NEON е екологична обсерватория за САЩ на стойност 460 милиона долара.

През ноември 2018 г. списание The New York Times публикува статия, наречена Апокалипсис на насекоми. До голяма степен се основава на проучвания за изобилието от насекоми в Централна Европа. Статията привлече много внимание, включително тази на д-р Нико Франц, професор в Училището по науки за живота на Държавния университет в Аризона. „Не мога да бъда единственият ентомолог – човек, занимаващ се с насекоми – който се чудеше: „Уау, имаме ли изобщо данни за това в САЩ?“, каза той. Наистина не е имало в миналото, но сега има огромен проект, който се опитва да събере такъв вид информация за бъдещето.

Националната мрежа за екологична обсерватория (NEON) е група от сайтове в САЩ, където еколози и инструменти събират множество данни, за да се опитат да получат цялостен изглед на

изменението на климата, биоразнообразие, сладководни ресурси и други сложни екологични проблеми. Работи напълно едва от миналата година - и тогава се случи пандемията. Но това далеч не е първото предизвикателство, пред което ще се изправи амбициозният проект и със сигурност няма да е последното. Предполага се, че NEON ще продължи да събира данни още няколко десетилетия.

Над две десетилетия в процес на създаване, 30 години напред в бъдещето

Историята на NEON датира от края на 90-те и началото на 2000 г., когато еколози и биолози настояват за създаването на трансконтинентална мрежа, нещо подобно на мрежа от сензори за земетресения, но за екология вместо земетресения. Те се обърнаха към Националната научна фондация (NSF) с идеята и цената - почти 400 милиона долара за изграждане, плюс милиони долари годишно за експлоатация в продължение на три десетилетия. „Това е наистина огромна инвестиция от Националната научна фондация, такава, каквато наистина не е виждана досега този мащаб в рамките на екологията“, каза д-р Челси Наги, земен еколог в Университета на Колорадо Боулдър.

Последният сайт беше готов и работещ миналата година и междинният период между първата идея и сега беше съпроводен с всякакви главоболия. Имаше проблеми с финансирането с Конгреса, отиде надвишен бюджет (в крайна сметка струваше 460 милиона долара), и надзор на проекта сменен собственик. След това NSF избра Battelle, която управлява няколко национални лаборатории, за надзор на NEON. Само миналата година организацията уволни двама служители на високо ниво, карайки другите да подадат оставка. Но след това, няколко месеца по-късно, през май 2019 г., NEON стана напълно работещ.

Но не беше като светлините - и сензорите - да се включат наведнъж. Много от 81-те сайта на NEON събират данни от години. Има 81 сайта в 20 домейна, включително тундра и тайга в Аляска, южните равнини, покриващи голяма част от Тексас, и големите езера, с няколко места в Уисконсин. Тези екоклиматични зони са предназначени да представят разнообразните терени, екосистеми и растителност на САЩ.

На всяко място набор от технологии, както и полеви служители, трябва да събират наблюдения за растенията, животните, времето, водата, почвата и др. Със стандартизирани инструменти и измервания данните трябва да бъдат по-лесни за сравняване.

Може да звучи просто, но екологията не винаги работи по този начин. „Едно от нещата за екологията в исторически план е, че сме били склонни да задаваме конкретен въпрос на определено място, използвайки определен набор от методи и след това никой никога повече не прави точно същото нещо“, каза д-р Итън Уайт, професор в катедрата по екология и опазване на дивата природа в Университета на Флорида. „И така, когато заключенията, до които е достигнал един набор от документи, се различават от друг набор, ние не сме сигурни точно защо тези заключения са различни.“

„В момента правя мета-анализ и събирам индивидуални проучвания“, каза Наги от Университета на Колорадо. „И така, за това е наистина трудно да се анализират данните, които са събрани от много различни хора по много различни начини, защото понякога те измерват различни неща, а понякога те измерват едно и също нещо, но използват различен метод. С NEON, каза тя, всичко, събрано в сайтовете, се прави по същата методология, което улеснява сравнявам.

Данните също са пространствено интегрирани - което означава, че това е куп измервания, събрани от един и същи сайт. „Това, което предоставя на един изследовател, например, дори на това едно място, е начин просто да интегрира всички тези данни“, каза д-р Паула Мейби, главен учен на NEON и директор на обсерваторията. Въпреки своите повече от 8000 сензора, NEON не е проектиран да наблюдава всичко.

