Nature – Die dunkle Seite des Lichts

Dark-Sky Switzerland: Dies ist eine Übersetzung des englischen Original-Papers The Dark Side of Light by Aisling Irwin

Die Welt ist nachts beleuchtet wie nie zuvor. Eine Reihe von Experimenten verfolgt, wie sich Ökosysteme entwickeln.

Eine Sommernacht in der Nähe eines Waldsees in Deutschland und etwas Unnatürliches geschieht. Jenseits der dunklen Gewässer, die an das Ufer grenzen, strahlt ein schwaches Glühen von Lichtringen aus, die über der Oberfläche schweben. In der Nähe wird die Anwesenheit von Wissenschaftlern an der Küste durch wackelnde Taschenlampen in Rot – die geringste Störung im sichtbaren Spektrum – verraten. Sie testen, was passiert, wenn sie die Geschöpfe im See ihrer Nacht berauben.

Dieses Experiment in der Nähe von Berlin ist das ehrgeizigste von mehreren Projekten, die in den letzten Jahren in dunklen ländlichen Gebieten Europas durchgeführt wurden, um zu untersuchen, was die Lichtverschmutzung für die Ökosysteme bedeutet. Die Forscher machen sich zunehmend Sorgen über das Problem. Obwohl viele Studien belegt haben, dass künstliches Licht einzelne Arten schädigt, sind die Auswirkungen auf ganze Ökosysteme und die von ihnen erbrachten Leistungen, wie z.B. die Bestäubung von Nutzpflanzen, weniger deutlich. Sieben Feldversuche sollen Antworten liefern, indem sie beobachten, wie Pflanzen- und Tiergemeinschaften sowohl auf direktes Licht als auch auf die diffusere unnatürliche Leuchtdichte des Nachthimmels, das sogenannte Skyglow, reagieren.

Ökologen stehen vor der Herausforderung, Licht genau zu messen und zu beurteilen, wie sich mehrere Arten als Reaktion darauf verhalten. Aber die ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass Licht in der Nacht eine allgegenwärtige, langfristige Belastung für die Umwelt darstellt.
Ökosysteme, von Küsten über Ackerland bis hin zu städtischen Wasserstrassen, von denen viele bereits unter anderen, bekannteren Formen der Umweltverschmutzung leiden.

«Es ist ein wichtiger blinder Fleck», sagt Steve Long, Pflanzenbiologe an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign und Herausgeber der Zeitschrift Global Change Biology. «Wir wissen jetzt sehr viel über die Auswirkungen des steigenden CO2-Ausstosses», sagt er. Aber wie gross sind die Auswirkungen der Lichtverschmutzung? «Wir setzen unsere Zukunft aufs Spiel, wenn es darum geht, was wir mit der Umwelt machen.»

In den Niederlanden testen Forscher die Wirkung von Kunstlicht in Mini-Ökosystemen

In den 1950er Jahren begann der niederländische Physiologe Frans Verheijen zu untersuchen, wie Lichter Tiere anziehen und ihr Verhalten stören. Und in den 1970er Jahren tauchten in der Literatur vermehrt biologische Beobachtungen der Auswirkungen von Licht auf. Aber es bedurfte zweier querdenkender Biogeographen – Catherine Rich, Präsidentin der Urban Wildlands Group in Los Angeles, Kalifornien, und Travis Longcore, jetzt an der University of Southern California in Los Angeles -, um die Verbindungen zwischen ihnen zu sehen und eine Konferenz im Jahr 2002 zu organisieren, gefolgt von dem Buch The Ecological Consequences of Artificial Night Lighting (Island, 2006), das aufzeigt, wie weit die Auswüchse der beleuchteten Nacht reichen.

Ob für Mensch, Schabe oder Planktonsträhne, für die überwiegende Mehrheit der Organismen ist der Kreislauf von Licht und Dunkelheit ein einflussreiches Regelwerk. Es vermittelt Werbung, Reproduktion, Migration und vieles mehr. «Seitdem sich das Leben entwickelt hat, hat sich die Erde dramatisch verändert, aber es gab immer helle Tage und dunkle Nächte», sagt Christopher Kyba, Physiker am Deutschen Geowissenschaftlichen Forschungszentrum in Potsdam. «Wenn wir das ändern, sollten wir uns Sorgen machen, dass wir eine Menge Zusammenhänge negativ beeinflussen könnten».

