NEON je ekologická observatoř za 460 milionů dolarů pro USA.

V listopadu 2018 zveřejnil The New York Times Magazine článek s názvem Apokalypsa hmyzu. Vycházel z velké části ze studií o výskytu hmyzu ve střední Evropě. Článek získal velkou pozornost, včetně článku Dr. Nico Franze, profesora na School of Life Sciences Arizonské státní univerzity. „Nemohl jsem být jediným entomologem – hmyzím člověkem –, který si říkal: ‚Páni, máme pro to v USA vůbec data?‘,“ řekl. Opravdu nebylo v minulosti, ale nyní existuje obrovský projekt, který se snaží shromáždit tento druh informací pro budoucnost.

Národní ekologická observatoř Network (NEON) je skupina míst po celých Spojených státech, kde ekologové a nástroje shromažďují velké množství dat, aby se pokusili získat celkový obraz. klimatická změna, biodiverzitasladkovodní zdroje a další složité ekologické problémy. Je plně funkční teprve od loňského roku – a pak došlo k pandemii. Ale to není zdaleka první výzva, které ambiciózní projekt bude čelit, a rozhodně nebude její poslední. NEON má pokračovat ve shromažďování dat ještě několik desetiletí.

Více než dvě desetiletí ve výrobě, 30 let do budoucnosti

Historie NEONu sahá do konce 90. let a počátku 21. století, kdy ekologové a biologové prosazovali vytvoření mezikontinentální sítě, něco jako síť senzorů zemětřesení, ale pro ekologii místo zemětřesení. Oslovili National Science Foundation (NSF) s nápadem a náklady – téměř 400 milionů dolarů na výstavbu plus miliony dolarů ročně na provoz po dobu tří desetiletí. „Je to opravdu obrovská investice od National Science Foundation, taková, jaká tu ještě nebyla toto měřítko v rámci ekologie,“ řekl Dr. Chelsea Nagy, suchozemský ekolog z University of Colorado. Balvan.

Finální stránka byla zprovozněna minulý rok a mezitím mezi prvním nápadem a současností se sužovaly nejrůznější bolesti hlavy. Byly tam problémy s financováním s Kongresem, šlo přes rozpočet (nakonec to stálo 460 milionů dolarů), a dohled nad projektem změnil majitele. NSF si pak vybrala Battelle, která provozuje několik národních laboratoří, aby dohlížela na NEON. Zrovna loni organizace propustil dva vysoce postavené zaměstnance, přimět ostatní k rezignaci. Ale pak, o pár měsíců později, v květnu 2019, se stal NEON plně funkční.

Nebylo to však tak, že by se světla – a senzory – rozsvítily najednou. Mnoho z 81 stránek NEON shromažďuje data již roky. Existují 81 stránek ve 20 doménách, včetně tundry a tajgy na Aljašce, jižních plání pokrývajících velký kus Texasu a velkých jezer s několika místy ve Wisconsinu. Tyto ekoklimatické zóny mají reprezentovat rozmanité terény, ekosystémy a vegetaci USA.

Na každém místě má řada technologií a také terénní pracovníci shromažďovat pozorování o rostlinách, zvířatech, počasí, vodě, půdě a dalších. Díky standardizovaným nástrojům a měřením by měla být data snadněji porovnatelná.

Může to znít jednoduše, ale ekologie tak vždy nefunguje. „Jednou z věcí na ekologii je historicky to, že jsme měli tendenci klást konkrétní otázku na konkrétním místě pomocí konkrétní sady metod, a pak nikdo už nikdy neudělá přesně to samé,“ řekl Dr. Ethan White, profesor na katedře ekologie a ochrany přírody na Floridské univerzitě. "A když se závěry, k nimž dospěla jedna sada dokumentů, liší od jiné sady, nejsme si jisti, proč jsou tyto závěry odlišné."

