A fényszennyezés evolúciós csapdája

Az ELTE kutatói kiderítették, hogy a környezetbarátnak hitt napelemcellák rovarok millióit pusztíthatják el, hatalmas károkat okozva így földünk élővilágában.Csillagászati fényszennyezés alatt azt értjük, hogy az éjszakai égbolt csillagainak észlelhetősége a városokban és azok környékén annyira leromlik, hogy gyakorlatilag minden tudományos csillagászati megfigyelés lehetetlenné válik. Az ökológiai fényszennyezés az élővilág fényéletterének mesterséges fények miatti degradációja. Ilyen fényszennyezést válthatnak ki például a mesterséges vakító fények, a napnyugta után fokozatosan erősödő kivilágítás, és a megvilágítás ideiglenes, váratlan ingadozásait okozó világítótestek. A mesterséges éjszakai fények elsődleges hatása, hogy vonzzák vagy taszítják az állatokat a sötét környezethez képesti nagyobb fényintenzitásukkal. Egészen mostanáig úgy vélték, hogy az ökológiai fényszennyezés egyetlen okozója a fény vonzóereje. Az elmúlt években végzett terepi és laboratóriumi kísér- leti kutatásainkra alapozva rámutattunk az ökológiai fényszennyezés egy új formájára, a poláros fényszennyezésre. Ennek kiváltó oka a sima, sötét felületekről tükröződő erősen és vízszintesen poláros fény.

A fény olyan hullám, amelyben a terjedésre merőlegesen, periodikusan rezegnek az elektromos és mágneses térerős-ségvektorok. Az ilyen elektromágneses hullámnak négy fő tulajdonsága van: intenzitás, hullámhossz, polarizációirány és polarizációfok. A fény intenzitását az emberi szem világosságként-sötétségként érzékeli, míg a hullámhosszát színként. Az emberi szem gyakorlatilag nem látja a fény polarizációját, ugyanakkor az emlősök kivételével az állatok érzékelik, és az égboltfény polarizációs mintázata alapján történő térbeli tájékozódásra használják.

A vízi rovarok a vizes élőhelyüket a vízfelszínről tükröződő fény vízszintes polarizációja alapján találják meg. Közéjük sorolunk minden olyan rovart, amely egyedfejlődésének valamely szakaszát, például a lárvaállapotát a vízben tölti. A vízi rovarok, néhány kivételtől eltekintve, vonzódnak a vízszintesen poláros fényhez, amit pozitív polarotaxisnak nevezünk. A rovarokat azonban könnyen becsaphatja és magához vonzhatja minden olyan mesterséges felület, amely erősen és vízszintesen poláros fényt ver vissza. Az ilyen felületek szupervíznek tínnek a vizet kereső rovaroknak, ha a róluk vissza- vert fény polarizációfoka nagyobb, mint a vízről visszaverté. Az erősen és vízszintesen polarizáló száraz felületekhez vonzott vízi rovarok kiszáradhatnak, a rájuk rakott petéik pedig óhatatlanul elpusztulnak.

A természetes, embertől nem háborgatott optikai környezetben csak a víztestek (például pocsolyák, tavak, folyók) felületei vernek vissza gyengén, közepesen vagy erősen és vízszintesen poláros fényt nagyobb látószögben. A technikai fejlődés az utóbbi évtizedekben azonban egyre több poláros fényszennyező forrásnak számító mesterséges felülettel árasztotta el a korábban természetes élőhelyeket. A poláros fényszennyezés mindenhol megtalálható a Földön, és evolúciós értelemben új keletí, hiszen csak az elmúlt évtizedekben váltak globálisan elterjedtté az erősen és vízszintesen polari- záló mesterséges felületek, például nyílt olajfelszínek, aszfaltutak, mezőgazdasági míanyag fóliák, üvegfelületek és autókarosszériák megjelenésével.

