NEON est un observatoire écologique de 460 millions de dollars pour les États-Unis.

En novembre 2018, le New York Times Magazine a publié un article intitulé Apocalypse des insectes. Elle s’appuie en grande partie sur des études sur l’abondance des insectes en Europe centrale. L’article a suscité beaucoup d’attention, notamment celle du Dr Nico Franz, professeur à la School of Life Sciences de l’Arizona State University. « Je ne peux pas être le seul entomologiste – un passionné d’insectes – à se demander: « Wow, avons-nous même des données à ce sujet aux États-Unis? » », a-t-il déclaré. Il n’y a vraiment pas eu dans le passé, mais il existe désormais un énorme projet qui tente de rassembler ce genre d’informations pour l’avenir.

Le National Ecological Observatory Network (NEON) est un groupe de sites à travers les États-Unis où des écologistes et des outils collectent des quantités de données pour tenter d'avoir une vue d'ensemble de la situation.

changement climatique, biodiversité, les ressources en eau douce et d’autres problèmes écologiques complexes. Il n’est pleinement opérationnel que depuis l’année dernière – et puis la pandémie est arrivée. Mais c’est loin d’être le premier défi auquel ce projet ambitieux sera confronté, et ce ne sera certainement pas le dernier. NEON est censé continuer à collecter des données pendant encore plusieurs décennies.

Plus de deux décennies de préparation, 30 ans dans le futur

L'histoire de NEON remonte à la fin des années 1990 et au début des années 2000, avec des écologistes et des biologistes poussant à la création d'un réseau transcontinental, quelque chose qui s'apparente à un réseau de capteurs de tremblement de terre, mais pour l'écologie plutôt que pour les tremblements de terre. Ils ont contacté la National Science Foundation (NSF) avec l'idée et le coût: près de 400 millions de dollars pour la construction, plus des millions de dollars par an pour le fonctionnement, pendant trois décennies. « Il s’agit d’un investissement vraiment énorme de la part de la National Science Foundation, du jamais vu auparavant. cette échelle au sein de l'écologie », a déclaré le Dr Chelsea Nagy, écologiste terrestre à l'Université du Colorado. Rocher.

Le site final était opérationnel l'année dernière, et l'intervalle entre la première idée et maintenant a été semé de toutes sortes de maux de tête. Il y avait problèmes de financement avec le Congrès, ça venait au dessus du budget (ça a fini par coûter 460 millions de dollars), et suivi du projet changé de mains. La NSF a alors choisi Battelle, qui gère plusieurs laboratoires nationaux, pour superviser NEON. L'année dernière, l'organisation a licencié deux membres du personnel de haut niveau, obligeant les autres à démissionner. Mais quelques mois plus tard, en mai 2019, NEON est devenu complètement opérationnel.

Cependant, ce n’était pas comme si les lumières – et les capteurs – s’allumaient d’un seul coup. Bon nombre des 81 sites de NEON collectent des données depuis des années déjà. Il y a 81 sites dans 20 domaines, y compris la toundra et la taïga en Alaska, les plaines du sud couvrant une bonne partie du Texas et les grands lacs, avec quelques sites dans le Wisconsin. Ces zones écoclimatiques sont censées représenter la diversité des terrains, des écosystèmes et de la végétation des États-Unis.

Sur chaque site, un ensemble de technologies, ainsi que du personnel de terrain, sont censés recueillir des observations sur les plantes, les animaux, la météo, l'eau, le sol, etc. Avec des outils et des mesures standardisés, les données devraient être plus faciles à comparer.

Cela peut paraître simple, mais l’écologie ne fonctionne pas toujours de cette façon. « L’une des particularités de l’écologie, historiquement, c’est que nous avons eu tendance à poser une question particulière dans un endroit particulier en utilisant un ensemble particulier de méthodes, puis personne ne fait plus jamais exactement la même chose », a déclaré le Dr Ethan White, professeur au Département d'écologie et de conservation de la faune de l'Université de Floride. "Et ainsi, lorsque les conclusions d'un ensemble d'articles diffèrent de celles d'un autre ensemble, nous ne savons pas vraiment exactement pourquoi ces conclusions sont différentes."

