Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
Ortelius classification: Biophysics
Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences)
50 %
Ortelius classification: Aquatic ecology
Panel
Ecology and evolution 1
Department or equivalent
Institute for Aquatic Ecology, Centre for Ecological Research, Hungarian Academy of Sciences (Centre for Ecological Research)
Starting date
2016-02-01
Closing date
2019-01-31
Funding (in million HUF)
19.890
FTE (full time equivalent)
3.00
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A mesterséges fényforrások vonzzák az éjjel aktív állatokat (pozitív fototaxis), aminek természetkárosító hatása, vagyis a hagyományos (fototaktikus) ökológiai fényszennyezés, jól dokumentált jelenség. A polarotaktikus vízirovarok peterakásra sokszor a vízfelszínnel szemben előnyben részesítenek olyan, élőhelynek teljesen alkalmatlan mesterséges felületeket, melyek erősen és vízszintesen poláros fényt vernek vissza. Az ilyen műtárgyak és mesterséges felületek közelében gyakorta megfigyelhető szembeszökő mértékű rovarpusztulás fontos szerepet játszott az ökológiai csapda fogalmának tudományos meghatározásában. A poláros fényszennyezés a fototaktikus fényszennyezéstől függetlenül is kialakíthat ökológiai csapdákat, ezért e kettő megkülönböztetése indokolt. A fénypolarizációs ökológiai csapdák kialakulásában és abban, hogy milyen mértékben csapdázzák a polarotaktikus rovarokat, meghatározó szerepe lehet többféle fizikai inger által kiváltott viselkedéselem, illetve e külső ingerek által irányított helyváltoztató ingermozgások sorának, melyek több lépcsőben újabb ingerforrásokhoz, majd végül a csapdához vezetik az egyedeket. Így a poláros fényszennyezés kis forrásai összetett fénypolarizációs ökológiai csapdák részeként akár igen nagy rovarpusztulást okozhatnak. Tervezett kutatásomban vizsgálni kívánom a polarotaxis és a fototaxis szinergizmusával kialakuló összetett ökológiai csapdák működési mechanizmusait és a vízi ízeltlábúak polarotaktikus viselkedésének szerepét az életmenet-stratégiájukban.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Kutatásom alapkérdése és egyben legfontosabb feladata is az, hogy megállapítsam, miként befolyásolják a különböző optikai ingerek bizonyos vízi ízeltlábúak viselkedését, hogy miként vesznek részt ökológiai csapdák kialakításában a vízirovarok különböző optikai ingerek által kiváltott helyváltoztató ingermozgásai (foto- és polarotaxis), és miként lehet csökkenteni az így kialakuló ökológiai csapdák káros hatásait. Munkahipotézisem szerint a vízirovarokat a fénypolarizációs csapdához vezető több különböző optikai inger kiváltotta célirányos mozgás sorozatainak egymásra épülése, illetve együtthatása a fénypolarizációs ökológiai csapdák kialakulását és hatékonyságát döntően befolyásolja. Az eredmények alapján módszereket javaslok a különböző műtárgyak és mesterséges felületek vízirovarok utódgenerációit súlyosan veszélyeztető optikai csapdává válásának megakadályozására.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Ökológiai csapdának tekintjük azokat az emberi tevékenység nyomán rövid idő alatt bekövetkező változásokat, melyek során valamely populáció egyedei korábban adaptív viselkedési mintákat követve alkalmatlan vagy a közeljövőben alkalmatlanná váló élőhelyet választanak maguknak vagy utódaiknak. Így a populáció kihalhat, vagy egyedszáma veszélyesen lecsökkenhet akkor is, ha környezetében változatlanul elegendő kedvező élőhely található. A vízirovarok foto- és polarotaxisának egymást erősítő kölcsönhatásával kialakuló összetett ökológiai csapdák működése igen kevéssé kutatott. A tervezett projekt e hiányt betöltő, úttörő jellegű kutatás, melynek eredményei a modern természetvédelem és konzervációbiológia számára különösen értékesek. A vizsgálatok fontos eleme a képalkotó polarimetria, melynek továbbfejlesztését tervezem, így a természetes, vizes élőhelyek lényegesen kisebb hibával lesznek vizsgálhatók e módszerrel. A kutatás során leírom a foto- és polarotaxis együtthatásával kialakuló összetett ökológiai csapdák működési mechanizmusait, melyek alapján világszerte alkalmazható ajánlások tehetők a vízirovarok és életterük védelmének megvalósítására. Tervezek víz alatti vizsgálatokat, melyek során vízi ízeltlábúak polarotaxisát tanulmányozom. Tervezem úttörő jellegű, polarizált fényű, víz alatti fénycsapdázási módszerek kipróbálását szem előtt tartva a lehetséges gyakorlati alkalmazásokat is, mint például a csípőszúnyogok lárvaállapotban történő befogásának lehetőségét.