NEON er et 460 millioner dollars økologisk observatorium for USA

I november 2018 offentliggjorde The New York Times Magazine en artikel kaldet Insekts Apokalypse. Det var i vid udstrækning baseret på undersøgelser om insektoverflod i Centraleuropa. Artiklen fik stor opmærksomhed, herunder den af ​​Dr. Nico Franz, en professor ved Arizona State Universitys School of Life Sciences. "Jeg kan ikke have været den eneste entomolog - insektperson - der spekulerede på, 'wow, har vi overhovedet data for det i USA?'" sagde han. Det har der virkelig ikke været i fortiden, men nu er der et kæmpe projekt, der forsøger at samle den slags information til fremtiden.

National Ecological Observatory Network (NEON) er en gruppe af websteder i hele USA, hvor økologer og værktøjer indsamler mængder af data for at prøve at få et stort billede af klima forandring, biodiversitet, ferskvandsressourcer og andre komplekse økologiske spørgsmål. Det har kun været fuldt operationelt siden sidste år - og så skete pandemien. Men det er langt fra den første udfordring, det ambitiøse projekt står over for, og det bliver bestemt ikke det sidste. NEON formodes at fortsætte med at indsamle data i flere årtier.

Over to årtier undervejs, 30 år ud i fremtiden

NEONs historie går tilbage til slutningen af ​​1990'erne og begyndelsen af ​​2000'erne, hvor økologer og biologer presser på for at skabe et tværkontinentalt netværk, noget der ligner et jordskælvssensornetværk, men for økologi i stedet for jordskælv. De henvendte sig til National Science Foundation (NSF) med ideen og omkostningerne - næsten 400 millioner dollars at bygge, plus millioner af dollars om året at køre, i tre årtier. "Det er en virkelig stor investering fra National Science Foundation, en som virkelig ikke er set før denne skala inden for økologi,” sagde Dr. Chelsea Nagy, en terrestrisk økolog ved University of Colorado Kampesten.

Den endelige side var oppe at køre sidste år, og mellemtiden mellem den første idé og nu var fyldt med alverdens hovedpine. Der var finansieringsproblemer med Kongressen, gik det over budget (det endte med at koste 460 millioner dollars), og projekt tilsyn skiftede hænder. NSF valgte derefter Battelle, som driver flere nationale laboratorier, til at føre tilsyn med NEON. Kun sidste år, organisationen fyrede to højtstående medarbejdere, får andre til at sige op. Men så, et par måneder senere, i maj 2019, blev NEON fuldt operationelt.

Det var dog ikke sådan, at lysene - og sensorerne - tændte på én gang. Mange af NEONs 81 websteder har allerede indsamlet data i årevis. Der er 81 websteder i 20 domæner, herunder tundra og taiga i Alaska, de sydlige sletter, der dækker en god del af Texas, og de store søer med et par steder i Wisconsin. Disse økoklimatiske zoner er beregnet til at repræsentere de forskellige terræner, økosystemer og vegetation i U.S.A.

På hvert sted er det meningen, at en række teknologier såvel som feltpersonale skal indsamle observationer om planter, dyr, vejr, vand, jord og mere. Med standardiserede værktøjer og målinger skulle dataene være nemmere at sammenligne.

Det lyder måske simpelt nok, men økologi fungerer ikke altid sådan. "En af tingene ved økologi er historisk set, at vi har haft en tendens til at stille et bestemt spørgsmål et bestemt sted ved hjælp af et bestemt sæt metoder, og så ingen gør nogensinde præcis det samme igen,” sagde Dr. Ethan White, professor ved Institut for Wildlife Ecology and Conservation ved University of Florida. "Og så når konklusionerne, som et sæt papirer nåede frem til, adskiller sig fra et andet sæt, er vi ikke rigtig sikre på, præcis hvorfor disse konklusioner er forskellige."

"Jeg laver en metaanalyse lige nu og samler individuelle undersøgelser," sagde University of Colorados Nagy. "Og derfor er det virkelig svært at analysere de data, der er indsamlet af mange forskellige mennesker på mange forskellige måder, fordi nogle gange måler de forskellige ting, og nogle gange de måler det samme, men de bruger en anden metode." Med NEON, sagde hun, er alt, der indsamles på tværs af webstederne, gjort ved hjælp af den samme metode, hvilket gør det lettere at sammenligne.

Dataene er også rumligt integreret - hvilket betyder, at det er en masse målinger indsamlet fra det samme sted. "Hvad det giver en forsker, for eksempel, selv på det ene sted, er en måde at integrere alle disse data på," sagde Dr. Paula Mabee, NEONs chefforsker og observatoriedirektør. På trods af sine mere end 8.000 sensorer er NEON ikke designet til at overvåge alt.

