Spectral measurement of phototactic responses and electroretinograms of arthropods, with special regard to the conservation of night-swarming mayflies and pest management.
Ízeltlábúak spektrális érzékenységének mérése elsősorban sötétedés után rajzó kérészek védelme és kártevők elleni küzdelem érdekében
Title in English
Spectral measurement of phototactic responses and electroretinograms of arthropods, with special regard to the conservation of night-swarming mayflies and pest management.
Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences)
50 %
Ortelius classification: Aquatic ecology
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)
40 %
Ortelius classification: Physiological biophysics
Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences)
10 %
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
2019-12-01
Closing date
2022-11-30
Funding (in million HUF)
25.395
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 rovarok látórendszere általában képes a vizuális környezetből érkező fény mind spektrális illetve polarizációs sajátságait érzékelni. E két paraméter meghatározó szerepet tölt be egy adott rovar viselkedésmintázatának alakulásában. Rovarok fényérzékelésének vizsgálata nagyban hozzájárulhat egy adott faj védelméhez, vagy akár csapdázásához. Kutatási tervemben mindkét esetre található példa. Sötétedés után rajzó kérészek kivilágított városrészeknél, hidaknál történő tömeges pusztulása világszerte ismert jelenség. Magyarországon a védett dunavirág (Ephoron virgo) kérészfaj a leginkább érintett. Azt már megmutattuk, hogy a közvilágítási lámpáknál történő tömeges kérészpusztulás egy fénysorompóval megelőzhető. Most a dunavirág fototaxisának hullámhossz-függését, továbbá az összetett szemének spektrális érzékenységét tervezem megmérni. Ennek eredményeképp megadható lesz a kérészvédő fénysorompó optimális spektruma, valamint ajánlásokat tudunk majd tenni annak érdekében, hogy a dunavirág élőhelyein minél inkább kérészbarát legyen a közvilágítás spektruma. Kérészek védelmén túl kártevő rovarok vizsgálatát is tervezem. Gombaszúnyogok (Sciaridae) a gombatermesztésben okoznak súlyos problémákat, púposszúnyogok (Simuliidae) pedig embereknek és haszonállataiknak okoznak egészségügyi gondokat. A dunavirágnál tervezett méréseimet e kártevők fajainál is tervezem elvégezni, továbbá a púposszúnyog esetében polarizációs elven működö csapdák hatékonyságát is megvizsgálom.
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. A kutatás célja sötétedés után rajzó kérészek, gombaszúnyogok és púposszúnyogok fototaxisának részletes megismerése. Milyen emissziós spektrumú közvilágítási lámpákkal okoznánk a legkisebb természeti kárt a dunavirág esetében? Milyen emissziós spektrummal kellene rendelkeznie a kérészvédő fénysorompónak, amivel a lehető legtöbb petés egyedet a víz fölött lehetne tartani? Mi az a környezeti paraméter ami kiváltja a kérészek tömeges rajzását? Milyen spektrális illetve polarizációs jellemzők miatt lesz egy fényinger vonzó gombaszúnyogok (kártevők gombatermesztésben) vagy púposszúnyogok (emberi és állati betegségek terjesztői) számára? Hogyan készíthető hatékony optikai elven működő csapda e rovarok ellen? E kérdések megválaszolásának céljából terveztem terepi és laboratóriumi kísérleteket, melyek során e rovarok fényhez való vonzódását fogom vizsgálni, továbbá elektroretinográfiával mérem a vizsgált fajok egyedeinek spektrális érzékenységét. Itt merül fel egy újabb, technikai kérdés. Használhatóak-e hatékonyan fénykibocsátó diódák (LED) elektroretinográfiában? Hogyan lehet egy LED fényintenzitását széles tástartományban egyszerűen változtatni? Kutatási tervemben egy egyszerűen gyakorlatba ültethető módszert vázolok fel.
