夜间人造光在半自然条件下会扰乱野生啮齿动物的免疫节律

《Environmental Pollution》：Artificial Light at Night Disrupts Immune Rhythms in Wild Rodents under Semi-Natural Conditions

人工光污染（ALAN）通过扰乱昼夜节律影响免疫系统和生存率。研究在以色列半自然户外围栏中，对比了昼夜活动的两种野生鼠类（Acomys dimidiatus和Acomys russatus），发现低强度ALAN显著改变其淋巴细胞循环和粪皮质醇昼夜节律，导致抗体应答时间依赖性消失，并使死亡率增加2.35倍。该研究证实生态免疫学框架下ALAN对整合生理系统的影响，强调自然条件下研究的重要性。

　　

Hagar Vardi-Naim|Gul Janovsky|Noga Kronfeld-Schor|Yariv Wine

动物学学院 特拉维夫大学 特拉维夫，以色列

摘要

夜间人工光（ALAN）是一种迅速蔓延的环境污染形式，它扰乱了自然的光暗周期，并改变了各种物种的行为和生理节律。由于免疫功能与环境线索紧密相关，因此在生态免疫学框架内研究ALAN对于理解其对野生动物适应性的实际影响至关重要。在自然环境中，免疫节律受到多种相互作用的环境压力的影响，因此在这种更广泛的生态背景下评估ALAN对于解释其生理后果至关重要。

我们研究了低强度ALAN如何影响两种具有不同活动模式的野生啮齿动物的免疫和内分泌节律、抗体反应以及生存率：夜间活动的Acomys dimidiatus和日间活动的Acomys russatus，这两种动物被饲养在半自然的户外围栏中。在自然的光暗条件下，这两种物种的循环淋巴细胞频率都表现出日常波动，在A. dimidiatus中，粪便中的皮质醇也显示出明显的日常节律。然而，在ALAN的影响下，这些节律被破坏或减弱。此外，当免疫接种发生在该物种特定的休息阶段时，抗体滴度显著升高，但ALAN暴露会破坏这些节律，消除了抗体反应的时间差异。总体而言，ALAN使死亡率增加了2.35倍。

尽管受控的实验室实验对于推进免疫学研究至关重要，但它们对于了解像光污染这样的环境干扰在现实条件下的影响所提供的见解有限。通过在半自然栖息地中研究野生啮齿动物，我们发现ALAN暴露会改变免疫节律、内分泌模式和生存率，这些变化只有在动物经历自然生态变化时才会显现出来。这些结果强调了需要采用生态免疫学方法来评估日益严重的光污染对野生动物健康和恢复力的威胁。

意义声明

夜间人工光（ALAN）是一种日益严重的人为干扰，具有广泛的生态和生理影响。虽然它对昼夜节律的破坏作用已有充分记录，但其对免疫功能的影响仍缺乏研究。我们的研究表明，在半自然条件下，ALAN会改变野生啮齿动物的免疫节律并削弱时间依赖性的抗体反应，从而可能增加其感染易感性。研究光污染对野生动物的影响不仅对于了解其对生态系统健康的影响至关重要，而且对于评估改变的免疫功能如何影响人畜共通病的出现和传播也具有重要意义。这些见解突显了需要在超出传统实验室模型和条件的生态相关背景下研究免疫系统。

引言

广泛的人为光污染深刻地改变了自然光周期的时序、强度、光谱和空间分布¹。城市扩张、电力普及以及LED灯的广泛应用极大地增加了人类暴露于夜间人工光（ALAN）的机会，超过了之前的估计^{2, 3, 4}。ALAN在多个层面上影响生物多样性，从基因表达到生态系统功能，影响物种的生理、行为、时间生态位划分、群落相互作用以及动物^{3, 5}和人类^{6, 7, 8}的分布。通过干扰时间线索的感知并改变栖息地特征和视觉信号^{7, 9}，ALAN重塑了生态群落和功能^{3, 9, 10, 11, 12, 13, 14}，导致物种数量下降，最终危及生态系统服务，即自然为人类提供的基本利益，如授粉、水净化、气候调节和食物生产^{9, 10}。受控的实验室研究表明，夜间暴露于微弱光线会抑制哺乳动物的免疫反应¹⁵，而野外研究大多只是相关性研究，很少能操纵光照或免疫时间。在自然光照梯度下的研究进一步表明，与ALAN相关的昼夜节律紊乱可能会在野外转化为适应度后果¹⁶，但ALAN在生态现实条件下如何影响免疫时间仍不甚清楚。

尽管在昼夜生物学方面取得了实质性进展，但关于免疫节律的大部分知识都来自实验室啮齿动物，而这些动物是夜行性的，缺乏生态复杂性¹⁷，因此对于日间哺乳动物的免疫功能的时间组织了解甚少。现有的关于日间系统（包括人类和鸟类^{18, 19}）的研究主要是观察性的，或缺乏对环境时间线索的实验操纵，这限制了因果关系的推断。因此，日间哺乳动物在受控但生态相关的条件下的免疫节律结构仍不够明确。

在哺乳动物中，视交叉上核（SCN）是主要的昼夜节律调节器，它将生理活动与自然光暗周期同步。外周时钟（包括免疫系统中的时钟）通过内分泌和自主神经系统与SCN相互作用。褪黑素和糖皮质激素等激素被认为是协调全身日常节律的关键调节因子^{8, 12, 20, 21, 22}。尽管日间和夜间哺乳动物的生物节律控制机制相似，包括SCN活动和夜间褪黑素分泌¹²，但它们的下游效应在两种时间生态位中有所不同¹²。因此，ALAN可能在日间和夜间物种中引发不同的行为和生理反应，表明昼夜节律紊乱可能具有依赖上下文的效果^23,2122。

