文/特拉维斯·朗科尔

　　译/苟利军

　　被灯光吸引

　　2005年10月1日,在澳大利亚纽卡斯尔的能源澳大利亚体育场(现名麦当劳·琼斯体育场),数千只蛾子在纽卡斯尔联队主场比赛期间的泛光灯周围成群结队地飞舞。

　　夜间人造光不仅剥夺了生物的舒适感,还夺走了我们观赏星星的乐趣。

　　我经常就光污染及其影响,特别是对我们观赏星空以外的影响,举办讲座。在光污染领域,几乎每个人都有一个关于在夜空下被极光或首次看到银河所激发的故事。光污染对这种体验的威胁是易于讲解并具有直观感受的。

　　然而,很多人从未亲自体验过银河的美妙。全世界生活在城市中的数十亿人,往往没有机会踏出周围的灯火辉煌,去体验那片壮丽的夜空。

　　尝试与城市观众建立联系的一种方式是谈论光污染对更为熟悉的事物的影响。其中包括人类健康——每个人都有被灯光打扰的睡眠经历,迟早会遇到这个问题——以及他们可能了解和关心的野生动植物。

　　我们可以预料到,夜间的人工光源(也就是源自人类的光照)对生物有所影响。但令人惊讶的是,很多人并不知道。他们同样惊讶于我们周围美丽的自然景观中的许多生物正受到夜间照明的影响,人们自己也可能因长期暴露于这种光线下而遭受健康后果。

　　在整个进化历史中,光与暗的主要模式是由地球的旋转、月亮反射太阳光,以及夜空中的星星和其他发光现象共同定义的。每天、每月及每季的光暗变化模式极为规律,如同精确的时钟运作,具有典型的可预测性。

　　由于这种可预测性,许多生活中的事件都与光照水平相关联。例如,鸟类在光线增强到一定程度时开始晨唱;沙鼠在月光微弱、黑暗的掩护中寻找食物;黄昏时分,由蛾子传粉的花朵绽放;一些植物在白昼缩短时结籽。人类(通常)在夜间睡眠。这些节律都与数十亿年来可预测的光照水平紧密相连。

　　No Creature Comfort

　　在自然界中,当环境中出现可预测的资源变化时,生物种群会进化并专门化,以分割这些资源。例如,不同的鸟类可能在树的不同高度寻找食物,有的在高枝,有的在低枝,还有的在地面,以及那些适应性更强的“通才”型鸟类。在这个星球漫长的生命历史中,许多物种已经适应了各种黑暗环境,并依赖这些环境生存。每月最暗的夜晚、黄昏与黎明的薄暮时刻,以及正午的强烈阳光,都是物种适应的独特环境。如果自然环境的这部分变化受到限制,适应能力广泛的物种可能还能存活,但专门化的物种则可能面临生存危机。因此,光污染通过简化物理环境,消除了某些关键的生存条件,对一些物种的持续生存构成了威胁。

　　在任何一个生态系统里,虽然广泛适应型物种(generalists)在数量上可能很多,但专门适应型物种(specialist species)的数量也可能相等甚至更多。一个缺失了依赖自然光和暗规律生存的物种的世界,将会变得异常贫乏。

　　夜晚的光照对自然世界的影响大致可分为三类:1)动物的迁徙,包括对光的吸引、迷失方向以及随之而来的栖息地破碎化;2)物种间生态互动的扰乱;3)日常、月相和季节性节律的破坏,这也涉及了夜间光照对人类的影响。

　　移动及其后果

　　夜间人造光照对动物行为的影响是广为人知的,它们甚至可能导致动物死亡。海龟就是一个众所周知的例子。在自然状态下,雌性海龟通常会在沙滩上挖掘巢穴来产卵。小海龟孵化后,它们会自行离开巢穴,朝着大海前进。在人类使用电灯之前,小海龟会本能地远离最暗的地平线——也就是通常朝向陆地的沙丘和植被区域——从而找到海水。