"Právě teď dělám metaanalýzu a sbírám jednotlivé studie," řekl Nagy z University of Colorado. „A proto je opravdu těžké analyzovat data shromážděná mnoha různými lidmi mnoha různými způsoby, protože někdy měří různé věci a někdy měří stejnou věc, ale používají jinou metodu." S NEON, řekla, vše shromážděné napříč weby se provádí pomocí stejné metodiky, což usnadňuje porovnat.

Data jsou také prostorově integrovaná – což znamená, že jde o shluk měření shromážděných ze stejného místa. „Například výzkumníkovi, dokonce i na tomto jediném místě, nabízí způsob, jak všechna tato data jednoduše integrovat,“ řekla Dr. Paula Mabee, hlavní vědecká pracovnice a ředitelka observatoře NEON. Navzdory svým více než 8 000 senzorům není NEON navržen tak, aby monitoroval vše.

„Mnoho míst NEON je v místech, kde jsou aktivně odstraňovány invazní druhy. Takže nám s tím rozhodně nepomohou,“ řekl Dr. James Clark, ekolog z Duke University. Nagyovou zajímá, jak lesní požáry ovlivňují invazivní druhy, ale protože lokality NEONu neshořely, nemůže je zahrnout do svého výzkumu.

Pravidelné shromažďování dat z Havaje do Portorika má odpovědět na šest „velké výzvy v environmentálních vědách“, například jak lidé ovlivňují biologickou rozmanitost a jak předcházet infekčním chorobám u různých druhů. Na každém místě jsou umístěny kamery, pasti a tisíce senzorů. Výzkumníci se mohou podívat na biogeochemii, půdní mikroby, informace z dálkového průzkumu Země a vodní data pocit, jak se vzájemně ovlivňují a jak se změny projevují u savců, minerálů a mikroby.

„Zatímco Neon není experiment – ​​nemanipulujeme lesy ani systémy dlouhodobým měřením – začnete vnímat ekosystémy jako komplexní systém,“ řekl Dr. Ankur Desai, profesor z University of Wisconsin-Madison. „Všechny tyto různé části – vodní cyklus, uhlíkový cyklus, druhy, které spolu interagují – se všechny mění. A to je naděje, že získáme dostatek informací na dostatečném množství různých míst, abychom pochopili svět kolem nás.“

Skvělá detekce myši

Pokud se ocitnete konfrontováni s malou myškou s hnědou srstí; bílé břicho a velké tmavé oči, to pravděpodobně nebude hned patrné, když se díváte na myš bělonohou nebo na jelena lesního. Trik je v délce ucha. Oba druhy se nacházejí na horním středozápadě a jsou klíčové pro výzkum Dr. Michaela J. Cramer, asistent ředitele na University of Notre Dame Environmental Research Center ve Wisconsinu.

"Slouží jako modelový systém, který pomáhá pochopit, jak přirozené populace reagují na změny životního prostředí, a proto je studuji," řekl. Sovy, jestřábi, lasičky a lišky se živí myšmi, které samy jedí rostliny a semena. "Tyto myši jsou přímo uprostřed potravní sítě," řekl Cramer. Jejich přítomnost má dopad nejen na zvířata, která je jedí, ale i na druhy stromů, které jsou na nich závislé, aby rozptýlily jejich semena. Pak je tu konkurence, jako jsou veverky a chipmunkové, kteří jedí některé ze stejných zdrojů.

"Pokud máte zdravou populaci myší, obecně to svědčí o dobře fungujícím systému, pokud jde o dynamiku lesa," řekl Cramer. Chytí myši, označí je, pustí je a znovu je odchytí, aby získal představu, kolik jich je v lesích, které se táhnou přes vrchol Wisconsinu až do Michiganského horního poloostrova.