"Mange af NEON-lokaliteterne er på steder, hvor invasive arter aktivt fjernes. Så de kommer bestemt ikke til at hjælpe os med det,” sagde Dr. James Clark, en økolog ved Duke University. Nagy er interesseret i, hvordan skovbrande påvirker invasive arter, men da NEONs steder ikke er brændt, kan hun ikke inkludere dem i sin forskning.

Regelmæssig indsamling af data fra Hawaii til Puerto Rico er beregnet til at besvare seks "store udfordringer inden for miljøvidenskab,” såsom hvordan mennesker påvirker biodiversiteten, og hvordan man forebygger smitsomme sygdomme for en række arter. Kameraer, fælder og tusindvis af sensorer er opsat på hvert sted. Forskere kan se på biogeokemi, jordmikrober, fjernmålingsinformation og akvatiske data for at få en følelse af, hvordan de interagerer, samt hvordan ændringer manifesterer sig i pattedyr, mineraler og mikrober.

"Selvom Neon ikke er et eksperiment - vi manipulerer ikke skove eller systemer ved at foretage målinger på lang sigt - du begynder at se økosystemer som et komplekst system,” sagde Dr. Ankur Desai, professor ved University of Wisconsin-Madison. "Alle disse forskellige dele - vandets kredsløb, kulstofkredsløbet, de arter, der interagerer - alle ændrer sig. Og det er håbet, at vi får nok information nok forskellige steder til at give mening om verden omkring os."

Den store muse-detektion

Hvis du bliver konfronteret med en lille mus med brun pels; en hvid mave, og store, mørke øjne, vil det nok ikke umiddelbart være tydeligt, hvis du kigger på en hvidfodet hjortemus eller en skovhjortemus. Tricket er ørelængden. Begge arter findes i det øvre Midtvesten og er afgørende for forskningen af ​​Dr. Michael J. Cramer, assisterende direktør ved University of Notre Dame Environmental Research Center i Wisconsin.

"De tjener som et modelsystem til at hjælpe med at forstå, hvordan naturlige befolkninger reagerer på miljøændringer, og det er derfor, jeg studerer dem," sagde han. Ugler, høge, væsler og ræve forgriber sig alle på musene, som selv spiser planter og frø. "Disse mus er lige midt i fødenettet," sagde Cramer. Deres tilstedeværelse påvirker ikke kun de dyr, der spiser dem, men de træarter, der er afhængige af dem for at sprede deres frø. Så er der konkurrencen, som egern og jordegern, der spiser nogle af de samme ressourcer.

"Hvis du har en sund population af mus, er det generelt et tegn på et velfungerende system i form af skovdynamikken," sagde Cramer. Han fanger musene, mærker dem, slipper dem fri og genfanger dem for at få en fornemmelse af, hvor mange der er i skovene, der strækker sig over toppen af ​​Wisconsin og ind til Michigans øvre halvø.

Området er ret afsidesliggende, hvilket nok er ret rart for musene, men ikke nødvendigvis så nyttigt til alle de spørgsmål, Cramer håber at besvare. "Vi er omgivet på tre sider af national skov, så vi er ikke et menneskedomineret system," sagde han. Men NEON fanger og frigiver også disse mus på et andet sted, kaldet Treehaven, omkring halvanden times kørsel væk. "Jeg kan se på deres data, baseret på de observationer, jeg har lavet i et relativt uberørt miljø, og derefter sammenligne det med NEONs data, der er samlet i uberørte miljøer, og prøv at drage nogle konklusioner om, hvordan jeg tror, ​​musene reagerer på artsniveau,” han sagde.

Selvom disse er skovmus - ikke den type, man typisk finder i et hus, sagde Cramer - er det stadig vigtigt at holde styr på dem for menneskers sundhed. De er reservoirer for borreliose. "De spreder ikke borreliose, men de opretholder den i den befolkning," sagde han. Og disse mus findes i mange stater i USA. Hvis Cramer ønskede at foretage nogle sammenligninger mellem Yooper mus og dem i andre regioner, ville han have brug for et stort tilskud og en hær af kandidatstuderende, sagde han.

"Jeg kan i stedet bruge data fra andre steder og andre habitattyper og andre biomer og også forsøge at foretage sammenligninger om, hvad jeg tror, ​​musene laver ved at bruge NEONs data," sagde han. "Det giver mig mulighed for at udvide mine slutninger til meget større skalaer."