Das Tempo dieses Wandels nimmt zu. Auffällige Bilder aus dem Weltraum der letzten zwei Jahrzehnte zeigen, wie sehr die Nacht verschwindet. Schätzungen gehen davon aus, dass mehr als ein Zehntel der Landfläche des Planeten in der Nacht künstliches Licht erfährt1 – und das steigt auf 23%, wenn man Skyglow mit einbezieht2. Die Ausdehnung der künstlich beleuchteten Freiflächen verteilt sich von 2012 bis 2016 jährlich um 2% (vgl. 3). Ein unerwarteter Treiber des Trends ist die weit verbreitete Installation von Leuchtdioden (LEDs), die immer beliebter werden, weil sie energieeffizienter sind als andere Glühbirnen (siehe Seite 274). Sie neigen dazu, ein breites Spektrum an weissem Licht zu emittieren, das die meisten der für die Natur wichtigen Frequenzen umfasst.

Der Trend hat tiefgreifende Auswirkungen auf einige Arten gehabt; Lichter sind bekannt dafür, dass sie zum Beispiel Zugvögel und Meeresschildkröten desorientieren. Wissenschaftler haben auch herausgefunden, dass das Verschwinden der Dunkelheit das Verhalten von Grillen, Motten und Fledermäusen stört und sogar die Krankheitsübertragung bei Vögeln erhöht.

Die tödlichsten Auswirkungen sind vielleicht auf Insekten – lebenswichtige Nahrungsquellen und Bestäuber in vielen Ökosystemen. Eine Schätzung der Auswirkungen von Strassenlaternen in Deutschland deutet darauf hin, dass das Licht in einem einzigen Sommer mehr als 60 Milliarden Insekten auslöschen könnte4. Einige Insekten fliegen direkt in Lampen und brutzeln, andere brechen zusammen, nachdem sie die Lampen stundenlang umkreist haben.

Weniger Studien haben Pflanzen untersucht, aber die getätigten Untersuchungen lassen vermuten, dass Licht sie ebenfalls stört. In einer Studie in Grossbritannien5 haben Wissenschaftler 13 Jahre lang den Zeitpunkt der Knospenöffnung in Bäumen aufgezeichnet und mit Satellitenbildern der nächtlichen Beleuchtung verglichen. Nachdem sie die städtische Hitze berücksichtigten, fanden sie heraus, dass Bäume unter künstlicher Beleuchtung ihre Knospen mehr als eine Woche zuvor platzen liessen – eine Grössenordnung, die derjenigen entspricht, die für 2 °C der globalen Erwärmung vorhergesagt wurde. Eine Studie über Sojabohnenfarmen in Illinois6 ergab, dass das Licht von angrenzenden Strassen und vorbeifahrenden Autos die Reifung der Ernten um bis zu sieben Wochen verzögern und den Ertrag verringern könnte.

Auswirkungen auf Ökosysteme

Nun kommen die Ergebnisse einiger ehrgeiziger Experimente. Eines der grössten ist ein Feldexperiment in den Niederlanden, wo acht Standorte in Naturschutzgebieten und dunklen Orten mehrere Reihen von Strassenlaternen beherbergen. Die Reihen sind verschiedenfarbig – grün, rot, weiss und eine Kontrollreihe ist ausgeschaltet – und laufen von einem Wiesen- oder Heidefeld in einen Wald hinein7. Seit nunmehr sechs Jahren nutzen Wissenschaftler und Freiwillige Kamerafallen, um die Aktivität von Kleinsäugern zu überwachen, automatische Fledermausdetektoren, um Echolokationsrufe aufzuzeichnen, Nebelnetze für das Fangen von Vögeln und Nistkästen, um den Zeitpunkt und den Erfolg der Brut zu beurteilen. Botaniker studieren den Pflanzenwuchs unter den Lampen.

“Seitdem sich das Leben entwickelt hat, hat sich die Erde dramatisch verändert, aber es gab immer helle Tage und dunkle Nächte.”

Das Team hat physiologische Beweise für die schädlichen Auswirkungen der Lichtverschmutzung auf die Gesundheit von Wildtieren gefunden. Singvögel, die um das weisse Licht herum rasten, waren nachts unruhig, schliefen weniger und hatten Stoffwechselveränderungen, die auf eine schlechtere Gesundheit hindeuten könnten8. Das Projekt untersuchte auch die Auswirkungen von Licht auf Fledermäuse, die unter der Explosion der künstlichen Beleuchtung ein gemischtes Schicksal hatten. Einige Arten, wie z.B. die Zwergfledermaus (Pipistrellus pipistrellus), fressen sich am Büffet der Insekten satt, die sie beim umkreisen der Lampen finden. Andere, lichtscheue Fledermäuse haben ihren Lebensraum verloren und sind an einigen Stellen verschwunden. In der niederländischen Studie hatte Rotlicht keinen Einfluss auf eine der Fledermausarten9, d.h. es konnte anstelle von Weiss eingesetzt werden.