　　但沿海和海上的开发以及灯光的使用改变了这一自然行为。灯光使得小海龟迷失和误判方向,它们到达海洋的机会大幅减少。最近的研究显示,即使是天空辉光(人造灯光在大气中散射产生的光)也足够明亮,足以使刚孵化的小海龟混淆方向。此外,如果沙滩灯光太亮,雌性海龟也不会选择在此产卵,这限制了它们的可用栖息地。

　　尽管部分地区已经采取了限制照明的措施来保护海龟的筑巢活动,但全球许多热带海滩上的人造光依然对这些动物构成威胁。

　　不仅海龟被灯光吸引,许多昆虫也被光所诱导。这种现象如同“飞蛾扑火”,已经成为语言中的比喻。昆虫在自然界中扮演着关键角色,比如授粉和分解,但它们目前正面临全球性的数量下降。在某些地区,过去三十年间昆虫数量减少了多达75%,这引发了对于“昆虫末日”的担忧。我们认为光污染是导致这一现象的原因之一,因为灯光能将昆虫吸引到远离其自然栖息地且危险的地区。

　　在光源的作用下,昆虫的行为出现了不同的变化。有些昆虫会逃离光源,而其他昆虫则变得异常安静,不再在它们通常活跃的时间里活动。这种影响的程度通常与光源和周围环境的对比度有关,因此在光污染较低的环境中,即使是较为昏暗的光也能对昆虫产生极大的吸引力。

　　在大城市中,透过窗户照进卧室的户外灯光强度可能是满月的两倍多,这一强度与褪黑素抑制的阈值相仿。

　　鸟类也会被光所吸引,但研究人员还未能完全揭示这一现象背后的机制。人类几个世纪以来一直利用火光和灯光来猎捕鸟类。例如,在灯塔、灯船、通信塔、建筑物、测云高仪(向空中发射的光束,用于测量云层高度)以及出于美观目的而设置的灯光装饰等光源处,都有大量鸟类的活动被记录下来。特别是纽约每年9/11的“光之致敬”(Tribute in Light)活动,单夜就能吸引大约160,000只鸟聚集到光束中。被灯光吸引的这些鸟类,通常是日间活动、夜间迁徙的物种。不幸的是,这些鸟类有时会在天明时与被照亮的建筑物相撞,尤其是玻璃窗,从而导致死亡。

　　利用对个体鸟类具有足够敏感性的天气雷达进行的研究表明,鸟类确实会被远在数千米外的发光区域所吸引,这表明人造光源会影响它们在迁徙期间的分布。在这些情况中,鸟类选择它们的暂停栖息地,并不是因为这些地点本身具有最优的环境条件,而是被灯光所吸引。因此,这些迁徙中的鸟类面临着与城市环境相关的额外危险。

　　动物响应灯光而改变其迁徙路径,这种行为导致了原本宽阔的自然景观被细小的光点所割裂。灯光成了一种隐形的屏障,它既可以独立存在,也可以与道路等人造建筑共同形成阻碍。例如,在水域生态中,桥梁的灯光即使没有物理上的障碍,也会阻碍年幼的鲑鱼沿河流迁徙。这些小鲑鱼本应在夜幕中顺流而下,却因灯光而停滞不前,就如同白昼时分。还有些蝙蝠在离开它们的栖息地时,会刻意避开光亮的区域,被迫改变它们的飞行路线。研究者们认为,这些是它们为了避免被捕食者发现而采取的行为。

　　在其他情况下,一些夜行性物种会避开光源,减少与人类的接触。有研究显示,美洲狮倾向于待在它们所在地区最暗的部分,并会避开光亮地区。因此,在设计跨越道路的野生动物通道时,控制灯光和创造黑暗的路径是至关重要的。