„Много от обектите на NEON са на места, където инвазивните видове се премахват активно. Така че те със сигурност няма да ни помогнат с това“, каза д-р Джеймс Кларк, еколог от университета Дюк. Наги се интересува как горските пожари влияят на инвазивните видове, но тъй като обектите на NEON не са изгорели, тя не може да ги включи в своето изследване.

Редовното събиране на данни от Хавай до Пуерто Рико има за цел да отговори на шест „големи предизвикателства в науките за околната среда”, като например как хората влияят на биоразнообразието и как да се предотвратят инфекциозни заболявания за различни видове. На всяко място са поставени камери, капани и хиляди сензори. Изследователите могат да разгледат биогеохимията, почвените микроби, информацията от дистанционното наблюдение и данните за водната среда, за да получат усещане за това как си взаимодействат, както и как се проявяват промените в бозайниците, минералите и микроби.

„Въпреки че Neon не е експеримент – ние не манипулираме гори или системи, като правим измервания в дългосрочен план – започвате да виждате екосистемите като сложна система“, каза д-р Анкур Десаи, професор в Университета на Уисконсин-Медисън. „Всички тези различни части – водният цикъл, въглеродният цикъл, видовете, които си взаимодействат – всички се променят. И това е надеждата, че получаваме достатъчно информация на достатъчно различни места, за да разберем света около нас."

Страхотното откриване на мишката

Ако се сблъскате с малка мишка с кафява козина; бял корем и големи тъмни очи, вероятно няма да се забележи веднага, ако гледате белокрака еленова мишка или горска еленова мишка. Номерът е в дължината на ухото. И двата вида се срещат в горния Среден Запад и са от решаващо значение за изследването на д-р Майкъл Дж. Крамър, помощник-директор в Центъра за изследване на околната среда на Университета на Нотр Дам в Уисконсин.

„Те служат като моделна система, която помага да се разбере как естествените популации реагират на промените в околната среда, поради което ги изучавам“, каза той. Бухали, ястреби, невестулки и лисици плячкат на мишките, които ядат самите растения и семена. „Тези мишки са точно в средата на хранителната мрежа“, каза Креймър. Тяхното присъствие засяга не само животните, които ги ядат, но и дървесните видове, които зависят от тях, за да разпръснат семената си. След това има конкуренция, като катерици и бурундуци, които ядат някои от същите ресурси.

„Ако имате здрава популация от мишки, това обикновено е показателно за добре работеща система по отношение на динамиката на гората“, каза Креймър. Той хваща мишките, маркира ги, пуска ги и ги улавя отново, за да разбере колко са в горите, които се простират през върха на Уисконсин и в Горния полуостров на Мичиган.

Районът е доста отдалечен, което вероятно е доста приятно за мишките, но не непременно толкова полезно за всички въпроси, на които Крамър се надява да отговори. „Заобиколени сме от три страни от национална гора, така че не сме система, доминирана от човека“, каза той. Но NEON също хваща и пуска тези мишки на друго място, наречено Treehaven, на около час и половина път с кола. „Мога да разгледам техните данни въз основа на наблюденията, които съм направил в сравнително девствена среда, и след това да ги сравня с данните на NEON, които е събрана в недевствена среда и се опитайте да направите някои заключения за това как мисля, че мишките реагират на видово ниво“, той казах.

Въпреки че това са горски мишки - не типът, който обикновено срещате в къща, каза Крамър - все пак е важно да ги следите за човешкото здраве. Те са резервоари за лаймска болест. „Те не разпространяват лаймската болест, но я поддържат сред тази популация“, каза той. И тези мишки се намират в много щати на САЩ, ако Крамър искаше да направи някои сравнения между Юпър мишки и тези в други региони, той ще се нуждае от огромна субсидия и армия от студенти, каза той.

Вместо това „мога да използвам данни от други сайтове и други типове местообитания и други биоми и също така да се опитам да направя сравнения за това, което мисля, че мишките правят, използвайки данните на NEON“, каза той. „Това ми позволява да разширя изводите си до много по-големи мащаби.“

Въпреки че подходът на Cramer е сравнително нискотехнологичен – „Нямам пари да купя толкова много малки, миниатюрни радио нашийници за всяка мишка“, каза той – сайтовете на NEON имат много инструменти.