Mens Cramers tilgang er ret lavteknologisk - "Jeg har ikke penge til at købe så mange små, bittesmå radiohalsbånd til hver mus," sagde han - har NEON-webstederne masser af værktøjer.

Hvor grøn er denne dal?

Med jævne mellemrum flyver NEON et fly over dets mange steder. Ombord på flyet er kameraer, lidar og billeddannelsesspektrometre. Spektrometrene giver hyperspektrale billeder, som har høj opløsning og fanger lys, som det menneskelige øje ikke kan se. Det er lidt ligesom at sætte et farvefilter på et kamera, men for hundredvis af farver. Ethan White forsøger at bestemme arten af ​​træer baseret på disse hyperspektrale billeder.

Afhængigt af deres farve vil blade reflektere og absorbere forskellige bølgelængder af lys. Hvis du kortlægger reflektansen mod alle lysets farver, får du et spektrum. Måling af det spektrum ved hver pixel af billedet afslører forskellige bladtræk, såsom mængden af ​​nitrogen eller fosfor. Dit typiske kamera vil fange lys i det synlige - eller røde, grønne og blå - spektrum. Et hyperspektralt billede kommer fra en enhed, der optager 426 spektralbånd. "Det kan give os mulighed for at se forskelle mellem planter, især ovenfra," sagde University of Florida's White. "Det ville være svært at se, om alt ser noget grønt ud, men vi kunne se store forskelle mellem to ting, der var grønne ved at bruge forskellige oplysninger fra den hyperspektrale billeddannelse."

At kunne se detaljerede farveforskelle mellem bladene på en kalkuneg og en sandlevende eg kræver enorme billedfiler. "Vi arbejder med terabyte og terabyte af billeder," sagde White. "Vi laver store mængder meget intensiv databehandling på University of Floridas højtydende computercenter, som de kalder HiPerGator, fordi vi virkelig kan lide gatatorer hernede."

Se dette opslag på Instagram

Det er ikke bare smukt – det er informativt! Billede fra NEON's Airborne Observational Platform (AOP) over Yellowstone-feltet (YELL).⠀ ⠀ Lidar, eller "Light Detection and Ranging," er et aktivt fjernmålingssystem, hvor lys udsendes fra en hurtigt affyrende laser ombord på en fly. Dette lys rejser til jorden og reflekteres fra overflader som trægrene. Den reflekterede lysenergi vender derefter tilbage til sensoren, hvor den registreres - lidar måler den tid, det tager for udsendt lys at rejse til jorden og tilbage. Forskere kan bruge fjernmålingsdata som denne til at studere vegetationsstrukturen på tværs af regioner.⠀ ⠀ Lær mere om NEONs fjernbetjening sensing-kapaciteter, AOP og alle vores data på vores hjemmeside!⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #remotesensing #lidar #NEONdata #opendata #NEONscience #research #feltarbejde

Et opslag delt af NEON Videnskab (@neon.sci) på 13. august 2020 kl. 9:30 PDT

Selvom White har undervist i en introduktionsklasse i datalogi for biologer i omkring et årti, sagde han på et bredere niveau, at hans felt stadig skal indhentes. "At engagere sig i dette med data i den skala, som nu produceres af NEON, er noget, der er meget ukendt for de fleste økologer," sagde han. Den slags spørgsmål, White undersøger, kræver dog den mængde data.

"En af de ting, vi virkelig er interesserede i, er, at de processer, der styrer økologiske systemer, ændrer sig afhængigt af den skala, du ser på," sagde han. Hvad påvirker et individuelt træ - mængden af ​​sollys det får baseret på højden af ​​dets naboer, for eksempel — bliver mindre vigtig, når du zoomer længere og længere ud, også ser på en hektar, skov eller økosystem af træer. Større mønstre af nedbør og temperaturudsving bliver vigtigere, når man sammenligner træer i Florida i forhold til dem i New York. "Vi forstår, at disse processer ændrer sig med skalaen, men vi har ikke rigtig haft datasæt, der giver os mulighed for at tænke over det på en slags ret kontinuerlig måde," sagde han.

Lavudlånsbibliotek

I et industriområde i Tempe, Arizona, er der en lav, råhvid bygning. På trods af dets beskedne ydre rummer den faktisk tusindvis af biologiske prøver, både fra Arizona State Universitys naturhistoriske samling og NEONs biodepot. Mikrober, biller, myg og jordprøver vil alle blive opbevaret i bygningen i de 30 år, NEON vil køre. Dem, der skal holdes kolde, opbevares i en kryogen fryser, og ASU tilføjer også en opbevaringsfacilitet for flydende nitrogen. ASUs samling er også udstillet med etuier af sommerfugle, krukker med hvirveldyr og en bjørneskind hængende på væggen. Arizona State Universitys Franz er direktør for samlingen.