　　生理学:时间问题

　　人造光作为一种信号,对生物的时间节律和生理行为产生了广泛影响。这也是人类健康研究与其他物种研究相交汇的领域。

　　地球表面的绝大多数生物(不同于深海或深洞中的生物)都有其固有的日常节律,而这些节律是依赖光线来保持协调。夜间的光照,哪怕是较弱的光照,也能打乱这种节律。研究人员已经对此进行了广泛研究,尤其是对人类,通常将小鼠作为研究模型。夜间光照与包括乳腺癌、前列腺癌在内的多种癌症以及糖尿病、肥胖、睡眠障碍、抑郁和压力等疾病有着直接关联。

　　大豆 这张由无人机拍摄的阿拉巴马州费尔维尤(Fairview)大豆田的照片,展示了作物在夜间人造光照下的行为变化。通常情况下,大豆植株会成熟、枯萎并干燥(表现为棕色区域),然后进行收割。但在街灯附近的植株却保持着绿色。特别值得注意的是,绿色区域中有一条长棕色条带,这是由于灯杆的影子阻挡了光线,让那些植株得以自然地成熟。

　　关于乳腺癌,研究者认为夜间的光照通过抑制褪黑素的产生而促进疾病的发生。褪黑素在身体多个系统的调节中起着重要作用,可以抑制癌细胞的生长,且只在黑暗中产生。大量研究显示,卫星测量的户外夜间照明水平与乳腺癌发病率的升高有密切关联。尽管人类夜间接触的大部分光线是自己制造的(如室内照明、电子设备、电脑、电视),户外照明仍与风险密切相关。

　　昼夜节律 光照调控着大脑中的主时钟机制。大脑随后通过神经和激素信号来调节身体各器官的时钟。这些外围时钟也会受到内外部因素的影响:内部因素包括新陈代谢和内分泌源(比如体温和激素),外部因素则包括光照、饮食时间、肠道微生物群和饮食成分。

　　我和我的学生们进行的初步研究显示,在大城市中,透过窗户进入卧室的室外光照可能是满月光照的两倍以上,这一亮度与褪黑激素抑制阈值(大约5 lux,类似于民用晨昏蒙影)接近。不过,不同个体在夜间对光线的敏感度差异很大,有的人对光的敏感度可能比其他人高出50倍。

　　室外光增加与睡眠紊乱之间有着密切的联系。在我和同事们近期的研究中,我们发现即使考虑到其他压力因素,如噪音、空气污染和缺少绿地等,夜间光照仍是一个重要的影响因子。睡眠紊乱与心血管疾病、糖尿病和癌症有关。然而,由于我们的研究是基于调查结果,我们无法确切地将这些影响与褪黑激素抑制直接联系起来。

　　对光线引起的褪黑素抑制,野生动物的敏感性可能高达人类的1,000倍,因此他们在夜间光线的影响下,其最基本的生理机能肯定遭受了不良影响。鸟类就是其中的一个例子。

　　灯光作为季节时间的标志,能够诱导鸟类产卵。这一现象最初在20世纪20年代的伦敦被发现,当时发现靠近街灯的椋鸟比其他地方的椋鸟更早开始繁殖。家禽养殖者采纳了这一技术,促进了关于光照时长和类型的研究,这不仅提高了蛋的产量,也促进了禽肉的生长以满足人类的消费需求。如今,这一行业依然利用灯光控制全球数十亿只母鸡的产蛋周期。

　　连植物也会对人造光作出反应。通常情况下,大豆会在白天时间缩短时开始结籽,结籽后它们便会死去,可以收割。但在街灯下或是受到人造光照影响的田地中,大豆却因为不知道夏天已经结束(由于人造光让它们误以为白昼依然长)而无法结籽。

