کند. به علاوه، این فرایند ها نه تنها از تابش مستقیم نور، بلکه از پدیده آسمان_تابی و برهمکنش این دو با یکدیگر نیز تاثیر می پذیرند. به عنوان مثال، ابر های موجود در بالای مناطق شهری بر سهم نور قرمزی که به سطح زمین می رسد تاثیر بیشتری دارند تا نور آبی (38). تصور می شود منابع نور قرمز، به دلیل شدت بیشتر پراش ری لی (Rayleigh scattering) در طول موج های کوتاه، باعث کاهش پدیده آسمان_تابی می شوند (10و39).

سوم و شاید مهم ترین مساله آن است که تاثیر ALAN بر موجودات زنده، و چگونگی تغییرات این آثار کمتر مورد بررسی قرار گرفته است. علی رغم کمبود اطلاعات کافی، چنین برداشت می شود که میزان متوسط ALAN تنها آن مقداری است که توسط موجودات زنده همان محیط احساس می شود. با این حال، و بویژه با در نظر گرفتن بزرگ نمایی فضایی که در نقشه نگاری ALAN به کار گرفته شده است، جانوران با قدرت جابجایی و در نتیجه انتخاب زیستگاه خود می توانند به شکل غریزی از الگوهای ناهمگون ALAN پرهیز نمایند. در یکی از معدود تحقیقات انجام شده تا به امروز، دومینونی (Dominoni) و پارتکه (Partecke) (40) نشان دادند که توکاهای سیاه در اثر ALAN روز طولانی تری را احساس می کنند.

موجودات زنده منفرد

اکثر مطالعات انجام گرفته در مورد تبعات زیستی ALAN، به بررسی اثرات آن بر روی موجودات زنده منفرد پرداخته اند. چنین مطالعاتی شامل طیف وسیعی از پژوهش ها می‍شود که از آن میان می توان به بررسی بیان ژن ها (41 و 42)، فیزیولوژی (43-46)، رفتار جست و جوی غذا (24و 47-50)، جابجایی روزانه (51-55)، مهاجرت (56 و 57)، رفتارهای تولید مثلی (58-62) و مرگ و میر (63 و 64) اشاره کرد. تقریبا هیچ یک از بررسی های منتشر شده حاکی از بی اثر بودن ALAN نبوده است (35). بر این اساس می توان نتیجه گرفت که یا تبعات زیستی ALAN بسیار فراگیر هستند و یا انتشار مقالات در این زمینه تحت تاثیر پدیده سودگیری در گزارش نتایج مثبت (مکتوب)* قرار دارد (65). علی رغم آنکه تاثیر گذاری نسبی پدیده سودگیری در گزارش نتایج مثبت دور از انتظار نیست، به نظر می رسد واقعیت چیزی بین این دو برداشت باشد.

چیزی که فقدان آن به وضوح دیده می شود؛ درک کاملی از چگونگی تغییر آثار زیستی ALAN در میان موجودات منفرد، در دوره های مختلف زندگی، شرایط زمانی و مکانی و یا اشکال متفاوت ALAN است. در رابطه با موجودات زنده، چالش های اساسی که در پیش رو قرار دارند عبارتند از: 1) چگونگی تغییر واکنش های درون گونه ای نسبت به ALAN در میان رده های مختلف موجودات زنده ( با توجه به جنسیت، سن، جثه). 2) چگونگی تفاوت واکنش به ALAN در بین گونه های مختلف. در حال حاضر بیشتر مطالعات بر روی پرندگان و پستانداران متمرکز است (66)، درحالی که تقریبا هیچ اطلاعاتی در مورد تاثیر ALAN بر روی میکروارگانیسم ها (به جز 67) و گیاهان (به جز 68) وجود ندارد و در مورد بی مهرگان اطلاعات اندکی موجود است(به استثنای بیدها، 68، 70 و 71، برای یک بررسی مروری به 69 نگاه کنید). 3) چگونه پاسخ های مشاهده شده در موجودات زنده آزمایشگاهی و یا انسان ها نسبت به ALAN قابل تعمیم به جانوران موجود در حیات وحش می باشد؟ اهمیت این موضوع با در نظر گرفتن شواهدی که نشان می دهد تاثیر تنش ها و یا بیماری ها در موجودات آزمایشگاهی و یا اهلی بیشتر است (72) و همچنین با توجه به تعداد بسیار اندک بررسی هایی که بر روی موجودات زنده وحشی انجام شده است بیشتر می شود. 4) چگونه واکنش های متابولیسمی، فیزیولوژیک و رفتاری در مقابل ALAN بر روی شایستگی موجودات زنده اثر می گذارند؟ با این حال، مطالعاتی در جهت روشن نمودن چنین تاثیراتی بر روی شایستگی آغاز شده اند (62).