Poláros fényszennyezés nemcsak napközben jelenik meg, hanem éjszaka is, amikor a holdfény vagy a települések fényei verődnek vissza ember alkotta sima felületekről. Káros hatása csak fokozódhat a mesterséges éjszakai megvilágítás által okozott hagyományos fényszennyezéssel kombinálódva. Mivel a vízi rovarok fontos tagjai az ökoszisztémák táplálékláncainak, a poláros fényszennyezés ezen állatokra kifejtett káros hatásai komoly ökológiai következményekkel járhatnak.

Polarizációs ökológiai csapdák
A gyorsan változó környezet megzavarhatja az evolúciós fejlődés során kialakult viselkedésmintákat, mert az állatok egyes viselkedésének irányítását olyan új környezeti ingerek vehetik át, amelyekről az állatok még nem rendelkeznek elegendő információval, ezért nem is tudtak alkalmazkodni hozzájuk. Az evolúciós csapda akkor jelenik meg, ha a gyorsan átalakuló környezet olyan irányban befolyásol egy élőlényt, hogy az egy, a saját maga és a populációja túlélése szempontjából előnytelen döntést hoz, azaz evolúciós szempontból hibás viselkedésmintát követ.

Az evolúciós csapda egyik fajtája az ökológiai csapda, amiről akkor beszélünk, ha az új környezeti viszonyok hatására az állatok egy gyenge minőségí élőhelyet választanak letelepedésre. Az állatok egyes mesterséges ingerek hatására olyan torz viselkedésmintákat követnek, amelyek populációik hanyatlásához vagy akár kipusztulásához is vezethetnek. Bár az ökológiai csapdákkal kapcsolatos ismeretek gyorsan gyarapodnak a biológusok, ökológusok és természet-védelmi szakemberek körében, még napjainkban sem haladja meg a tízet az e témával foglalkozó, kísérletileg is jól dokumentált esettanulmányok száma.

Korábbi vizsgálatainkból tudjuk, hogy a fényes, fekete tárgyak, mint például a nyílt felszíní olajtavak és üvegépületek gyakran erősen és vízszintesen poláros fényt tükröznek, ami miatt ezeket vízként azonosítják a vízi rovarok. A vizek felszíne a tükröződő napfényt és az égboltfényt vízszintesen polarizálja, ami egy olyan evolúciósan megbízható ingert jelent a vízi rovarok számára, ami egészen napjainkig biztos támpontot jelentett a vízkeresésükben. Ezt az évszázmil-liókig megbízhatóan míködő mechanizmust zavarta meg az ember poláros fényszennyezése: A vízi rovaroknak a visszavert fény erős és vízszintes polarizációja miatt a víznél csábítóbbnak tínő mesterséges tükröző felületekhez való vonzódása nyilvánvalóan rossz döntés, mert a rájuk rakott peték menthetetlenül elpusztulnak. Ez tehát nem más, mint egy tipikus polarizációs ökológiai csapda.

Napelemtáblák és napkollektorok poláros fényszennyezése
A zöldtechnológiák alkalmazása lecsökkenti a légszennyezés mértékét, az épületek szén-dioxid-kibocsátását, ugyan- akkor használatuk során káros, előre nem várt hatások is fölmerülhetnek, mint például a szélturbináknak repülő madarak pusztulása. A napelemtáblák és a napkollektorok fölhasználása a zöldenergia termelésében jelentősen megnövekedett az utóbbi években, köszönhetően a hatékonyságukat jelentősen növelő új fejlesztéseknek, és a háztartások számára is megfizethető áruknak. A napelemtáblák és a napkollektorok a fizikai jellemzőik miatt fontos új forrását jelentik a poláros fényszennyezésnek.