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! Amellett, hogy a világítási technológiák egyre inkább kibontakozóban vannak, az élővilágra gyakorolt káros hatásaik is folyamatosan egyre ismertebbé válnak. Kutatási tervemben egy optikai elven működő kérészvédő rendszer optimalizálását vázolom fel, ami Magyarországon a védett dunavirág kérészfaj (Ephoron virgo) védelmére lenne használható. A rajzási időszakokban Európaszerte hatalmas kérészrajok lepik el a nagyobb folyók menti mesterséges fényforásokat és pusztulnak el petecsomóikkal együtt a szárazon. Hidakra szerelt fénysorompókkal azonban megmenthető az amúgy pusztulásra ítélt kérésztömeg utódgenerációja. Pályázatomban olyan kísérleteket javasolok, amik segítségével meghatározható a dunavirág spektrális érzékenysége. Így ismertté válna, hogy milyen emissziós spektrumú fényforrások lennének ideálisak közvilágítási célra a dunavirág élőhelyein, illetve a kérészvédő fénysorompó ideális spektrumára is fény derülne. A dunavirág egyedek rendszerint tömegesen kelnek ki rajzáskor, gyakran egy-két órára korlátozódva naplemente után. Munkámban kísérletet teszek fényt deríteni e jelenség mindezidáig rejtélyes okára is. Ezen kívül kártevő rovarok (gombaszúnyogok és púposszúnyogok) különböző hullámhosszú fényingerek által kiváltott viselkedésmintázatainak vizsgálatával illetve összetett szemük spektrális érzékenységének mérésével hatékony optikai alapon működö csapdázási módszerek kifejlesztését kívánom segíteni. Végül kutatási tervemnek része egy egyszerűen elkészíthető LED vezérlő eszköz bemutatása, melyből elektroretinográfiával foglalkozó kutatók profitálhatnak. Ennek lényege, hogy szürkeszűrők nélkül, pusztán elektronikus úton olyan nagy intenzitástartományban vezérelhető bármely LED fényereje, ami már megfelelő az ilyen fajta mérések kivitelezéséhez.
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. Mindenki jól tudja, hogy számos rovar vonzódik a fényhez és a lámpák körül keringő rovarok képe sem ismeretlen számunkra. Ez a jelenség sok esetben káros hatással van az odacsalogatott rovarokra. A leglátványosabb példával talán a védett dunavirág kérész rajzása szolgál évről évre. Tömeges rajzáskor a közvilágítási lámpák hatalmas kérésztömegeket képesek magukhoz vonzani és elpusztítani, különösképpen hidaknál. Mindez megakadályozható a víz felett elhelyezett fénysorompókkal. Az azonban nem ismert, hogy mi az az optimális 'szín' amivel a rajzó kérészeket a leghatékonyabban a víz felett lehet tartani, így megóvni az utódgenerációt a pusztulástól. Olyan kísérleteket javasolok, amelyek felfedik a dunavirág fényhez való vonzódásának mértékét a csalogató fény hullámhosszának függvényében. Így megadható lesz, hogy milyen fényűnek kell lennie az ideális kérészvédő fénysorompónak, illetve arra is választ kapunk, hogy milyen spektrumú közvilágítási lámpák lennének a legkevésbé károsak e kérészek számára. Az ilyen jellegű kísérletek azonban rovarok csapdázási lehetőségeivel is kecsegtethetnek. Két kártevő rovarral, gombaszúnyogokkal és púposszúnyogokkal is tervezek hasonló kísérleteket végezni. Az előbbi gombatermesztésben okoz károkat, az utóbbi pedig vérszívásával keseríti meg mind emberek, mind állataik életét. E rovarok optikai elven működő csapdázására még nincs igazán hatékony megoldás, ezért fontos a fény által kiváltott viselkedésük kutatása.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Insect visual systems are usually capable of extracting spectral and polarization information from the visual environment. Behavioural responses of insects can strongly depend on these fundamental characteristics of the optical stimuli. Exploiting knowledge about the light perception of given insects can facilitate their conservation or even their trapping. My proposal includes both objectives. Mass perishment of night-swarming mayflies at lamp-lit urbanized areas, particularly at bridges, is a well known phenomenon worldwide. In Hungary the protected Ephoron virgo is a typical example. We have already shown that these mayflies can be prevented from mass perishment with strong beacon lights. Now I plan to test the attraction of E. virgo to light as a function of wavelength. I shall complete these field experiments with measuring the spectral sensitivity of their compound eyes with electrophysiology. This will lead to the optimization of the emission spectrum of the mayfly protecting beacon lights and we will also be able to give suggestions for the emission spectrum of urban lighs that attract significantly less mayflies. Besides making efforts to facilitate the conservation of a protected insect, I will study pest insect species also. Fungus gnats (Sciaridae) are important pests in mushroom production and black flies (Simuliidae) are vectors of various diseases that affect cattle and humans. With possible practical applications in mind (e.g. light trapping), I plan to measure the action spectrum of their phototaxis, and spectral sensitivity of their eyes. Moreover, in the case of black flies the effectiveness of polarization based trapping will be also tested.