“Vi absorberer omkring 110.00 prøver årligt ifølge den erklæring om arbejde, vi i øjeblikket har med NEON," sagde han, "og omkring 70 pct. af disse prøver skal opbevares køligt." I flere måneder modtog anlægget daglige leveringer af prøver, nogle gange flere gange dag. Nogle af NEONs websteder har indsamlet prøver så langt tilbage som i 2013. Selvom korrekt opbevaring af disse prøver er en vigtig komponent i, hvad Franzs team gør, skal de også katalogisere og spore dem. "Vi skal faktisk ikke være det sidste stop nogensinde for hver prøve," sagde Franz. "Tværtimod, ikke sandt. Vi formodes at være en slags gennemløb for disse prøver, så der kan udføres yderligere forskning."

For at lave NEON's hoveddataportal nyttigt for forskere, skal biodepotets personale indtaste en masse information baseret på Darwin Core Standard. "Dette er relativt tæt på noget som en lingua franca, som en bredt, globalt brugt standard til at overføre og kommentere data i forhold til naturhistoriske samlingsprøver,” sagde Franz. Det er beregnet til at give forskere alt, hvad de behøver at vide om en prøve, de ikke selv har indsamlet: Hvor, hvornår og hvordan blev den indsamlet; dets taksonomiske navn og hvordan det blev identificeret. "Vi kan også registrere forhold mellem prøver," sagde Franz. "Så, for eksempel, hvis 'A' er en kendt parasit af 'B', har vi prøver fra flåter, der blev taget fra pattedyr."

Nogle af de anmodninger, Franz har fået, kunne hjælpe med en amerikansk version af en insektapokalypseundersøgelse. University of Oklahoma ser på ændringer i mængden af ​​hvirvelløse dyr på omkring 50 steder, sagde han. De bruger det, der kaldes faldgrubefældeprøver. Plastkopper efterlades i jorden i dage eller uger og samler edderkopper, biller, regnorme og andre hvirvelløse dyr. Fra disse prøver kan forskere ekstrapolere om antallet af sådanne dyr på hvert sted, såvel som deres kropsstørrelse. Forskerne ser allerede forskelle på tværs af forskellige regioner. "Der ser ud til at være subregionale tendenser til denne insektapokalypse, som er ret interessante," sagde Franz.

Pause for pandemien

Måske forestiller du dig en økolog som en, der holder en udklipsholder og bærer gummistøvler midt i en skov. Måske er dit billede af et NEON-sted af sensorer, der nynner med, ingen mennesker i syne. NEON har 181 dataprodukter — samlinger af målinger såsom barometertryk eller infrarød temperatur eller CO2-koncentrationer — som den udsender; 108 af dem kræver menneskelige observatører. "Vi stoler meget på observationsprøver," sagde Zoe Gentes, en senior kommunikationsspecialist hos Battelle, som administrerer NEON. "Men derudover har vores automatiserede systemer brug for vedligeholdelse."

"Det er noget, der virkelig ramte mig inden for de første par uger af COVID," sagde Mabee, NEONs chefforsker. “Jeg anede bare ikke, hvor meget vedligeholdelsessensorer det skulle til at blive opdateret og få deres batterier udskiftet og ting og sager." Gentes sagde, at mange af sensorerne har holdt sig meget godt, undtagen i tilfælde af strømafbrydelser eller oversvømmelse. NEONs luftbårne observationsplatform er nu begrænset til visse dele af USA, der ikke kræver kommercielle flyvninger, fordi NEON ikke tillader sit personale at flyve, sagde Mabee. "Dette er ikke et vigtigt job," sagde hun. "Det er vigtigt for os. Det er vores job. Men det er ikke vigtigt arbejde."

Se dette opslag på Instagram

Det er en #TowerTuesday-solopgang ved NEONs LAJA flux-tårn i Puerto Rico (2019).⠀ ⠀ Lajas Experimental Station (LAJA) er placeret på Lajas forsknings- og udviklingscenter, en af ​​seks landbrugseksperimentstationer i Puerto Rico. Det er en del af NEONs Atlantic Neotropical Domain (D04). Størstedelen af ​​jorden ejes af University of Puerto Rico Mayaguez Campus. Beliggende i det sydvestlige hjørne af øen, hvor det er relativt tørt, giver markpladsen en fremragende kontrast til de uberørte skovforhold på Guánica markpladsen (GUAN). Data indsamlet på LAJA vil hjælpe forskere med at evaluere virkningen af ​​landbrug og menneskelig aktivitet på det lokale økosystem og overvåge disse påvirkninger over tid.⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #PuertoRico #sunrise #research #NEONscience #NEONdata #opendata #ecology #ecoscience #science #fluxtower