Колко зелена е тази долина?

На редовни интервали NEON лети със самолет над многото си обекти. На борда на самолета има камери, лидар и спектрометри за изображения. Спектрометрите осигуряват хиперспектрални изображения, които са с висока разделителна способност и улавят светлина, която човешкото око не може да види. Това е малко като да поставите цветен филтър на фотоапарат, но за стотици цветове. Итън Уайт се опитва да определи видовете дървета въз основа на тези хиперспектрални изображения.

В зависимост от цвета си, листата ще отразяват и абсорбират различна дължина на вълната на светлината. Ако начертаете коефициента на отражение срещу всички цветове на светлината, ще получите спектър. Измерването на този спектър на всеки пиксел от изображението разкрива различни характеристики на листата, като количеството азот или фосфор. Вашата типична камера ще улавя светлина във видимия - или червен, зелен и син - спектър. Хиперспектрално изображение идва от устройство, което записва 426 спектрални ленти. „Това може да ни позволи да видим разликите между растенията, по-специално отгоре“, каза Уайт от Университета на Флорида. „Би било трудно да се види дали всичко изглежда зелено, но бихме могли да видим големи разлики между две неща, които са зелени, като използваме различна информация от това хиперспектрално изображение.“

За да можете да видите подробни цветови разлики между листата на пуешки дъб и пясъчен жив дъб, са необходими огромни файлове с изображения. „Работим с терабайти и терабайти изображения“, каза Уайт. „Извършваме големи количества много интензивни изчисления във високопроизводителния изчислителен център на Университета на Флорида, който те наричат ​​HiPerGator, защото наистина харесваме алигаторите тук.“

Вижте тази публикация в Instagram

Не е просто красиво – то е информативно! Изображение от въздушната наблюдателна платформа (AOP) на NEON над находището Йелоустоун (YELL).⠀ ⠀ Лидар или „Светлина“ Откриване и обхват" е активна система за дистанционно наблюдение, в която светлината се излъчва от бързо стрелящ лазер на борда на самолет. Тази светлина пътува до земята и се отразява от повърхности като клони на дървета. След това отразената светлинна енергия се връща към сензора, където се записва – лидар измерва времето, необходимо на излъчената светлина да пътува до земята и обратно. Учените могат да използват данни от дистанционно наблюдение като тези, за да изследват структурата на растителността в регионите.⠀ ⠀ Научете повече за дистанционното на NEON сензорни възможности, AOP и всички наши данни на нашия уебсайт!⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #remotesensing #lidar #NEONdata #opendata #NEONscience #research #теренска работа

Публикация, споделена от NEON Science (@neon.sci) на 13 август 2020 г. в 9:30 ч. PDT

Въпреки че Уайт преподава въвеждащ клас по компютърни науки за биолози от около десетилетие, каза той на по-широко ниво, неговата област все още трябва да наваксва. „Ангажирането с това с данни в мащаба, който сега се произвежда от NEON, е нещо, което е много непознато за повечето еколози“, каза той. Видовете въпроси, които Уайт разглежда, обаче изискват това количество данни.

„Едно от нещата, които наистина ни интересуват, е, че процесите, които управляват екологичните системи, се променят в зависимост от мащаба, който разглеждате“, каза той. Какво влияе на отделно дърво - количеството слънчева светлина, което получава въз основа на височината на съседите му, за пример – станете по-малко важни, докато увеличавате мащаба все повече и повече, също погледнете акър, гора или екосистема от дървета. По-големите модели на валежи и температурни колебания стават по-важни, когато се сравняват дърветата във Флорида с тези в Ню Йорк. „Ние разбираме, че тези процеси се променят с мащаба, но всъщност не сме имали набори от данни, които да ни позволяват да мислим за това по някакъв доста непрекъснат начин“, каза той.

Lichen заемна библиотека

В индустриална зона на Темпе, Аризона, има ниска, почти бяла сграда. Въпреки невзрачния си външен вид, той всъщност съдържа хиляди биологични проби, както от колекцията по естествена история на Държавния университет в Аризона, така и Биохранилище на NEON. Микроби, бръмбари, комари и проби от почвата ще се съхраняват в сградата за 30-те години, през които NEON ще работи. Тези, които трябва да се държат на студено, се съхраняват в криогенен фризер, а ASU добавя и съоръжение за съхранение на течен азот. Колекцията на ASU също е изложена с кутии за пеперуди, буркани с гръбначни животни и мечка кожа, окачена на стената. Франц от държавния университет в Аризона е директор на колекцията.