Tato oblast je poměrně odlehlá, což je pro myši pravděpodobně docela příjemné, ale nemusí to být nutně užitečné pro všechny otázky, které Cramer doufá odpovědět. "Ze tří stran jsme obklopeni národními lesy, takže nejsme systémem ovládaným lidmi," řekl. Ale NEON také chytá a vypouští tyto myši na jiném místě zvaném Treehaven, vzdáleném asi hodinu a půl jízdy. „Mohu se podívat na jejich data na základě pozorování, která jsem provedl v relativně nedotčeném prostředí, a pak je porovnat s daty NEON, která se shromažďuje v nedotčeném prostředí a pokuste se vyvodit nějaké závěry o tom, jak si myslím, že myši reagují na úrovni druhů,“ řekl.

I když se jedná o lesní myši - ne typ, který obvykle najdete v domě, řekl Cramer - je stále důležité je sledovat pro lidské zdraví. Jsou rezervoáry pro lymskou boreliózu. "Nešíří lymskou boreliózu, ale udržují ji v této populaci," řekl. A tyto myši se nacházejí v mnoha státech USA. Pokud by Cramer chtěl provést nějaké srovnání mezi nimi Yooper myši a ti v jiných regionech, potřeboval by obrovský grant a armádu postgraduálních studentů, řekl.

Místo toho: „Mohu využít data z jiných lokalit a jiných typů stanovišť a jiných biomů a také se pokusit porovnat, co si myslím, že myši dělají pomocí dat NEON,“ řekl. "Umožňuje mi to rozšířit mé závěry na mnohem větší měřítka."

Zatímco Cramerův přístup je poměrně technologicky nenáročný – „Nemám peníze na to, abych si koupil tolik malých, maličkých rádiových obojků pro každou myš,“ řekl – stránky NEON mají spoustu nástrojů.

Jak zelené je toto údolí?

V pravidelných intervalech létá NEON letadlem nad svými mnoha místy. Na palubě letadla jsou kamery, lidar a zobrazovací spektrometry. Spektrometry poskytují hyperspektrální obrazy, které mají vysoké rozlišení a zachycují světlo, které lidské oko nevidí. Je to trochu jako nasadit barevný filtr na fotoaparát, ale pro stovky barev. Ethan White se na základě těchto hyperspektrálních snímků snaží určit druhy stromů.

V závislosti na své barvě budou listy odrážet a absorbovat různé vlnové délky světla. Pokud zmapujete odrazivost vůči všem barvám světla, získáte spektrum. Měření tohoto spektra v každém pixelu obrázku odhalí různé vlastnosti listu, jako je množství dusíku nebo fosforu. Váš typický fotoaparát zachytí světlo ve viditelném – nebo červeném, zeleném a modrém – spektru. Hyperspektrální snímek pochází ze zařízení, které zaznamenává 426 spektrálních pásem. "Může nám to umožnit vidět rozdíly mezi rostlinami, zejména shora," řekl White University of Florida. "To by bylo těžké vidět, jestli všechno vypadá nějak zeleně, ale mohli jsme vidět velké rozdíly mezi dvěma věcmi, které byly zelené, použitím různých informací z toho hyperspektrálního zobrazování."

Být schopen vidět detailní barevné rozdíly mezi listy krůtího dubu a pískového živého dubu vyžaduje obrovské obrazové soubory. "Pracujeme s terabajty a terabajty snímků," řekl White. „Provádíme velké množství velmi intenzivních výpočtů ve vysoce výkonném výpočetním centru Floridské univerzity, kterému říkají HiPerGator, protože tady dole máme opravdu rádi aligátory.“