　　人类也会在对光环境的反应中表现出季节性和月度的模式。在高纬度地区,人类的褪黑素生成呈现出明显的季节变化:冬季时产生量增加,夏季则减少。但在城市居民中,由于晚上接触到更多的人造光源,这种季节性模式并未显现。近期研究发现,在缺乏电灯的条件下,人类的睡眠呈现出与月亮光照相对应的月球模式。即使在有电灯的附近村庄,仍能观察到类似但程度较低的月球影响,这种影响在一个高度城市化的北美城市的大学生身上也有所体现。尽管目前还未确定月球模式减弱是否由城市环境中的照明引起,但这些模式的存在已经充分说明了环境对人类睡眠的巨大影响。

　　光谱的重要性

　　光污染的效果随着光线的颜色而有所增强或减弱。通常,户外照明使用的是广谱白光,能发出多种波长的光。这种光会同时激活人类的白天视觉(彩色)和夜间视觉(单色)。然而,其他物种却能通过人类视觉不敏感的波长捕捉图像。很多非人类物种,如某些昆虫、蜘蛛、鸟类、爬行动物、两栖动物和哺乳动物,可以看到紫外线范围内的极短波长,而人类通常无法看到这些波长,因为我们的角膜会过滤掉它们。特别是昆虫,它们会被紫外光吸引,从而容易受到发出这种光的灯光影响。

　　光照与褪黑素 自然光照水平在日间和月间会有所变化(左图)。当光照强度达到一定阈值时,动物就会停止生成关键激素褪黑素(中图展示了最低光照水平)。然而,典型的人造夜间光照(右图)可能超过这些阈值。人类对光照的敏感度有很大差异——一般而言,25lux的光照会抑制50%的褪黑素产生,但有些人对更低强度的光线就感到敏感,而另一些人则可以承受高达10倍的光照强度。CT(civil twilight)代表民用晨昏蒙影,NT(nautical twilight)代表航海晨昏蒙影,AT(astronomical twilight)代表天文晨昏蒙影。

　　我最近对从20世纪中叶以来发表的大量陆地野生动物视觉敏感度的研究进行了汇编和数字化处理。我寻找的是不同动物群体对各种光色反应程度的相似性,目的是确定应避免使用哪些光谱区域。这个理念并不新颖:早在20世纪60年代,就有关于蛾类对短波(紫外光、紫色光和蓝色光)和长波(红色和黄色光)的吸引程度的估算。此外,一些研究小组已经提出通过使用特定颜色来降低光污染对生态和健康的不利影响。

　　在分析了来自大约175个研究数据结果后,我观测到了明显的变化。但总的来看,陆生物种的眼睛对光的敏感度呈现出双峰波状:有一峰对紫外线的敏感度很高,对蓝光的敏感度相对较高,接着是对绿光的又一高峰,对黄光的敏感度逐步降低,而对红光的敏感度最低。值得重视的是,人类色觉的敏感峰值比大多数其他物种偏向于更长的波长。这意味着使用黄色和红色灯光而非白光,能够为人类提供可见性,同时减少对其他物种的影响。

　　对于业余和专业的天文爱好者来说,琥珀色和红色光线对视觉影响较小的事实并不意外,因为他们早已习惯使用红色光来保持夜间视力。但这种光的好处不仅仅体现在使用望远镜观测星云。更可见的光线对于特定物种而言,将更大程度上影响其基于视觉感知的行为。借助这个新的数据库,我能够计算不同颜色光对各类生物群体(包括鸟类、哺乳动物、两栖动物、爬行动物、昆虫和蜘蛛)可能产生的影响。为此,我采用了我和同事们之前开发的一种方法,通过相关色温(CCT)来比较不同真实光源的光。CCT是描述光中不同波长比例的指标。

　　这些计算结果预测出,在更高的色温(即偏蓝)的光照下,对生物的影响会更加显著,而在较低的色温(偏向黄色和红色)下,其影响则较小。这种预测效果在某些生物群体中更为突出,比如哺乳动物、昆虫和蜘蛛,但这一规律适用于所有群体。例如,那些喜欢光线的昆虫往往更容易被短波长的光吸引,而马和相关物种在夜间不会被红光干扰,因为红光位于它们视觉范围的边缘。这一点也同样适用于大多数昆虫群体、某些啮齿类动物物种以及蝙蝠。