Aber das Experiment hat einige rätselhafte Ergebnisse erbracht. Mehrere urbane Studien hatten herausgefunden, dass künstliches Licht in der Nacht Singvögel dazu veranlasst, früher am Tag zu singen. Da die Weibchen dazu neigen, früh singende Männchen auszuwählen, kann der verschobene Morgenchor Einfluss darauf haben, welche Vögel sich fortpflanzen. Aber das Team in den Niederlanden fand keinen Effekt auf eine der 14 Singvogelarten10. Möglicherweise war die Beleuchtung zu schwach, um einen Effekt hervorzurufen – sie ist so kalibriert, dass sie das Niveau auf Landstrassen und Radwegen widerspiegelt und nicht die Blendung eines Stadtparks.

Beide Arten von Ergebnissen sind für die Kommunalverwaltungen nützlich, sagt Kamiel Spoelstra, Biologe am Niederländischen Institut für Ökologie (NIOO-KNAW) in Wageningen, der das Projekt leitet. Die Erkenntnisse seines Teams fliessen in die niederländischen Vorschriften zur Aussenbeleuchtung ein. Zum Beispiel, sagt er, haben einige Gebiete, die versuchen, lokale Fledermauspopulationen zu unterstützen, auf Rotlicht umgestellt.

Farbiges Licht bestreicht auch Weideland im Südwesten Englands, wo ein Projekt namens Ecolight nach Beweisen für «Kaskadeneffekte» sucht, bei denen die Einflüsse von Licht auf eine Art Auswirkungen auf das Ökosystem haben.

Die glühenden Kuben, die Ecolight verwendet, könnten mit einer Kunstinstallation verwechselt werden. Wissenschaftler unter der Leitung von Kevin Gaston, einem Spezialisten für Biodiversität und Naturschutz an der University of Exeter, Großbritannien, haben soeben 54 künstliche Grünlandgemeinschaften erforscht. In einigen der Würfel haben Käfer, Schnecken, Erbsenläuse und 18 Pflanzenarten 5 Jahre lang isoliert von der Aussenwelt gelebt. Andere Kisten waren einfacher – sie enthielten nur Pflanzen und Pflanzenfresser oder Pflanzen allein. Nachts wurden einige mit weissem Licht beleuchtet, andere mit Bernstein (Amber) und wieder andere sahen nur den freien Himmel.

“Wir waren zu unbedarft als Biologen, was die Komplexität des Lichts betrifft.”

Die Auswirkungen von Licht auf Weideland sind wichtig, auch weil Strassenrabatten Zufluchtsorte und Korridore für Wildtiere in bebauten Gebieten bieten. Die Wissenschaftler entdeckten, dass das bernsteinfarbene Licht und in geringerem Masse auch das weisse, das Blühen im Kleeblatt (Lotus pedunculatus)11 unterdrückte. Und es gab einen Kaskadeneffekt in den bernsteinbeleuchteten Boxen. Im August, wenn die Erbsenläuse von der Nahrungsaufnahme der Triebe auf das Schlemmen der Blütenköpfe umstellen, fiel ihre Zahl ab, vermutlich, weil ihre Nahrung weniger reichlich vorhanden war. «Ich denke, dies ist der erste experimentelle Beweis für einen starken Bottom-up-Effekt der Exposition gegenüber künstlichem Licht», sagt Gaston. In seiner jüngsten, unveröffentlichten Arbeit deckt das Team weitere Effekte auf und stürzt sich auf die Raubtiere in den Systemen.

Ein weiteres aufwendiges Experiment in einem Dunkelfeldreservat im Naturpark Westhavelland in Deutschland hat gezeigt, dass diese Kaskadeneffekte auf benachbarte Ökosysteme übergreifen können. Strassenlaternen, die in der Nähe von wassergefüllten Gräben aufgestellt wurden, locken Wasserinsekten aus dem Wasser12, sagt Franz Hölker, Ökohydrologe am Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei in Berlin. Die Insekten strömen zu den Lampen, erschöpfen sich und werden Nahrung für die nahegelegenen Raubtiere. Dem Hinterland, das ansonsten möglicherweise Insektenbesuche erhalten hätte, wird eine wichtige Nahrungsquelle vorenthalten, sagt er.