"Je fais actuellement une méta-analyse et je rassemble des études individuelles", a déclaré Nagy de l'Université du Colorado. « Et donc pour cela, il est vraiment difficile d’analyser les données collectées par de nombreuses personnes différentes de différentes manières, car parfois elles mesurent des choses différentes, et parfois ils mesurent la même chose, mais ils utilisent une méthode différente. Avec NEON, a-t-elle déclaré, tout ce qui est collecté sur les sites est effectué en utilisant la même méthodologie, ce qui facilite la collecte de données. comparer.

Les données sont également intégrées spatialement, ce qui signifie qu’il s’agit d’un ensemble de mesures collectées sur le même site. "Ce que cela offre à un chercheur, par exemple, même sur ce seul site, c'est un moyen d'intégrer simplement toutes ces données", a déclaré le Dr Paula Mabee, scientifique en chef et directrice de l'observatoire de NEON. Malgré ses plus de 8 000 capteurs, NEON n’est pas conçu pour tout surveiller.

« De nombreux sites NEON se trouvent dans des endroits où les espèces envahissantes sont activement éliminées. Ils ne vont donc certainement pas nous aider », a déclaré le Dr James Clark, écologiste à l’Université Duke. Nagy s’intéresse à l’impact des incendies de forêt sur les espèces envahissantes, mais comme les sites de NEON n’ont pas brûlé, elle ne peut pas les inclure dans ses recherches.

La collecte régulière de données d’Hawaï à Porto Rico vise à répondre à six »grands défis en sciences de l'environnement", comme l'impact des humains sur la biodiversité et la manière de prévenir les maladies infectieuses pour une variété d'espèces. Des caméras, des pièges et des milliers de capteurs sont installés sur chaque site. Les chercheurs peuvent examiner la biogéochimie, les microbes du sol, les informations de télédétection et les données aquatiques pour obtenir une idée de la façon dont ils interagissent, ainsi que de la façon dont les changements se manifestent chez les mammifères, les minéraux et microbes.

"Bien que Neon ne soit pas une expérience – nous ne manipulons pas les forêts ou les systèmes en effectuant des mesures sur le long terme – vous commencez à voir les écosystèmes comme un système complexe », a déclaré le Dr Ankur Desai, professeur à l'Université de Wisconsin-Madison. « Toutes ces différentes parties – le cycle de l’eau, le cycle du carbone, les espèces qui interagissent – ​​changent toutes. Et c’est l’espoir que nous obtenions suffisamment d’informations dans suffisamment d’endroits différents pour donner un sens au monde qui nous entoure.

La grande détection de souris

Si vous vous retrouvez confronté à une petite souris à la fourrure brune; un ventre blanc et de grands yeux sombres, cela ne sera probablement pas immédiatement visible si vous regardez une souris sylvestre à pattes blanches ou une souris sylvestre des bois. Le truc, c'est la longueur des oreilles. Les deux espèces se trouvent dans le haut Midwest et sont essentielles aux recherches du Dr Michael J. Cramer, directeur adjoint du Centre de recherche environnementale de l'Université de Notre Dame dans le Wisconsin.

"Ils servent de système modèle pour aider à comprendre comment les populations naturelles réagissent aux changements environnementaux, c'est pourquoi je les étudie", a-t-il déclaré. Les hiboux, les faucons, les belettes et les renards se nourrissent tous de souris, qui se nourrissent elles-mêmes de plantes et de graines. "Ces souris se trouvent en plein milieu du réseau alimentaire", a déclaré Cramer. Leur présence a un impact non seulement sur les animaux qui les mangent, mais aussi sur les espèces d'arbres qui en dépendent pour disperser leurs graines. Ensuite, il y a la concurrence, comme les écureuils et les tamias, qui mangent certaines des mêmes ressources.

"Si vous avez une population de souris en bonne santé, cela indique généralement un système qui fonctionne bien, en termes de dynamique forestière", a déclaré Cramer. Il attrape les souris, les marque, les relâche et les reprend pour avoir une idée du nombre de souris qui se trouvent dans les forêts qui s'étendent au sommet du Wisconsin et dans la péninsule supérieure du Michigan.