Podívejte se na tento příspěvek na Instagramu

Není to jen hezké – je to informativní! Snímek ze vzdušné observační platformy (AOP) společnosti NEON nad oblastí Yellowstone field (YELL).⠀ ⠀ Lidar, neboli „Světlo Detection and Ranging,“ je aktivní systém dálkového průzkumu, ve kterém je světlo vyzařováno z rychle vystřelujícího laseru na palubě letadlo. Toto světlo putuje k zemi a odráží se od povrchů jako větve stromů. Odražená světelná energie se poté vrací zpět do senzoru, kde je zaznamenána – lidar měří čas, za který se emitované světlo dostane k zemi a zpět. Vědci mohou použít data dálkového průzkumu, jako je tato, ke studiu struktury vegetace napříč regiony.⠀ ⠀ Zjistěte více o dálkovém ovládání NEON schopnosti snímání, AOP a všechna naše data na našem webu!⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #remotesensing #lidar #NEONdata #opendata #NEONscience #research #práce v terénu

Příspěvek sdílený uživatelem NEON Science (@neon.sci) zapnuto 13. srpna 2020 v 9:30 PDT

Ačkoli White vyučuje úvodní hodinu informatiky pro biology asi deset let, řekl, že na širší úrovni musí jeho obor stále dohánět. "Zapojit se do toho s daty v měřítku, které nyní produkuje NEON, je něco, co je pro většinu ekologů velmi neznámé," řekl. Typy otázek, kterými se White zabývá, však vyžadují takové množství dat.

"Jedna z věcí, která nás opravdu zajímá, je, že procesy, které řídí ekologické systémy, se mění v závislosti na měřítku, na které se díváte," řekl. Co ovlivňuje jednotlivý strom – množství slunečního světla, které získává, na základě výšky jeho sousedů příklad – ztrácejte na důležitosti, čím dál a dál oddalujete, podívejte se také na akr, les nebo ekosystém stromy. Větší vzorce srážek a teplotní výkyvy se stávají důležitějšími při porovnávání stromů na Floridě oproti stromům v New Yorku. "Chápeme, že tyto procesy se mění s měřítkem, ale ve skutečnosti jsme neměli soubory dat, které by nám umožnily o tom přemýšlet určitým způsobem nepřetržitě," řekl.

Knihovna půjčování lišejníků

V průmyslové oblasti Tempe v Arizoně stojí nízká špinavě bílá budova. Navzdory svému nenápadnému exteriéru ve skutečnosti obsahuje tisíce biologických vzorků, a to jak ze sbírky přírodopisu Arizona State University, tak i Bioúložiště NEON. Mikrobi, brouci, komáři a vzorky půdy budou všechny uloženy v budově po dobu 30 let provozu NEONu. Ty, které je třeba uchovávat v chladu, jsou skladovány v kryogenním mrazáku a ASU přidává také sklad kapalného dusíku. Vystavena je také sbírka ASU s pouzdry na motýly, sklenicemi obratlovců a medvědí kůže visící na zdi. Ředitelem sbírky je Franz z Arizonské státní univerzity.

“Ročně absorbujeme zhruba 110 000 vzorků, podle výkazu práce, který v současnosti s NEONem máme,“ řekl, „a asi 70 procent Tyto vzorky je třeba uchovávat v chladu." Po několik měsíců zařízení dostávalo denní dodávky vzorků, někdy i několikrát za rok den. Některé weby NEON sbíraly vzorky již v roce 2013. I když je správné uložení těchto vzorků důležitou součástí toho, co Franzův tým dělá, musí je také katalogizovat a sledovat. "Ve skutečnosti nemáme být pro každý vzorek konečnou zastávkou," řekl Franz. „Naopak, správně. Měli bychom být něco jako průchod pro tyto vzorky, aby bylo možné provést další výzkum."

Abychom vyrobili NEONy hlavní datový portál užitečné pro výzkumníky, pracovníci bioúložiště musí zadávat mnoho informací na základě standardu Darwin Core Standard. „Tohle je relativně blízko k něčemu jako a lingua franca, jako široce, globálně využívaný standard pro přenos a anotaci dat, ve vztahu k přírodopisným sbírkovým exemplářům,“ řekl Franz. Má výzkumníkům poskytnout vše, co potřebují vědět o vzorku, který sami neshromáždili: kde, kdy a jak byl shromážděn; jeho taxonomický název a jak byl identifikován. "Můžeme také zaznamenat vztahy mezi vzorky," řekl Franz. "Takže pokud je například "A" známým parazitem "B", máme vzorky od klíšťat, která byla odebrána savcům."