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A mesterséges éjszakai fények nagy intenzitásuk miatt vonzzák az állatokat. E jelenség a pozitív fototaxis, amelyről sokáig úgy vélték, hogy az ökológiai fényszennyezés (ÖF) egyetlen okozója. Az elmúlt években vált ismertté az ÖF egy új formája, a poláros fényszennyezés (PF). PF alatt a sima mesterséges felületekről visszaverődő, erősen poláros fénynek élőlényekre kifejtett káros hatásait értjük. A vízirovarokat magához vonzhatja minden olyan mesterséges felület, amely erősen és vízszintesen poláros fényt ver vissza. Az ember az utóbbi évtizedekben egyre több poláros fényszennyező felülettel árasztotta el a korábban természetes élőhelyeket, amelyek a vízirovarok számára végzetes ökológiai csapdákká válhatnak. Legújabb kutatási eredményeink alapján világossá vált, hogy az önmagukban is súlyos veszélyt jelentő poláros ökológiai csapdák egyéb optikai ingerekkel kiegészülve olyan összetett ökológiai csapdák kialakulását eredményezhetik, amelyek sokkal drasztikusabb természetkárosítást okoznak. Erre igen szemléletes példa a hazánkban védett kérészfaj, a dunavirág esete. 40 év után a vízminőség-javulás miatt 2012-ben a dunavirág milliós tömegrajzásai nyomán újra kivirágzott a Duna. A folyón átívelő éjszaka kivilágított hidak azonban foto- és polarotaxison alapuló összetett ökológiai csapdákat kialakítva sok millió többségében petés nőstény egyed pusztulását okozták. A jelenség részletes feltárásával viszont erre, és kevésbé látványos, ám jelenlévő súlyos természetvédelmi problémára is lehet világszerte alkalmazható gyógyírt találni.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. It is well known and well documented that artificial light sources attracting nocturnal animals (positive phototaxis) have a harmful effect on the ecosystem (conventional or ecological light pollution). Polarotactic aquatic insects frequently prefer to water artificial surfaces reflecting strongly polarized light but being entirely unsuitable habitats and lay eggs on them. Devastation of insects in striking great numbers observed in the vicinity of such objects and artificial surfaces played a key role in the forming of the scientific definition of ecological traps. Polarized light pollution may form ecological traps independent of ecological light pollution, thus it is justified to distinguish them. Physical stimuli and series of taxes play key roles in the forming of ecological traps based on light polarization and in determining their potential for trapping polarotactic insects; In certain cases a series of taxes guide insects to the consequent sources of stimulus and finally to the trap. In this way small sources of polarized light pollution may act as elements of complex ecological traps based on light polarization and kill insects in unexpected great numbers. In my proposed project I plan to examine the mechanisms of complex ecological traps formed by the synergism of phototaxis and polarotaxis as well as the polarotaxis-driven behaviour of certain aquatic arthropods.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The main question and primary goal of my project is revealing how the behaviour and various directional movements of aquatic arthropods governed by various optical stimuli (phototaxis and polarotaxis), how they contribute to the forming of ecological traps, and how the harmful effect of these ecological traps can be eliminated. According to my work-hypothesis the synergism and cascades of directional movements elicited by multiple distinct optical stimuli determine both the forming and efficacy of ecological traps based on polarized light. Based on the outcome I shall give recommendations and offer methods for preventing objects and artificial surfaces from turning into optical traps gravely endangering aquatic insects and their offspring.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Ecological traps are short term changes of the environment caused by human activity, due to which individuals of a population follow an earlier adaptive behaviour pattern and choose an inappropriate habitat or a habitat soon becoming inappropriate for themselves or for their offspring. This may lead to the extinction of the population or to the drastic reduction of its abundance even if still there are enough appropriate habitats in its environment. Complex optical ecological traps formed by the synergistic interaction of various taxes in aquatic insects have not been studied yet. To fill this gap, I propose an interdisciplinary basic research project, the result of which will have great significance in environment protection and conservation biology. I plan to improve the method of sequential imaging polarimetry of moving natural water surfaces, by minimizing the errors arising from motion artefacts. I describe the mechanism of complex ecological traps formed by combined effects of photo- and polarotaxis, and I shall provide recommendations for planning and organising the protection of aquatic insects and their habitats. I also plan underwater experiments for studying the polarotaxis of aquatic arthropods. Furthermore, I shall perform novel experiments with underwater polarized light traps and consider possible practical applications, such as trapping of mosquitoes in larval stage, for instance.