La zone est assez isolée, ce qui est probablement assez agréable pour les souris mais pas nécessairement utile pour toutes les questions auxquelles Cramer espère répondre. « Nous sommes entourés sur trois côtés par une forêt nationale, nous ne sommes donc pas un système dominé par l’homme », a-t-il déclaré. Mais NEON piège et relâche également ces souris sur un autre site, appelé Treehaven, à environ une heure et demie de route. "Je peux examiner leurs données, sur la base des observations que j'ai faites dans un environnement relativement vierge, puis les comparer aux données de NEON qui est collecté dans des environnements non vierges, et j'essaie de tirer des conclusions sur la façon dont je pense que les souris réagissent au niveau de l'espèce », a-t-il déclaré. dit.

Même s’il s’agit de souris des forêts – pas du type que l’on trouve généralement dans une maison, a déclaré Cramer – il est toujours important de les suivre pour la santé humaine. Ce sont des réservoirs de la maladie de Lyme. « Ils ne propagent pas la maladie de Lyme, mais ils la maintiennent au sein de cette population », a-t-il déclaré. Et ces souris se trouvent dans de nombreux États des États-Unis. Si Cramer voulait faire quelques comparaisons entre les Yooper souris et celles d’autres régions, il aurait besoin d’une énorme subvention et d’une armée d’étudiants diplômés, a-t-il déclaré.

Au lieu de cela, "je peux utiliser des données provenant d'autres sites, d'autres types d'habitats et d'autres biomes, et également essayer de faire des comparaisons sur ce que je pense que font les souris en utilisant les données de NEON", a-t-il déclaré. "Cela me permet d'étendre mes déductions à des échelles beaucoup plus grandes."

Bien que l’approche de Cramer soit relativement rudimentaire – « Je n’ai pas l’argent nécessaire pour acheter autant de petits colliers radio pour chaque souris », a-t-il déclaré – les sites NEON disposent de nombreux outils.

À quel point cette vallée est-elle verte ?

A intervalles réguliers, NEON survole ses nombreux sites avec un avion. À bord de l'avion se trouvent des caméras, un lidar et des spectromètres d'imagerie. Les spectromètres fournissent images hyperspectrales, qui sont haute résolution et captent la lumière que l’œil humain ne peut pas voir. C’est un peu comme mettre un filtre couleur sur un appareil photo, mais pour des centaines de couleurs. Ethan White tente de déterminer les espèces d'arbres à partir de ces images hyperspectrales.

Selon leur couleur, les feuilles réfléchissent et absorbent différentes longueurs d’onde de lumière. Si vous cartographiez la réflectance de toutes les couleurs de la lumière, vous obtenez un spectre. La mesure de ce spectre à chaque pixel de l’image révèle différents traits des feuilles, comme la quantité d’azote ou de phosphore. Votre appareil photo typique capturera la lumière dans le spectre visible – ou rouge, vert et bleu. Une image hyperspectrale provient d'un appareil qui enregistre 426 bandes spectrales. "Cela peut nous permettre de voir les différences entre les plantes, en particulier d'en haut", a déclaré White de l'Université de Floride. "Il serait difficile de voir si tout semble vert, mais nous pourrions voir de grandes différences entre deux choses qui étaient vertes en utilisant des informations différentes provenant de cette imagerie hyperspectrale."

Être capable de voir les différences de couleur détaillées entre les feuilles d'un chêne turc et d'un chêne vert des sables nécessite d'énormes fichiers d'images. "Nous travaillons avec des téraoctets et des téraoctets d'images", a déclaré White. "Nous effectuons de grandes quantités de calculs très intensifs dans le centre de calcul haute performance de l'Université de Floride, qu'ils appellent HiPerGator, parce que nous aimons vraiment les alligators ici."