Terepi vizsgálataink során az egyedfejlődésük bizonyos szakaszaiban vízben élő kérészekkel, álkérészekkel, szúnyog- lábú legyekkel és bögölyökkel végeztünk választásos kísérleteket. Kimutattuk, hogy e rovarok erőteljesen vonzódnak a napelemtáblákhoz és napkollektorokhoz, melyek felett gyakran tömegesen röpködnek, és a petéiket is rájuk rakják. E korábban már más mesterséges, vízszintesen poláros fényt tükröző tárgyaknál is tapasztalt poláros fényszennyezés tanulmányozása során figyeltünk meg egy a poláros fényszennyezés elleni harcban fontos szerepet játszó új jelenséget:

Egy szerencsés véletlen folytán megállapítottuk, hogy a napelemtáblák a vízi rovarok számára akkor nem vonzóak, ha a felületükön fehér csíkokból álló, a visszavert fényt depolarizáló rácsmintázat található. Erősen és vízszintesen polarizáló tesztfelületekkel igazoltuk, hogy ha ezeket olyan fehér rácsozattal látjuk el, amely az egységes fényes, fekete felületet kisebb-nagyobb mértékben fölaprózza, akkor ezekre akár harmincszor kevesebb vízi rovar száll le, mint az azonos felületí rácsozatlan tesztfelületekre. Megfigyeléseink szerint egy adott módon fehéren berácsozott fekete felület vízi rovarokra kifejtett vonzóképessége fajfüggő. E fölfedezésünk nyomán elmondhatjuk, hogy a poláros fényszennyezésük miatt a rovarok számára ökológiai csapdát képező napelemtáblák és napkollektorok egy depolarizáló felületi rács hatására elveszítik a vízi rovarokra gyakorolt vonzóképességüket.

Közismert az a jelenség is, hogy a vízi bogarakat, vízi poloskákat, szitakötőket és kérészeket vonzzák a vízszintesen poláros fényt visszaverő üvegházak és a sötét színárnyalatú gépkocsik különböző dőlésszögí karosszériaelemei. Mindezen megfigyelések alapján várható, hogy a magasabban és ferdén elhelyezett napelemtáblák és napkollektorok is képesek magukhoz csalni a vízi rovarokat. E felületek dőlése ahhoz is hozzájárulhat, hogy a repülő, vizet kereső rovarok már távolabbról is észlelik őket, így akár még többet is magukhoz vonzhatnak.
A napelemtáblák és napkollektorok poláros fényszennyezésének a vízirovar-populációkra gyakorolt konkrét negatív hatásairól egyelőre még keveset tudunk. Ne felejtsük el azonban, hogy az ökológiai csapdák általában gyors és kata- sztrofális hatásúak, ami különösen a természetes vízi élőhelyeken okozhat maradandó természetkárosodást. A nape- lemtáblák és napkollektorok százait-ezreit használó naperőmívek száma az utóbbi időben gyorsan növekszik Európában, Afrikában és Észak-Amerikában is. Mint mesterséges fénypolarizátorok, e naperőmívek a modernkori tájkép gyakori elemeivé váltak, és erőteljes szelekciós hatást fejthetnek ki egyes állatpopulációk természetes élőhely-választására, ami gyors evolúciós változásokat okozhat az adott életközösségekben.

Eredményeink nyomán egyre sürgetőbbé válik a következő kérdések megválaszolása: A vízi rovarok mekkora hányadát érinti a poláros fényszennyezés? A napelemtáblák és napkollektorok okozta poláros fényszennyezés szintje eléri-e már azt a mértéket, ami populációs, és így evolúciós szintí változásokat okoz? Milyen mértékí a poláros fényszennyező felületek előfordulása a sokszor természetvédelem alatt álló vizes élőhelyek környezetében?

A poláros fényszennyezés ellenszerei
A poláros fényszennyezés egyik hatékony ellenszere az azt okozó tükröző felületek annyira durvává, érdessé tétele, hogy a róluk visszaverődő, s részben depolarizálódó fény polarizációfoka a vízi rovarok polarizációs ingerküszöbe alá essen. A felületi érdesség további előnye, hogy a durva felszínről visszavert fény polarizációiránya általában nem vízszintes, így nem vonzza a vízi rovarokat.