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Artificial night lights attract animals due to their great intensity. The positive phototaxis creating this phenomenon had been thought to be the sole cause of ecological light pollution (ELP) for a long period. In the last few years polarized light pollution (PLP) was identified as a new type of ELP. We define PLP as effects of strongly and linearly polarized light reflected by artificial surfaces that are detrimental for aquatic insects. Aquatic insects may be deceived and lured to any artificial surfaces that reflect strongly horizontally polarized light. In the last few decades technical innovations scattered natural habitats all over with polarized light polluter surfaces, those may act as detrimental ecological traps killing aquatic insects. Our latest results made it clear that light-polarization-based ecological traps that are dangerous per se may interact with other optical stimuli and form complex ecological traps that devastate the environment in much greater extents. A vivid example of this phenomenon is the case of the protected Danube mayfly. After 40 years this species first exhibited a mass-swarming in 2012 along the Danube River, so the Danube blossomed again. But illuminated bridges over the river formed complex ecological traps due to photo- and polarotaxis and killed millions of gravid female mayflies. A thorough investigation of this, and less known, but existing complex ecological traps may provide a solution for this specific serious problem of nature conservation worldwide.
Final report
Results in Hungarian
Elsősorban olyan módszerek kidolgozása volt a célunk, amik azon vízirovarok hatékony megőrzését szolgálják amiket ember által előidézett optikai ökológiai csapdák veszélyeztetnek. Ennek érdekében terepi és laborkísérleteket végeztünk, melyekkel a vizsgált rovarok, például kérészek vizuális ökológiájának megismerését céloztuk meg. A kutatás egyik legfontosabb elemeként bizonyítottuk, hogy a védett dunavirág kérészfaj nyárvégi tömeges rajzásakor meg lehet óvni az utódgenerációt a közvilágítási fények körüli tömeges pusztulásától. Egy másik, pataklakó kérész esetében rámutattunk hogy a patakokat keresztező utak is megtéveszthetik a peterakó kérészeket és eltéríthetik őket a folyó vonaláról. E probléma kiküszöbölésére is adtunk egy javaslatot. Mindemellett a vízi ugróvillás példáján elsőként mutattuk ki polarotaxis meglétét ugróvillások körében, és kidolgoztunk egy eljárást, amivel vízirovarok élettere polarizációs sajátságainak képalkotó mérése során jelentősen csökkenthető a hullámzó vízfelület bemozdulásából eredő mérési hiba.
Results in English
Our primary aim was to develop effective methods for the protection and conservation of aquatic insects threatened by the negative impact of human-induced optical ecological traps. In order to acquire knowledge about the visual ecology of these insects, for example mayflies, we performed field and laboratory experiments. As the most important part of the project we showed that the offspring of the protected, river-dwelling, night-swarming Danube mayfly (Ephoron virgo) can be saved from being perished in astronomical numbers under light sources at lamp-lit areas. In case of another, creek-dwelling mayfly species we demonstrated that asphalt roads crossing the creek are able to deflect the egg-carrying mayflies originally flying above the track of the creek. We also provided a solution for saving the eggs of deceived females that flew away from the creek along the road. Additionally we have shown for the first time that at least one springtail species has the ability of polarization vision, furthermore we developed and tested a method for reducing the motion artifacts of sequential imaging polarimetry, which can be useful for aquatic entomologists measuring the reflection polarization characteristics of aquatic habitats.