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Ce n'est pas seulement joli, c'est informatif! Image de la plate-forme d'observation aéroportée (AOP) de NEON au-dessus du site de Yellowstone (YELL).⠀ ⠀ Lidar, ou "Light Detection and Ranging", est un système de télédétection actif dans lequel la lumière est émise par un laser à tir rapide à bord d'un avion. Cette lumière se propage vers le sol et se reflète sur des surfaces telles que des branches d'arbres. L’énergie lumineuse réfléchie retourne ensuite au capteur où elle est enregistrée – le lidar mesure le temps nécessaire à la lumière émise pour se rendre au sol et revenir. Les scientifiques peuvent utiliser des données de télédétection comme celles-ci pour étudier la structure de la végétation dans toutes les régions.⠀ ⠀ Apprenez-en davantage sur les données de télédétection de NEON capacités de détection, AOP, et toutes nos données sur notre site !⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #remotesensing #lidar #NEONdata #opendata #NEONscience #research #travaildeterrain

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Bien que White enseigne depuis environ une décennie un cours d’introduction à l’informatique pour les biologistes, il a déclaré qu’à un niveau plus large, son domaine doit encore rattraper son retard. « S’engager dans cette démarche avec des données à l’échelle actuellement produites par NEON est quelque chose de très peu familier à la plupart des écologistes », a-t-il déclaré. Les types de questions sur lesquelles White se penche nécessitent cependant cette quantité de données.

"L'une des choses qui nous intéresse vraiment est que les processus qui régissent les systèmes écologiques changent en fonction de l'échelle à laquelle vous regardez", a-t-il déclaré. Ce qui affecte un arbre individuel: la quantité de lumière solaire qu'il reçoit en fonction de la hauteur de ses voisins, par exemple. exemple - devenez moins important à mesure que vous zoomez de plus en plus loin, regardez également un acre, une forêt ou un écosystème de des arbres. Les schémas de précipitations et les fluctuations de température plus importants deviennent plus importants lorsque l’on compare les arbres de Floride à ceux de New York. « Nous comprenons que ces processus changent avec l’échelle, mais nous ne disposons pas vraiment d’ensembles de données qui nous permettent d’y réfléchir de manière assez continue », a-t-il déclaré.

Bibliothèque de prêt de lichens

Dans une zone industrielle de Tempe, en Arizona, se trouve un bâtiment bas et blanc cassé. Malgré son extérieur sans prétention, il abrite en fait des milliers d'échantillons biologiques, provenant à la fois de la collection d'histoire naturelle de l'Arizona State University et Le biodépôt de NEON. Les microbes, les coléoptères, les moustiques et les échantillons de sol seront tous stockés dans le bâtiment pendant les 30 années que NEON fonctionnera. Ceux qui doivent être conservés au froid sont stockés dans un congélateur cryogénique, et ASU ajoute également une installation de stockage d'azote liquide. La collection de l'ASU est également exposée, avec des caisses de papillons, des bocaux de vertébrés et un peau d'ours accrochée au mur. Franz, de l'Arizona State University, est le directeur de la collection.

“Nous absorbons environ 110 00 échantillons par an, selon l'énoncé des travaux que nous avons actuellement avec NEON », a-t-il déclaré, « et environ 70 pour cent de ces échantillons doivent être conservés au frais. Pendant plusieurs mois, l'établissement recevait des livraisons quotidiennes d'échantillons, parfois plusieurs fois par jour. jour. Certains sites de NEON collectent des échantillons depuis 2013. Bien que le stockage approprié de ces échantillons soit un élément important du travail de l’équipe de Franz, elle doit également les cataloguer et les suivre. "Nous ne sommes pas censés être, pour chaque échantillon, le dernier arrêt", a déclaré Franz. « Au contraire, c’est vrai. Nous sommes censés être en quelque sorte un relais pour ces échantillons, afin que des recherches supplémentaires puissent être effectuées.