免疫系统功能遵循日常波动，包括淋巴细胞流动的日常节律，这种节律在生物体休息期开始时达到峰值^{22, 23}。白细胞流动由SCN驱动的内分泌和自主神经系统输出、糖皮质激素以及交感神经去甲肾上腺素调节，这些因素有节奏地调节内皮黏附分子和趋化因子；它们的效应因组织和一天中的时间而异^{24, 25}。昼夜节律系统对免疫反应至关重要，包括对病原体的反应、炎症和疾病进展^{24, 26, 27}。然而，ALAN暴露对免疫节律的影响，特别是在日间物种中，仍很大程度上未被探索。此外，许多常见的鼠类品系缺乏可检测的松果体褪黑素²⁸。此外，最近的研究表明，这些模型中的免疫功能可能无法完全代表野生哺乳动物中的动态；将实验室小鼠重新放归野外可以促进体液免疫系统的成熟，这突显了需要结合多种动物模型，不仅以提高生态相关性，还有助于改进依赖实验室小鼠进行免疫功能和疾病进展研究的医学研究²⁹。同时，重新放归和半自然方法并不能完全再现自由放养条件，因为它们限制了病原体多样性、捕食压力和资源的不可预测性。因此，我们的方法是一种有意识的折中方案，既保留了关键的环境线索和社会互动，又允许对ALAN和免疫时间进行受控操纵。

在这里，我们研究了长期低强度ALAN是否会在半自然条件下破坏免疫和内分泌功能的时间组织。我们关注循环淋巴细胞频率的日常模式作为免疫节律的可行指标，粪便中的皮质醇作为内分泌时间的指标，一天中不同时间点对KLH诱导的抗体反应的影响，以及生存率作为与适应性相关的结果。我们的目标不是测试特定的机制途径，而是评估ALAN是否改变了已知具有昼夜结构的免疫相关过程的时间和协调性（见图1中的实验设计）。

我们预测，在自然光暗条件下，免疫和内分泌指标会表现出日常节律，而ALAN暴露会减弱或破坏这些节律。鉴于关于野生哺乳动物免疫时间的实验数据有限，我们没有对最佳免疫接种时间做出方向性预测。相反，我们测试了在自然条件下抗体反应是否会出现一天中的时间差异，以及这些差异在ALAN影响下是否减弱。通过比较一种夜间活动和一种日间活动的物种，我们评估了ALAN是否以一种在时间生态位中保守的方式破坏免疫时间，即使破坏的幅度或表达在不同物种之间有所不同。

在这里，我们研究了两种共存于以色列岩石沙漠中的Acomys物种：夜间活动的Acomys dimidiatus和日间活动的Acomys russatus。虽然A. russatus像迄今为止测试的大多数日间啮齿动物一样，在实验室中可以恢复夜间活动，但在自然条件下它是严格的日间活动物种，并表现出许多适应日间生态位的特征²⁰。这两种亲缘关系密切但活动模式不同的物种为研究生物节律和ALAN对日间哺乳动物（包括人类）的影响提供了有效的模型。基于之前关于这两种物种的研究，这些研究显示长期低强度ALAN对适应性有负面影响，包括皮质醇水平升高、繁殖时机不当、繁殖成功率降低和生存率下降³⁰，本研究探讨了ALAN对免疫系统的影响及其后果（见图1中的实验设计）。

部分内容摘录

在ALAN条件下，抗体滴度的时间依赖性减弱

首先，我们验证了几种关键的实验方法，以便分析对抗原挑战的血清学反应。由于适用于Acomys物种的分子试剂很少，我们筛选了市场上可用于小鼠的与Acomys目标交叉反应的试剂。蛋白质G被广泛用于纯化血清IgG，发现它可以有效地捕获Acomys血清中的抗体，每0.5毫升血清可得到1.8毫克的抗体

讨论

免疫功能受昼夜节律调节，细胞和体液过程在一天中都有变化，这影响了即时反应和疫苗相关结果^{31, 32, 33, 34}。我们使用两种活动模式相反的密切相关的野生啮齿动物A. dimidiatus和A. russatus，研究了低强度ALAN是否会在半自然条件下破坏免疫时间。

为了在Acomys中进行血清学和细胞测量，我们验证了一种交叉反应的

材料与方法

动物：我们使用了来自特拉维夫大学动物学研究园的160只小鼠进行这项研究，包括80只Acomys dimidiatus和80只Acomys russatus。这些小鼠来自我们的繁殖群体。小鼠被安置在16个1.5X3米的户外围栏中，每个围栏包含10只同一种类的小鼠，性别比例相等（每种性别各五只）。围栏被分为两个实验组：八个围栏暴露于低强度白光LED（CCT约6000开尔文

CRediT作者贡献声明

Yariv Wine：撰写——审阅与编辑、验证、监督、软件、方法学、研究、概念化。Gul Janovsky：数据管理。Noga Kronfeld-Schor：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法学、研究、资金获取、概念化。Hagar Vardi-Naim：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、项目管理、方法学、研究、数据分析、概念化

利益冲突声明

无利益冲突。

分类

生物科学/免疫学和炎症。

资助

这项研究得到了以色列科学基金会（ISF，资助编号866/17和1603/25给NKS的支持。Alexander Lester博士和Eva Lester博士的奖学金（HVN）也部分资助了这项研究。这项研究还得到了以色列科学基金会（ISF，资助编号666/22）对YW的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。