Egy másik lehetőség a poláros fényszennyezés csökkentésére, hogy a fényt visszaverő felületeket minél világosabbá tesszük. Bizonyos poláros fényszennyező felületeknél, például a napelemtábláknál vagy ablaküvegeknél azonban a funkciójukból kifolyólag nem lehet a felületet érdessé vagy világossá tenni. A napelemtáblák és napkollektorok azért feketék, hogy a lehető legtöbb fényt nyeljék el, s alakítsák át elektromossággá vagy hővé. Szerencsére ma már ezen esetekben is csökkenthető a poláros fényszennyezés a fönt említett depolarizáló rácshatás alkalmazásával. Ha erősen és vízszintesen polarizáló mesterséges felületeket egy vékony, akár 1-2 mm-es csíkokból álló, polarizálatlan fényt visszaverő rácsmintával látunk el, akkor elvesztik a rovarokra kifejtett vonzásukat. Minél síríbb a fényt depolarizáló fehér rács, annál kevesebb rovart vonzanak az egyébként fényes és fekete felületrészek.

A repülő vízi rovarok vízszintesen poláros fényt tükröző olyan felületeket keresnek az optikai környezetükben, melyek kiterjedése a fajra jellemző küszöbértéknél nem kisebb. Ennek az a biológiai jelentősége, hogy a túl kicsi víztestek hamar kiszáradhatnak, s a vízi rovarok bennük fejlődő lárvái könnyen elpusztulhatnak. Egy hasonlattal élve, egy adott vízi rovar egy pohár vízbe még nem petézik bele, mert azt túl kicsinek ítéli a lárvái kifejlődéséhez, de egy kád vízbe már lerakhatja a petéit, mert az már elegendően nagy víztömeget képvisel. Ha a kádat nem összefüggően töltjük fel vízzel, hanem sok teli pohár vizet teszünk bele, akkor az ilyen kád elveszti a vízi rovarra való vonzását, mert az egyedi vizes- poharakban nem tudnának fejlődni a lárvák. Ehhez hasonlóan, egy a depolarizáló ráccsal felaprózott, erősen és vízszintesen polarizáló felület sem csalja magához a vízi rovarokat.

E felismerésünk lehetőséget ad arra, hogy csökkentsük, vagy akár meg is szüntessük a napelemtáblák és napkol-lektorok poláros fényszennyezését, polarizációs csapdahatását: A napfényt elnyelő aktív felületet megfelelően kis részekre kell fölosztani egy fehér ráccsal. A kereskedelemben az összefüggő fekete felületí napelemtáblák mellett olyanok is szépszámmal kaphatóak, amelyekben az elemi napelemcellákat vékony fehér falak választják el egymástól.
A nanotechnológia egyik legújabb eredményeként ma már léteznek olyan napelemcellák is, amelyek aktív felületét az arra merőlegesen álló szén nanocsövek erdeje borít abból a célból, hogy a rájuk eső fény ne tükröződjön, hanem a nanocsövek között sokszor ide-oda verődve végül elnyelődjön, így sok százalékkal megnő a teljesítményük. Bár nem ez volt az eredeti cél, az ilyen, nanoszinten durva felületí napelemtáblák csak igen kevés, szinte teljesen polarizálatlan, diffúz fényt vernek vissza, miáltal nem okoznak poláros fényszennyezést sem. Ezért ezek tényleg környezetbarát napelemtáblák.

A gyorsan bekövetkező, globális szintí környezetváltozások, a klímaváltozás, az élőhelyek felaprózódása, vagy az idegenhonos élőlények betelepülése miatt az ökológiai csapdák kialakulására egyre nagyobb az esély. Ezeknek ma még sajnos csak egy töredékét ismerjük, ezért az ökoszisztémára kifejtett káros hatásuk valószíníleg jóval nagyobb, mint azt eddig gondolták.