Studien wie diese, die solche Zusammenhänge in gut kontrollierten, kleinmassstäblichen Studien offen legen, bedeuten, dass «diese Auswirkungen im Feld und von den Regulierungsbehörden, die die Auswirkungen der Beleuchtung in Betracht ziehen, mit grösserer Wahrscheinlichkeit Ernst genommen werden», sagt Longcore.

Künstliches Licht kann auch Auswirkungen auf die Ökosystemleistungen haben – den Nutzen, den Ökosysteme für den Menschen haben. Eine im vergangenen Jahr in Nature veröffentlichte Studie hat ergeben, dass die Beleuchtung einer Reihe von Schweizer Wiesen nächtliche Insekten, die Pflanzen bestäuben, gestoppt hat13. Ein Team unter der Leitung von Eva Knop vom Institut für Ökologie und Evolution der Universität Bern fand heraus, dass die Insektenbesuche bei künstlichem Licht um fast zwei Drittel zurückgingen und die Bestäubung am Tag nicht kompensieren konnte: Die Pflanzen produzierten 13% weniger Früchte. Knop’s Team prognostizierte, dass diese Veränderungen das Potenzial haben, zur Gemeinschaft der Bestäuber am Tag zu kaskadieren, indem sie die Menge der verfügbaren Nahrung reduzieren. «Dies ist eine sehr wichtige Studie, die deutlich zeigt, dass künstliches Licht in der Nacht eine Bedrohung für die Bestäubung darstellt», sagt Hölker.

Erhellte Nachthimmel

Ein grosser Teil der Erde bleibt frei von direktem künstlichem Licht, aber künstliches Himmelsleuchten – Licht, das durch Aerosole und Wolken zur Erde zurückgestreut wird – ist weiter verbreitet. Es kann so schwach sein, dass der Mensch es nicht sehen kann, aber Forscher sagen, dass es immer noch die 30% der Wirbeltiere und 60% der Wirbellosen bedrohen könnte, die nachtaktiv und besonders lichtempfindlich sind.

Künstliches Himmelsleuchten «hat fast sicher» Auswirkungen auf die Biodiversität, sagt Gaston, denn der Wert liegt weit über den Schwellenwerten für die Auslösung vieler biologischer Reaktionen. Und doch, sagt er, «ist es eigentlich ziemlich schwierig, in einer Studie den endgütligen Beweis zu erbringen».

Hier kommt das Waldsee-Experiment ins Spiel. Glühende Lichtkreise schweben über Zylindern, die in den Stechlinsee versenkt wurden, und erzeugen so ein neues Licht. Sie sind das Werk des Leibniz-Physikers Andreas Jechow, der einen Weg finden musste, um eine niedrige, gleichmäßige Beleuchtung zu erzeugen, ohne das Tageslicht zu blockieren oder den Zugang für Wissenschaftler zu erschweren. Dies gelang ihm und seinem Team mit Hilfe modernster Photonik-Tools, wie z.B. einem hochentwickelten Strahlengangberechnungsmodell.

«Wir waren als Biologen zu unwissend über die Komplexität des physikalischen Phänomens Licht», sagt Mark Gessner, Direktor des Projekts, bekannt als The Lakelab, und Co-Leiter des Kunstlichtprojekts ILES (Illuminating Lake Ecosystems). In der Vergangenheit haben einige Experimente sogar versäumt, dass der beleuchtete Mond über den Nachthimmel zieht, fügt er hinzu.

Die Idee für ILES war es, die Ergebnisse einer bekannten Studie über Zooplankton zu erweitern, das tagsüber in tiefem, dunklem Wasser lebt und nachts in flacheres Wasser wandert, um dort Algen zu weiden. Diese Bewegung gilt als die größte Wanderung von Biomasse in der Welt. Eine Studie14 in Seen in der Nähe von Boston, Massachusetts, in den späten 1990er Jahren deutete darauf hin, dass Künstliches Himmelsleuchten den Aufstieg des Zooplanktons um 2 Meter und die Anzahl der Organismen, die um 10-20% ansteigen, reduziert. Diese Verhaltensänderung kann ein unerkannter Treiber grundlegender Prozesse im See wie Algenblüten sein.