Afin de fabriquer des NEON portail de données principal utile aux chercheurs, le personnel du biodépôt doit saisir de nombreuses informations, basées sur le Darwin Core Standard. "C'est relativement proche de quelque chose comme un lingua franca, comme une norme largement utilisée à l’échelle mondiale pour transférer et annoter des données relatives aux spécimens de collections d’histoire naturelle », a déclaré Franz. Il vise à fournir aux chercheurs tout ce qu’ils doivent savoir sur un échantillon qu’ils n’ont pas collecté eux-mêmes: où, quand et comment il a été collecté; son nom taxonomique et comment il a été identifié. "Nous pouvons également enregistrer les relations entre les échantillons", a déclaré Franz. « Ainsi, par exemple, si « A » est un parasite connu de « B », nous avons des échantillons de tiques prélevés sur des mammifères. »

Certaines des demandes reçues par Franz pourraient l’aider dans une version américaine d’une étude sur l’apocalypse des insectes. L'Université d'Oklahoma étudie les changements dans le volume d'invertébrés sur environ 50 sites, a-t-il déclaré. Ils utilisent ce qu’on appelle des échantillons de pièges à pièges. Des gobelets en plastique sont laissés dans le sol pendant des jours ou des semaines, collectant des araignées, des coléoptères, des vers de terre et d'autres invertébrés. À partir de ces échantillons, les chercheurs peuvent extrapoler le nombre de ces animaux sur chaque site, ainsi que leur taille. Les chercheurs constatent déjà des différences selon les régions. "Il semble y avoir des tendances sous-régionales assez intéressantes dans cette apocalypse des insectes", a déclaré Franz.

Pause pour la pandémie

Peut-être imaginez-vous un écologiste comme quelqu'un tenant un presse-papiers et portant des bottes en caoutchouc au milieu d'une forêt. Peut-être que votre image d'un site NEON est celle de capteurs bourdonnant, sans aucun humain en vue. NÉON a 181 produits de données — des collections de mesures telles que la pression barométrique, la température infrarouge ou les concentrations de CO2 — qu'il diffuse; 108 d’entre eux nécessitent des observateurs humains. "Nous nous appuyons énormément sur l'échantillonnage observationnel", a déclaré Zoe Gentes, spécialiste principale des communications chez Battelle, qui gère NEON. "Mais en plus de cela, nos systèmes automatisés ont besoin de maintenance."

"C'est quelque chose qui m'a vraiment frappé au cours des premières semaines de COVID", a déclaré Mabee, scientifique en chef de NEON. « Je n'avais tout simplement aucune idée de la quantité de maintenance nécessaire pour rafraîchir les capteurs et remplacer leurs piles. truc." Gentes a déclaré que de nombreux capteurs ont très bien résisté, sauf en cas de panne de courant ou inondation. La plateforme d’observation aéroportée de NEON est désormais limitée à certaines régions des États-Unis qui ne nécessitent pas de vols commerciaux, car NEON n’autorise pas son personnel à voler, a déclaré Mabee. "Ce n'est pas un travail essentiel", a-t-elle déclaré. « C’est important pour nous. C'est notre travail. Mais ce n’est pas un travail essentiel.

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C'est un lever de soleil #TowerTuesday à la tour de flux LAJA de NEON à Porto Rico (2019).⠀ ⠀ La station expérimentale de Lajas (LAJA) est situé au Centre de recherche et de développement de Lajas, l'une des six stations d'expérimentation agricole de Puerto Rico. Il fait partie du Domaine néotropical atlantique (D04) de NEON. La majorité du terrain appartient au campus Mayaguez de l'Université de Porto Rico. Situé dans le coin sud-ouest de l’île, où il est relativement aride, le site offre un excellent contraste avec les conditions forestières vierges du site de Guánica (GUAN). Les données recueillies au LAJA aideront les chercheurs à évaluer l'impact de l'agriculture et de l'activité humaine sur l'écosystème local et à surveiller ces impacts au fil du temps.⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #PuertoRico #sunrise #research #NEONscience #NEONdata #opendata #ecology #ecoscience #science #tour de flux

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Alors que NEON cherche des moyens de rendre l’écologie de terrain sûre pendant la pandémie, Mabee pense que ses praticiens pourraient maintenant réexaminer le projet. "Certainement, à l'époque de la COVID, je pense que les gens se sont assis devant leur ordinateur et ne sont pas trop allés sur le terrain", a-t-elle déclaré. "Et donc cela a vraiment mis en lumière ce type de données."