“Ние усвояваме приблизително 110 00 проби годишно, според декларацията за работа, която в момента имаме с NEON“, каза той, „и около 70 процента от тези проби трябва да се съхраняват на хладно. В продължение на няколко месеца съоръжението получаваше ежедневни доставки на проби, понякога многократно ден. Някои от сайтовете на NEON събират проби още през 2013 г. Докато правилното съхраняване на тези проби е важен компонент от това, което прави екипът на Франц, те също трябва да ги каталогизират и проследяват. „Всъщност не трябва да бъдем крайната спирка за всяка проба“, каза Франц. „Напротив, точно така. Ние трябва да бъдем нещо като пропуск за тези проби, така че да могат да бъдат направени допълнителни изследвания.

За да направите NEON основен портал за данни полезно за изследователите, персоналът на биохранилището трябва да въведе много информация, базирана на основния стандарт на Дарвин. „Това е относително близо до нещо като a универсален език, като широко използван в световен мащаб стандарт за прехвърляне и анотиране на данни, свързани с екземпляри от колекция от естествена история“, каза Франц. Има за цел да предостави на изследователите всичко, което трябва да знаят за проба, която не са взели сами: къде, кога и как е била събрана; неговото таксономично име и как е идентифициран. „Можем също така да записваме връзки между пробите“, каза Франц. „Така че, например, ако „А“ е известен паразит на „Б“, имаме проби от кърлежи, взети от бозайници.“

Някои от исканията, които Франц е получил, биха могли да помогнат с американска версия на изследване на апокалипсис на насекоми. Университетът на Оклахома разглежда промените в обема на безгръбначните в около 50 места, каза той. Те използват това, което се нарича проби от клопка. Пластмасовите чаши се оставят в земята дни или седмици, събирайки паяци, бръмбари, земни червеи и други безгръбначни. От тези проби изследователите могат да екстраполират броя на тези животни във всяко място, както и размера на тялото им. Изследователите вече виждат разлики в различните региони. „Изглежда има подрегионални тенденции в този апокалипсис на насекоми, които са доста интересни“, каза Франц.

Пауза заради пандемията

Може би си представяте еколог като някой, който държи клипборд и носи гумени ботуши насред гора. Може би вашият образ на NEON сайт е на сензори, които бръмчат заедно, без хора в полезрението. NEON има 181 продукта с данни — колекции от измервания като барометрично налягане или инфрачервена температура или концентрации на CO2, които извежда; 108 от тях изискват човешки наблюдатели. „Ние разчитаме в голяма степен на извадка от наблюдения“, каза Зоуи Джентес, старши специалист по комуникации в Battelle, която управлява NEON. „Но в допълнение към това нашите автоматизирани системи се нуждаят от поддръжка.“

„Това е нещо, което наистина ме удари през първите няколко седмици от COVID“, каза Мейби, главен учен на NEON. „Просто нямах представа колко поддръжка отне сензорите за обновяване и смяна на батериите им неща.” Гентес каза, че много от сензорите са се задържали много добре, освен в случаи на прекъсване на захранването или наводнение. Въздушната платформа за наблюдение на NEON сега е ограничена до определени части на САЩ, които не изискват търговски полети, тъй като NEON не позволява на персонала си да лети, каза Мейби. „Това не е основна работа“, каза тя. „Това е важно за нас. Това е наша работа. Но това не е основна работа.

Вижте тази публикация в Instagram

Това е #TowerTuesday изгрев в кулата LAJA flux на NEON в Пуерто Рико (2019).⠀ ⠀ Експерименталната станция Lajas (LAJA) се намира в Центъра за изследване и развитие Lajas, една от шестте станции за селскостопански експерименти в Пуерто Рико. Той е част от Атлантическия неотропичен домейн (D04) на NEON. По-голямата част от земята е собственост на Университета на Пуерто Рико Mayaguez Campus. Разположено в югозападния ъгъл на острова, където е сравнително сухо, полето предлага отличен контраст с девствените горски условия на полето Guánica (GUAN). Данните, събрани в LAJA, ще помогнат на изследователите да оценят въздействието на селското стопанство и човешката дейност върху местната екосистема и да наблюдават тези въздействия във времето.⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #PuertoRico #sunrise #research #NEONscience #NEONdata #opendata #ecology #ecoscience #science #fluxtower