Et opslag delt af NEON Videnskab (@neon.sci) på 11. august 2020 kl. 9.30 PDT

Mens NEON har kigget på måder at gøre feltøkologi sikker at udføre under pandemien, mener Mabee, at dets praktikere måske tager et ekstra kig på projektet nu. "Sikkert i COVID-tider tror jeg, at folk har sat sig ved deres computere og ikke er kommet for meget ud i marken," sagde hun. "Og så det har virkelig sat fokus på disse typer data."

I de tidlige dage af NEON var der en frygt blandt nogle videnskabsmænd, at det forsøgte fuldt ud at erstatte feltarbejde. "Jeg tror, ​​de på en måde misbrandede NEON i starten, fordi de siger "åh, nu kan du lave økologi fra dit skrivebord," sagde Cramer, der har studeret mus i Wisconsin. "Og der er en stor del af økologer, der sagde:" Ja, det er ikke derfor, vi gik ind i økologi. Vi vil gerne udenfor."

Andre kritikpunkter af NEON var, at det kunne føre til laver videnskab "baglæns,” at skabe data og derefter søge efter en hypotese. Der var bekymring for, at NSF's Langsigtet økologisk forskningsnetværk ville miste finansiering til fordel for NEON. "Det hjælper ikke, at NEON er kommet på et tidspunkt, hvor der har været en frygtelig masse angst over faldende finansiering til videnskab," sagde Clark fra Duke University.

Det tog så lang tid for projektet at komme helt i gang, at der i mellemtiden kom en helt ny generation af økologer ind i faget. Ved sidste års Ecological Society of Americas årsmøde, Dr. Kyla Dahlin tweeted: “Er træt af at høre sure gamle mænd klage over @NEON_sci? Kom og hør fra faktiske NEON-brugere..."

Terrestrisk økolog Nagy har været involveret i noget træning for at sikre, at ingen økologer bliver efterladt. "Jeg tror, ​​det er en af ​​de første udfordringer, det er bare at sikre, at økologer generelt har de nødvendige færdigheder til at bruge data som denne," sagde hun. "Det er en virkelig fed ressource, fordi den er frit og åbent tilgængelig for alle, men du skal have denne viden om, hvordan du bruger dataene for at gøre dem nyttige."

Et økosystem af økologer

"Jeg tror, ​​at en af ​​de mest, hvis ikke den mest, spændende ting ved NEON er potentialet for at fremme fællesskab og bredere samarbejde inden for økologi mere generelt," sagde White. Hans gruppe arbejder sammen med forskere fra skolens datalogi- og skovafdelinger på hans træprojekter. Han arbejder på at kombinere NEON-data med nogle fra U.S. Forest Service's Forest Inventory and Analysis-program. Ligesom at integrere to datasæt kræver det at skabe et team fra forskellige videnskabelige baggrunde at skabe et fælles ordforråd.

Selv uden for NEON er økologi blevet udvidet til at passe til større data og større spørgsmål. White bemærkede det for et årti siden, da han begyndte at undervise i datalogi. "Der er mange, mange laboratorier nu, som ikke selv indsamler feltdata, men blot arbejder på data, der kan fås fra fjernsensorprodukter eller andre netværksprodukter," sagde Clark. Desai gentager det. "Vi kan have studerende, der arbejder på feltsteder, som de aldrig har set," sagde han. "Og det er måske lidt anderledes - ubehageligt - for nogle mennesker i økologi."

Desai har set NEONs udvikling indefra og udefra. Tidligere var han medlem af dets rådgivende udvalg for videnskab, teknologi og uddannelse. Hans følelser omkring projektet er blandede. Han roser de videnskabsmænd, der arbejder der, men siger, at ledelsen har haft sine op- og nedture. NEON har hjulpet med at bringe tiltrængt standardisering til værktøjer og målinger, der er afgørende for at besvare nogle af økologiens store spørgsmål. Mange økologer tror, ​​at NEONs data vil hjælpe med at begynde at besvare nogle af disse spørgsmål.

"Hvis du taler med National Science Foundation, siger de altid," NEON er ikke sagen. Makrosystembiologi er sagen," sagde Desai. "Neon er værktøjet til at få den videnskab til at ske. Og hvis det viser sig, at vi har brug for et andet værktøj om 10 år, så må det være sådan."