Některé z požadavků, které Franz dostal, by mohly pomoci s americkou verzí studie hmyzí apokalypsy. University of Oklahoma se dívá na změny v objemu bezobratlých na asi 50 místech, řekl. Používají to, čemu se říká past pasti vzorky. Plastové kelímky jsou ponechány v zemi celé dny nebo týdny a shromažďují pavouky, brouky, žížaly a další bezobratlé. Z těchto vzorků mohou vědci extrapolovat počet takových zvířat na každém místě a také velikost jejich těla. Výzkumníci již vidí rozdíly v různých regionech. "Zdá se, že v této hmyzí apokalypse existují subregionální trendy, které jsou docela zajímavé," řekl Franz.

Pauza kvůli pandemii

Možná si představujete ekologa jako někoho, kdo drží schránku a nosí gumové boty uprostřed lesa. Možná, že váš obrázek NEONové stránky je hučení senzorů, žádní lidé v dohledu. NEON má 181 datových produktů — soubory měření, jako je barometrický tlak nebo infračervená teplota nebo koncentrace CO2, které vydává; 108 z nich vyžaduje lidské pozorovatele. „Velmi spoléháme na pozorovací odběr vzorků,“ řekla Zoe Gentes, senior specialistka na komunikaci ve společnosti Battelle, která spravuje NEON. "Ale kromě toho naše automatizované systémy potřebují údržbu."

"To je něco, co mě opravdu zasáhlo během prvních několika týdnů COVID," řekl Mabee, hlavní vědec NEON. „Neměl jsem ani ponětí, kolik údržby senzorů zabere obnovení a výměna baterií věci." Gentes uvedl, že mnohé ze senzorů obstály velmi dobře, s výjimkou případů výpadků proudu resp záplavy. Vzdušná pozorovací platforma NEON je nyní omezena na určité části USA, které nevyžadují komerční lety, protože NEON neumožňuje svým zaměstnancům létat, řekl Mabee. "Tohle není zásadní práce," řekla. "Je to pro nás důležité. Je to naše práce. Ale to není zásadní práce."

Podívejte se na tento příspěvek na Instagramu

Je #TowerTuesday východ slunce na NEON's LAJA flux tower v Portoriku (2019).⠀ ⠀ The Lajas Experimental Station (LAJA) se nachází ve výzkumném a vývojovém centru Lajas, jedné ze šesti zemědělských experimentálních stanic v Puerto Rico. Je součástí Atlantické neotropické domény NEON (D04). Většina pozemků je ve vlastnictví University of Puerto Rico Mayaguez Campus. Polní lokalita, která se nachází v jihozápadním rohu ostrova, kde je poměrně suchá, poskytuje vynikající kontrast k nedotčeným lesním podmínkám na polní lokalitě Guánica (GUAN). Data shromážděná v LAJA pomohou výzkumníkům vyhodnotit dopad zemědělství a lidské činnosti na místní ekosystém a monitorovat tyto dopady v průběhu času.⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #Portoriko #východ slunce #výzkum #NEONvěda #NEONdata #opendata #ekologie #ekověda #věda #fluxtower

Příspěvek sdílený uživatelem NEON Science (@neon.sci) zapnuto 11. srpna 2020 v 9:30 PDT

Zatímco NEON hledal způsoby, jak zajistit bezpečnost terénní ekologie během pandemie, Mabee si myslí, že její praktici by se nyní mohli na projekt znovu podívat. „Určitě v dobách COVID si myslím, že lidé seděli u svých počítačů a příliš se do terénu nedostali,“ řekla. "A tak se skutečně obrátila pozornost na tyto typy dat."