در رابطه با خود ALAN، چالش های اصلی شامل تعیین موارد زیر است: 1) شکل رابطه دوز-پاسخ در مورد گستره‍ای از تبعات زیستی ALAN. میتوان گفت که بررسی های انجام شده تا به امروز تنها به بررسی دو تیمار ALAN پرداخته اند (حضور و یا فقدان ALAN) و این موضوع مانع از آن می شود که بتوان شدت آستانه ای برای پاسخ نسبت به ALAN تعیین و یا شکل کلی توابع دوز-پاسخ را شناسایی کرد. 2) شکل رابطه طیف-پاسخ در مورد گستره وسیعی از تبعات زیستی ALAN. در اینجا نیز، مشابه بررسی های دوز-پاسخ، تحقیقات نوین تنها تیمار های محدودی از طیف های نوری را مورد بررسی قرار می‍دهند (68، 71 و 73) و یا از منابع نوری معمول، که دارای طیف های رنگی متفاوت هستند استفاده می کنند (74 و 75). این در حالی است که به منظور ارائه راهکار های مفید جهت محدود سازی تبعات زیستی منفی ALAN، درک روابط دوز-پاسخ و همچنین روابط طیف-پاسخ، و بر همکنش آنها با یکدیگر ضروری است.

جمعیت ها، اجتماعات و اکوسیستم ها

با اینکه اثر گذاری ALAN بر فیزیولوژی و رفتار موجودات زنده منفرد به اثبات رسیده است، ارتباط میان این تاثیرات فردی با جمعیت ها، اجتماعات و اکوسیستم ها کمتر شناخته شده است. در این زمینه مشکل اساسی آن است که تعداد مطالعات انجام گرفته بسیار محدود است (27، 67، 68، 71، 76 و 77).

یکی از چالش های موجود در راه تعیین تبعات ALAN بر روی جمعیت ها این است که علی رغم آنکه ALAN به صورت بالقوه بر هر یک از متغیر های جمعیت شناختی (زاد و ولد، مرگ و میر، مهاجرت به داخل و کوچ) تاثیر می گذارد، بررسی تمامی این متغیر ها برای یک گونه منفرد مشکل است (78). در این راستا، در مورد گونه هایی که بررسی نرخ زاد و ولد و مرگ و میر آنها نسبتا ساده است، بررسی نرخ مهاجرت به داخل و کوچ مشکل است و بالعکس.

علی رغم اینکه تحقیقات گزارش شده نشان می دهند ALAN بر رابطه شکار-شکارچی تاثیر می گذارد (50و 79 و 80)، مشخص نیست این تاثیر در میان اجتماعات مختلف چگونه تغییر می کند (11). بنی و همکاران گزارشی تجربی ارائه کرده اند که نشان دهنده تاثیر پایین به بالا، و نه بالا به پایین در اجتماعات ساده گیاه-گیاهخوار-شکارچی است(68).

پیش بینی قابل استناد تبعات اکولوژیک ALAN در سامانه های طبیعی، نیازمند درک بهتر فرایندهای طولانی مدتی است که حساسیت جمعیت ها، اجتماعات و اکوسیستم ها نسبت به یک محیط روشن را تعیین می کنند. این در حالی است که بیشتر دانش کنونی ما بر اساس آزمایش های کوتاه مدتی است که در طول چند روز و یا حداکثر چند هفته انجام شده و امکان در نظر گرفتن مکانیزم های واکنشی، مانند سازگاری و خوگیری، و مکانیزم های فیزیولوژیک جبرانی، رفتاری و حتی تکاملی که به شرایط محیطی و زمانبندی فصول وابسته هستند را فراهم نمی‍سازند. به عنوان مثال، بر اساس یکی از تحقیقات انجام شده، برای ایجاد تغییری واضح در یک اجتماع میکروبی آب شیرین، به یک دوره زمانی بیش از یک سال نیاز است (67).