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 goal of the project is to study the behavioural responses of night-swarming mayflies, fungus gnats and black flies to different light stimuli. How can the spectral composition of urban lights optimized for minimizing the negative impacts on the protected E. virgo mayfly (Danube mayfly)? What emission spectrum would be the most effective for attracting and keeping mass swarms of these insects above the water? What is the critical environmental parameter being responsible for eliciting the swarming of these mayflies? How spectral and polarization characteristics determine the attractiveness of optical stimuli to fungus gnats (Sciaridae – pests in mushroom production) or black flies (Simuliidae – vectors of diseases of cattle and humans)? How could we create effective optical traps that meant to catch these pests? To answer these questions I plan to perform field and laboratory experiments in which the attraction of these insects to light will be measured as a function of wavelength. I will complete these behavioural experiments with photoreceptor-level spectral sensitivity measurements using electroretinography. Here arises another, technical question. Can light emitting diodes (LED) be used effectively in electroretinography? How can the light intensity of a LED controlled over a wide intensity range? I propose a simple but effective method for this also.
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. Lighting technologies are expanding worldwide and the negative effects of urban light pollution are becoming more widely investigated. In the present proposal the optimization of a mayfly protecting method is presented. In Hungary, the Danube mayfly (Ephoron virgo) is the mostly affected species. Enormous swarms are attracted to urban lights and get killed mainly at bridges along the Danube and other rivers throughout Europe. These protected insects can be saved from mass perishment with light beacons attached to the bridges. Here I propose experiments for measuring the spectral sensitivity of these night-swarming mayflies. Thus we will be able to give suggestions for the emission spectrum of the protecting beacons and the urban lights at bridges to be most and less attractive for the mayflies. On the other hand, the simultaneous emergence of millions of adults at a given hour of the day in the swarming period is a breath-taking phenomenon, and the underlying reason for eliciting the swarming of E. virgo and other mayfly species that swarm after sunset is still enigmatic. Thus explaining the mechanism that triggers the swarming would be of great significance to the scientific community. Moreover, studying the behavioural and photoreceptor-level responses of pests to lights of different wavelengths or studying their polarotaxis may facilitate the design of new, effective and selective optical trapping methods. My proposal also suggest a simple solution for creating a LED driving method that can be used by neuroscientists in electroretinography. These measurements require variable light intensity and monochromatic lights. Researchers achieve changes in light intensity using moving parts, for example by inserting neutral density filters into the light path. I propose a very simple but effective method for controlling the light intensity only electronically.