Au début de NEON, certains scientifiques craignaient que celui-ci tente de remplacer complètement le travail sur le terrain. "Je pense qu'ils ont en quelque sorte mal étiqueté NEON au départ parce qu'ils disaient: 'oh, maintenant vous pouvez faire de l'écologie depuis votre ordinateur'", a déclaré Cramer, qui étudie les souris dans le Wisconsin. « Et il y a une grande partie des écologistes qui disaient: « Ouais, ce n’est pas pour ça que nous nous sommes lancés dans l’écologie. Nous voulons sortir.’»

D'autres critiques à l'encontre de NEON étaient qu'il pourrait conduire à faire la science « à l’envers »», créer des données, puis rechercher une hypothèse. On craignait que la NSF Réseau de recherche écologique à long terme perdrait son financement au profit de NEON. "Le fait que NEON soit apparu à un moment où il y avait énormément d'angoisse face au déclin du financement de la science n'aide pas", a déclaré Clark, de l'Université Duke.

Il a fallu tellement de temps pour que le projet démarre pleinement, qu'entre-temps, une toute nouvelle génération d'écologistes s'est lancée dans cette discipline. L'année dernière Société écologique d'Amériqueassemblée annuelle, Dr Kyla Dahlin tweeté: « Fatigué d’entendre des vieillards grincheux se plaindre @NEON_sci? Venez entendre les vrais utilisateurs de NEON… »

L'écologiste terrestre Nagy a participé à une formation pour s'assurer qu'aucun écologiste ne soit laissé pour compte. « Je pense que l’un des premiers défis consiste simplement à s’assurer que les écologistes en général possèdent les compétences nécessaires pour utiliser des données comme celles-ci », a-t-elle déclaré. "C'est une ressource vraiment intéressante car elle est accessible gratuitement à tous, mais vous devez avoir ces connaissances sur la façon d'utiliser les données pour les rendre utiles."

Un écosystème d'écologistes

"Je pense que l'une des choses les plus passionnantes, sinon la plus passionnante, à propos de NEON est le potentiel de promotion de la communauté et d'une collaboration plus large au sein de l'écologie en général", a déclaré White. Son groupe travaille avec des chercheurs des départements d’informatique et de foresterie de l’école sur ses projets d’arbres. Il travaille à combiner les données NEON avec certaines du programme d’inventaire et d’analyse forestiers du Service forestier des États-Unis. Tout comme l’intégration de deux jeux de données, créer une équipe issue d’horizons scientifiques différents nécessite de créer un vocabulaire commun.

Même en dehors de NEON, l’écologie s’est développée pour s’adapter à des données et à des questions plus vastes. White l'a remarqué il y a dix ans lorsqu'il a commencé à enseigner l'informatique. "Il existe désormais de très nombreux laboratoires qui ne collectent pas eux-mêmes de données sur le terrain, mais travaillent simplement sur des données pouvant être obtenues à partir de produits de télédétection ou d'autres produits de réseau", a déclaré Clark. Desai fait écho à cela. « Il se peut que des étudiants travaillent sur des chantiers qu’ils n’ont jamais vus », a-t-il déclaré. "Et c'est peut-être un peu différent – ​​inconfortable – pour certaines personnes en écologie."

Desai a observé le développement de NEON de l’intérieur et de l’extérieur. Auparavant, il était membre de son comité consultatif sur la science, la technologie et l'éducation. Ses sentiments sur le projet sont mitigés. Il fait l'éloge des scientifiques qui y travaillent mais affirme que sa gestion a connu des hauts et des bas. NEON a contribué à apporter une standardisation indispensable aux outils et aux mesures qui sont cruciaux pour répondre à certaines des grandes questions de l’écologie. De nombreux écologistes pensent que les données de NEON aideront à répondre à certaines de ces questions.

« Si vous parlez à la National Science Foundation, ils disent toujours: « NEON n’est pas la solution ». La biologie des macrosystèmes est la clé », a déclaré Desai. « Neon est l'outil qui permet de réaliser cette science. Et s’il s’avère que nous avons besoin d’un outil différent dans 10 ans, qu’il en soit ainsi.