　　看见光线 动物王国中的每一个类别(这里展示了六个)对不同波长的光都有着自己独特的反应,显然存在很多相似性。这些平均敏感度的峰值与人类的日夜视觉峰值相似,但我们对短波长的敏感程度远不及其他动物。

　　虽然利用颜色来降低光线影响是一个有潜力的方法,但这里面也存在一些明显的例外和挑战。例如,萤火虫等生物发光物种对那些对其他生物相对无害的黄色至琥珀色波长特别敏感。对于这些依赖光线交流的生物群体来说,最理想的做法是尽量避免它们接触到任何形式的散射光。另一个挑战在于,有些物种对光的敏感程度并不随光谱的变化而改变,这意味着光谱并不能作为一个“免除责任”的通行证,让我们可以随意使用光线而不造成负面影响。

　　我的研究集中于色觉,它主要是通过被称为视锥细胞的感光细胞来实现的;除此之外,我们还有视杆细胞,这是在微光环境下用于视觉的细胞。但是,我们和其他物种的眼睛还装有探测白天光线的感应器,它们帮助设定我们的生物钟,却并不直接参与视觉过程。这些感应器对蓝光特别敏感,其敏感度接近于晴朗蓝天的光色。在人造光出现之前,我们通常只在白天遇到这种明亮的蓝色光线。这种光线对我们的生物钟产生不良影响——影响我们的睡眠模式——因此,这也是我们在夜间应避免使用蓝光的另一个原因。

　　结论

　　研究表明,为了尽量减少对野生动植物和我们自身的影响,我们需要控制夜晚环境中的光线亮度和颜色。我们应该避免使用较短波长的光线(从紫外线到蓝光),转而选择黄色和红色的光源。这样既可以满足夜间照明需求,又能减轻对其他物种的负面影响。

　　然而,最佳的解决方法是减少整体光照,并仅在必要的时间和地点进行照明。技术上讲,这意味着我们应该使用全遮光型灯具,避免光线向上方扩散,同时确保光线直接照射到目标区域,而非周边环境。

　　在光线颜色方面,我建议使用色温低于2200K的灯光,它们发出的光线类似于温暖的烛光。随着公众对光污染影响认识的提高,生产这类灯光的厂商日益增多,市场需求也在不断扩大。

　　一旦明白了破坏黑暗所带来的危害,人们通常能够直观地理解并支持更合理的照明方式。在我进行的演讲中,我常听到人们讲述因邻居的灯光影响而失眠的故事,以及对夜间光照引发的复杂活动模式表示赞叹。我们无需给每个地方都安装照明,通过简单地改善照明方式——减少浪费并顾及地球生命的自然节律,我们就能实现显著的改进。

　　——译自《天空与望远镜》杂志2024年1月期

　　责任编辑/北洛

　　作者简介:特拉维斯·朗科尔(Travis Longcore),美国加州大学洛杉矶分校环境及可持续性研究所的客座教授,并共同主持环境科学与工程(Environmental Science and Engineering)项目。

　　译者简介:苟利军,中国科学院国家天文台研究员,中国科学院大学天文学教授。《中国国家天文》杂志执行总编,北京天文学会副理事长。主要研究兴趣为高能天体物理。曾获得中国国家优秀科普图书奖、国家图书馆文津奖以及全国优秀科普微视频一等奖等奖项。

　　延伸阅读:由凯瑟琳·里奇(Catherine Rich)和特拉维斯·朗科尔编著的《人造夜光对生态的影响》(Ecological Consequences of Artificial Night Lighting),岛屿出版社(Island Press),2006年出版。

　　(《中国国家天文》2025年6期 [1258])