با این که هنوز نمی توان تصویری از شدت و چگونگی این آثار داشت، مسلما باید منتظر تغییراتی در عملکرد اکوسیستم ها بود (7 و 11). به عنوان مثال، برای کارکرد طبیعی اکوسیستم ها در مناطق گرمسیری، وجود جانورانی که شبانه دانه های گیاهان را پخش می کنند (مانند خفاش‍ها) حیاتی است. بررسی ها نشان می دهد که ALAN با کاهش فعالیت شبانه جانوران پخش کننده دانه موجب اختلال توالی طبیعی جنگل ها و پیوستگی زمین های جنگلی شده است (29). یک مثال دیگر که مورد بررسی قرار گرفته است مربوط به تجمعات میکروبی می‍باشد که در گل و لای رسوب یافته در بسترهای آبی زندگی می کنند. این تجمعات تجمع گونه ای بسیار زیادی دارند و نقش بسیار مهمی در چرخه جهانی کربن ایفا می‍کنند. هولکر و همکاران (67) نشان دادند که ALAN موجب تغییراتی در ترکیب گونه ای این جمعیت ها می‍شود. این مساله تبعاتی بر عملکرد اکوسیستم دارد (در این مورد کانی سازی کربن) که میتواند حتی تولید اکوسیستمی خالص چنین مجموعه هایی را در شب، از منفی به مثبت تغییر دهد.

به منظور تعیین آثار ALAN بر روی جمعیت ها، اجتماعات و اکوسیستم ها به شکلی موثرتر، تکرار چنین آزمایشهای میدانی ضروری است. از اولین مطالعات در این زمینه، مطالعه ECOLIGHT (68)، مطالعه “Verlust der Nacht” (67) و مطالعه LightOnNature (71) قابل ذکر هستند. شواهد اولیه حاکی از آن است که ممکن است میان مطالعاتی که در سال های مختلف بر روی تاثیر ALAN انجام می شوند، اختلاف معنی داری دیده شود. این نتایج بر اهمیت طراحی و یا ادامه اجرای مطالعات گسترده در دوره های زمانی بلند مدت که در بر­گیرنده نسل های پیاپی از گونه های کلیدی موجودات زنده باشد تاکید می کنند.

نتیجه گیری

تنها در طول چند سال اخیر رغبت فراوانی برای تحقیق در مورد تبعات زیستی ALAN (گرچه این موضوع ریشه های تاریخی بسیار عمیقی دارد، 69 و 81-83) به وجود آمده است. این امر توسط چند عامل به پیش رانده شده است: 1) چندین گزارش دولتی که بیان می کنند تاثیرات ناشی از ALAN یکی از مخرب ترین اختلالاتی هستند که توسط بشر در محیط زیست ایجاد شده اند (84-86)؛ 2) نیاز رو به افزایش جامعه بشری به کاستن هزینه انرژی با تغییر سیستم های روشنایی معابر و دستاوردهای محیط زیستی بالقوه ای که با آن همراه است (87 و 88)؛ 3) روی آوری گسترده به منابع نوری LED و تقاضای فزاینده بر طراحی لامپ هایی با طیف نوری سازگار با اکوسیستم (14، 66 و 89) و 4) شکل گیری همزمان و مستقل دو برنامه تحقیقاتی وسیع، یکی برای تعیین تجربی تبعات ALAN (67، 68 و 71) و دیگری برنامه تحقیقات بین رشته ای تحت عنوان "از دست رفتن شبکه شبانه" که با پشتوانه مالی اتحادیه اروپا انجام می گیرد. فعالیت های تحقیقاتی که در اثر این برنامه ها آغاز شد نوید بخش تعیین تبعات زیستی ALAN است. همچنین، این فعالیت های تحقیقاتی زمینه های اصلی مطالعات آتی را مشخص ساخته است و در حال تبیین سیاست هایی است که لازم است به منظور کاهش نگرانی های مربوط به محیط زیست اتخاذ شوند. این موضوع به تحقیقات آتی کمک شایانی خواهد کرد.

* File drawer problem= این اصطلاح که اولین بار در سال 1979 توسط رابرت روزنتال بیان شد اشاره به نوعی جهت گیری در منابع علمی دارد که به دلیل تمایل محققین به انتشار نتایج مثبت تحقیقاتی، و خودداری آنان از انتشار نتایج منفی و یا تایید نشده روی می دهد.