V prvních dnech NEONu panovala mezi některými vědci obava, že se snaží plně nahradit práci v terénu. „Myslím, že zpočátku trochu špatně označili NEON, protože říkali: ‚Ach, teď můžete dělat ekologii z vašeho počítače‘,“ řekl Cramer, který studoval myši ve Wisconsinu. "A existuje velká část ekologů, kteří říkali: "Jo, proto jsme se nepustili do ekologie." Chceme jít ven."

Další kritiky NEONu byly, že by to mohlo vést k dělat vědu „zpětně,“ vytváří data a poté hledá hypotézu. Panovaly obavy, že NSF Síť dlouhodobého ekologického výzkumu by přišla o finanční prostředky ve prospěch NEONu. "Nepomáhá to, že NEON přišel v době, kdy bylo strašně moc úzkosti z klesajícího financování vědy," řekl Clark z Duke University.

Trvalo tak dlouho, než se projekt naplno rozběhl, že mezitím nastoupila do oboru zcela nová generace ekologů. V loňském roce Ekologická společnost Amerikyvýroční schůze, Dr. Kyla Dahlin tweetoval: „Už mě nebaví poslouchat, jak si stěžují nevrlí staříci @NEON_sci? Přijďte si poslechnout skutečné uživatele NEON…”

Suchozemský ekolog Nagy byl zapojen do určitého školení, aby se ujistil, že žádný ekolog nezůstane pozadu. "Myslím, že to je jedna z prvních výzev, je jen zajistit, aby ekologové obecně měli dovednosti potřebné k využívání dat jako je tato," řekla. "Je to opravdu skvělý zdroj, protože je volně a otevřeně k dispozici komukoli, ale musíte mít znalosti o tom, jak data používat, aby byla užitečná."

Ekosystém ekologů

"Myslím, že jednou z nejvíce, ne-li nejvíce vzrušujících věcí na NEONu je potenciál pro podporu komunity a širší spolupráce v rámci ekologie obecně," řekl White. Jeho skupina spolupracuje s výzkumníky z katedry informatiky a lesnictví na jeho stromových projektech. Pracuje na kombinaci dat NEON s některými z programu Forest Inventory and Analysis programu US Forest Service. Stejně jako integrace dvou datových sad vyžaduje vytvoření týmu z různých vědeckých prostředí vytvoření společné slovní zásoby.

I mimo NEON se ekologie rozšiřuje, aby se vešla do větších dat a větších otázek. White si toho všiml před deseti lety, když začal vyučovat hodiny informatiky. „V současnosti existuje mnoho, mnoho laboratoří, které samy neshromažďují žádná data z terénu, ale jednoduše pracují na datech, která lze získat z produktů remote0sensing nebo jiných síťových produktů,“ řekl Clark. Desai to opakuje. "Možná máme studenty, kteří pracují na terénních stránkách, které nikdy neviděli," řekl. "A to je možná trochu jiné - nepříjemné - pro některé lidi v ekologii."

Desai sledoval vývoj NEONu zevnitř i zvenčí. Předtím byl členem jejího poradního výboru pro vědu, technologie a vzdělávání. Jeho pocity z projektu jsou smíšené. Chválí vědce, kteří tam pracují, ale říká, že jeho vedení mělo své vzestupy a pády. NEON pomohl přinést tolik potřebnou standardizaci nástrojů a měření, které jsou klíčové pro zodpovězení některých velkých ekologických otázek. Mnoho ekologů si myslí, že data NEON pomohou začít zodpovědět některé z těchto otázek.

„Když mluvíte s National Science Foundation, vždy říkají: ‚NEON není to pravé. Biologie makrosystémů je ta věc,“ řekl Desai. „Neon je nástroj, jak tuto vědu uskutečnit. A pokud se ukáže, že za 10 let budeme potřebovat jiný nástroj, tak budiž.“