Bei ILES sehen die 24 Zylinder mit einem Durchmesser von jeweils 9 Metern von der Oberfläche betrachtet wie eine Fischfarm aus. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beleuchten sie mit verschiedenen Ebenen des Himmelsglühens und messen die Verteilung des winzigen Planktons mit Hilfe von Videokameras und fanden heraus, dass künstliches Himmelsleuchten keinen massiven Einfluss auf die Bewegung der Algen hat. «Wir haben vielleicht ein verändertes Migrationsmuster, aber ich bin mir da noch nicht sicher», sagt Gessner. «Wenn es einen Effekt gibt, sieht es so aus, als wäre es nicht der tiefgreifende, den wir erwartet haben.»

Das überraschende Ergebnis ist typisch für diese schwierigen Studien. Gessner weist darauf hin, dass ihr Experiment erst die erste Saison abgeschlossen hat. «Vielleicht brauchen wir uns keine Sorgen zu machen oder weniger Sorgen zu machen – wir wissen es nicht, zumindest was die Auswirkungen von künstlichem Himmelsleuchten auf Seen betrifft», sagt er.

Helle Zukunft

Es ist eine langsame, akribische Arbeit, aber das Feld wächst zusammen, da sich Beweise ansammeln, sagt Gaston. «In den letzten zwei oder drei Jahren hat sich unser Verständnis drastisch verbessert», sagt er.

Nichtsdestotrotz gibt es Verbesserungen. Selbst die Messung der Belichtung ist schwierig. Auf dem Feld kann das Licht, das ein Organismus empfängt, schwierig zu messen sein; ein Vogel könnte sich in den Schatten eines nahegelegenen Baumes zurückziehen, um z.B. eine Beleuchtung zu vermeiden. So haben einige Wissenschaftler versucht, Lichtmessgeräte an Vögel zu befestigen, um eine bessere Vorstellung von der Dosierung zu bekommen.

Wenn die Resultate durchsickern, ist eine Sache, die Ökologen sowohl frustriert als auch inspiriert, dass nun Abhilfe zur Hand ist.

Longcore sammelt jetzt veröffentlichte Daten darüber, wie verschiedene Spezies, wie z.B. Schaf- und Meeresschildkröten, auf verschiedene Bereiche des Spektrums reagieren und gleicht die Ergebnisse mit den Spektren ab, die von verschiedenen Beleuchtungsarten emittiert werden. Er will Entscheidungsträger über die Beleuchtung informieren – zum Beispiel, welche Art von Lampe auf einer Brücke und welche in einem Badeort verwendet werden soll.

Ingenieure und Ökologen wissen, dass eine durchdachte Beleuchtung ihre Aufgabe erfüllen kann, ohne «Licht in den Himmel zu sprühen», wie Kyba es ausdrückt. LEDs können so eingestellt werden, dass sie in bestimmten Bereichen des Spektrums leuchten, dimmen und ferngesteuert abschalten. «Meine Vision», sagt Kyba, «ist, dass in 30 Jahren die Strassen schön beleuchtet sein werden – besser als heute – aber wir werden ein Zehntel des Lichts nutzen».

Das wäre eine gute Nachricht für Ökosysteme, sagt Hölker, denn die Dunkelheit ist eine der tiefsten Kräfte, die die Natur prägen. «Die halbe Welt ist immer dunkel», sagt er. «Die Nacht ist die halbe Geschichte.»

  1. Gaston, K. J., Duffy, J. P., Gaston, S., Bennie, J. & Davies, T. W. Oecologia 176, 917–931 (2014).
  2. Falchi, F. et al. Sci. Adv. 2, e1600377 (2016).
  3. Kyba, C.C.M. et al. Sci. Adv. 3, e1701528 (2017).
  4. Eisenbeis, G. in Ecological Consequences of Artificial Night Lighting. Rich, C. & Longcore, T. (eds). pp 281–304 (Island, 2006).
  5. ffrench-Constant,R.H. et al. Proc. R. Soc. B 283, 2016 0813 (2016).
  6. Palmer, M. et al. ‘Roadway lighting’s impact on altering soybean growth’(Illinois Center for Transportation, 2017); available at http://go.nature.com/2qh3fjb
  7. Spoelstra, K. et al. Phil. Trans. R. Soc. B 370, 2014 0129 (2015).
  8. Ouyang, J.Q. et al. Glob. Change Biol. 23, 4987–4994 (2017).
  9. Spoelstra, K. et al. Phil. Trans. R. Soc. B 284, 20170075 (2017).
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  14. Moore, M. V., Pierce, S. M., Walsh, H. M., Kvalvik, S. K. & Lim, J. D. SIL Proc,
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