Публикация, споделена от NEON Science (@neon.sci) на 11 август 2020 г. в 9:30 ч. PDT

Докато NEON търси начини да направи полевата екология безопасна за изпълнение по време на пандемията, Mabee смята, че практикуващите може да хвърлят втори поглед върху проекта сега. „Със сигурност във времената на COVID мисля, че хората са седнали пред компютрите си и не са навлизали твърде много в полето“, каза тя. „И така наистина обърна внимание на тези типове данни.“

В ранните дни на NEON имаше страх сред някои учени, че той се опитва напълно да замени работата на терен. „Мисля, че те някак си погрешно брандираха NEON първоначално, защото казваха като „о, сега можете да правите екология от вашия работен плот“, каза Крамър, който изучава мишки в Уисконсин. „И има голяма част от еколозите, които казаха: „Да, не затова се заехме с екологията. Искаме да излезем навън.“

Други критики към NEON бяха, че може да доведе до правейки наука „назад”, създаване на данни, след което търсене на хипотеза. Имаше опасения, че NSF Мрежа за дългосрочни екологични изследвания ще загуби финансиране в полза на NEON. „Не помага фактът, че NEON се появи във време, когато имаше ужасно много тревоги относно намаляването на финансирането за наука“, каза Кларк от университета Дюк.

Отне толкова много време, докато проектът започне напълно, че междувременно цяло ново поколение еколози навлязоха в дисциплината. През миналата година Екологично общество на Америкагодишна среща, д-р Кайла Далин туитна: „Уморих се да слушам заядливи старци, които се оплакват @NEON_sci? Елате да чуете от действителни потребители на NEON…”

Земният еколог Наги е участвал в известно обучение, за да се увери, че никой еколог не остава изоставен. „Мисля, че това е едно от първите предизвикателства, е просто да се уверим, че еколозите като цяло имат необходимите умения да използват данни като тези“, каза тя. „Това е наистина страхотен ресурс, защото е свободно, открито достъпен за всеки, но трябва да имате тези знания за това как да използвате данните, за да ги направите полезни.“

Екосистема от еколози

„Мисля, че едно от най-вълнуващите, ако не и най-вълнуващите неща за NEON е потенциалът за насърчаване на общността и по-широкото сътрудничество в рамките на екологията като цяло“, каза Уайт. Неговата група работи с изследователи от училищните отдели по компютърни науки и горско стопанство по неговите проекти за дървета. Той работи върху комбинирането на данни от NEON с някои от програмата за инвентаризация и анализ на горите на Службата по горите на САЩ. Точно като интегрирането на два набора от данни, създаването на екип от различни научни среди изисква създаване на общ речник.

Дори извън NEON, екологията се разширява, за да отговаря на по-големи данни и по-големи въпроси. Уайт го забеляза преди десетилетие, когато започна да преподава уроци по компютърни науки. „Сега има много, много лаборатории, които сами не събират никакви полеви данни, а просто работят върху данни, които могат да бъдат получени от продукти за дистанционно наблюдение или други мрежови продукти“, каза Кларк. Десаи повтаря това. „Може да имаме студенти, работещи на полеви обекти, които никога не са виждали“, каза той. „И това може би е малко по-различно – неудобно – за някои хора в екологията.“

Desai е наблюдавал развитието на NEON отвътре и отвън. Преди това той е бил член на Консултативния комитет по наука, технологии и образование. Неговите чувства към проекта са смесени. Той хвали учените, които работят там, но казва, че управлението му е имало своите възходи и падения. NEON помогна за въвеждането на така необходимата стандартизация на инструменти и измервания, които са от решаващо значение за отговора на някои от големите въпроси на екологията. Много еколози смятат, че данните на NEON ще помогнат да се отговори на някои от тези въпроси.

„Ако говорите с Националната научна фондация, те винаги казват:„ Неонът не е нещото. Биологията на макросистемите е най-важното“, каза Десаи. „Неонът е инструментът, чрез който тази наука да се случи. И ако се окаже, че имаме нужда от различен инструмент след 10 години, тогава така да бъде.“