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. Everybody knows that many insects are attracted to light, and the picture of moths, bugs and other insects flying around a street lamp or any artificial light is not unfamiliar to us. This phenomenon has usually negative impact on the affected species such as the protected Ephoron virgo night-swarming mayfly, which is called as Danube mayfly in Hungary. The urban lights can attract and kill enormous egg-carrying mayfly swarms particularly at bridges, but it is possible to keep the swarms above the water with light beacons. However, it is not known what is the optimal ‘color’ of the light beacons meant to save these swarms. I propose experiments that will reveal the wavelength dependence of the attraction of E. virgo mayflies to light. We will be able to suggest the optimal spectral composition for the urban lights that would have minimal negative effect on E. virgo mayflies and we will also optimize the spectrum of the mayfly protecting beacon lights. The flight-to-light behaviour of insects can be exploited in trapping too. I propose similar experiments for studying fungus gnats and the blood sucking black flies which are two important insect pests. The former causes crop damage in mushroom production and the latter can make life of humans and cattle a misery. Effective optical trapping methods are still lacking for these insects thus it would be important to reveal the characteristics of their attraction to light.
Final report
Results in Hungarian
Megmutattuk, hogy a dunavirág és más sötétedés után rajzó kérészek fényhez való vonzódása a hullámhossz csökkenésével növekszik. Ezért tehát egy kérészvédő fénysorompónak a legjobb hatás érdekében rövid hullámhosszú fényt célszerű kibocsátania (pl. kék). A kérészrajzások helyszíne környékén, elsősorban hidakon pedig célszerű a közvilágítási lámpák fényét hosszú hullámhosszak által dominált spektrumúra választani. A meleg fehér LED-es fényforrások megfelelőek, azonban messze a borostyánsárga LED-ek (PC Amber) okozzák a legkisebb ökológiai kárt a természetben. Arra is fényt derítettünk, hogy a dunavirág összetett szemének spektrális érzékenysége mind lárva- és imágóállapotban az aktuális optikai környezetre van hangolva. Kimutattuk, hogy a /Lycoriella ingenua/ gombaszúnyogokat az UV és a zöld spektrális tartományokkal lehet a leghatékonyabban csalogatni. Emellett arra is fényt derítettünk, hogy e gombaszúnyogok fényhez való vonzódásának hullámhossz függése a fényintenzitástól is függ. A zöld hullámhosszak a rendkívül kicsi, míg az UV spektrális tartomány a nagyobb fényintenzitások esetén a legvonzóbb. Hasonló kísérletekben vizsgáltuk az ázsiai márványospoloska (/Halyomorpha halys/) összetett szemének és fototaxisának spektrális érzékenységét. E poloska fényhez való vonzódása a rövid hullámhosszak (UV-kék) esetén maximális. Emellett mindössze két típusú fotoreceptort sikerült azonosítani, így vélhetően az ázsiai márványospoloskának csak dikromatikus színlátása lehet.
Results in English
We showed that attraction of /Ephoron virgo/, and other twilight-swarming mayflies to light is increasing with decreasing wavelength. Consequently, a mayfly protecting beacon light system should emit short wavelength light (e.g. blue) to maximize the effectiveness. On the other hand, public lights on a bridge and at any other site where mayfly swarms are expected should emit long-wavelength-dominated light. Warm white LEDs are fine, but PC Amber LEDs are far the best for minimizing the negative ecological effects of light pollution. We also found that the spectral sensitivity of /E. virgo/ mayflies is adapted to the optical environment both in the larval and adult stages. We showed that the two most effective spectral regions for trapping /Lycoriella ingenua/ fungus gnats are the UV and green. We also demonstrated that the spectral sensitivity of the phototaxis of these gnats is light intensity dependent. Green and UV is the most attractive under very low and higher light levels, respectively. Following the fungus gnat experiments we studied the eye spectral sensitivity of the invasive brown marmorated stink bug /Halyomorpha halys/, which seems to prefer short wavelength light and seems to have only two types of photoreceptor classes which allows only dichromatic vision.
Egri, Á., Mészáros, Á., Farkas, A., Kriska, Gy.: A spektrumban rejlő lehetőségek: Színes fénysorompók a dunavirágért., Élet és Tudomány 76, 553-555, 2021
