NEON je ekološki opservatorij vrijedan 460 milijuna dolara za SAD.

U studenom 2018. The New York Times Magazine objavio je članak pod nazivom Apokalipsa insekata. Uvelike se temeljio na studijama o brojnosti insekata u srednjoj Europi. Članak je izazvao mnogo pozornosti, uključujući i članak dr. Nica Franza, profesora na Fakultetu znanosti o životu Državnog sveučilišta u Arizoni. "Ne mogu biti jedini entomolog - osoba koja se bavi kukcima - koji se pitao, 'vau, imamo li uopće podatke za to u SAD-u?'", rekao je. Stvarno nije bilo u prošlosti, ali sada postoji ogroman projekt koji pokušava prikupiti takve informacije za budućnost.

Nacionalna mreža ekoloških opservatorija (NEON) skupina je stranica diljem SAD-a na kojima ekolozi i alati prikupljaju hrpu podataka kako bi pokušali dobiti širu sliku klimatske promjene, biološka raznolikost, slatkovodni resursi i druga složena ekološka pitanja. U potpunosti radi tek od prošle godine - a onda se dogodila pandemija. No to je daleko od prvog izazova s ​​kojim će se ambiciozni projekt suočiti, a sigurno neće biti ni posljednji. NEON bi trebao nastaviti prikupljati podatke još nekoliko desetljeća.

Više od dva desetljeća u izradi, 30 godina u budućnost

Povijest NEON-a seže u kasne 1990-e i rane 2000-e, s ekolozima i biolozima koji su se zalagali za stvaranje prekokontinentalne mreže, nešto slično mreži senzora potresa, ali za ekologiju umjesto za potrese. Obratili su se Nacionalnoj zakladi za znanost (NSF) s idejom i cijenom - gotovo 400 milijuna dolara za izgradnju, plus milijuni dolara godišnje za rad, tri desetljeća. “To je stvarno golema investicija Nacionalne zaklade za znanost, kakva do sada nije viđena ovom razmjeru unutar ekologije,” rekla je dr. Chelsea Nagy, zemaljska ekologinja sa Sveučilišta Colorado. Boulder.

Konačna stranica pokrenuta je prošle godine, a prijelaz između prve ideje i sadašnjeg trenutka bio je opterećen raznoraznim glavoboljama. Bilo ih je pitanja financiranja s Kongresom, otišlo je iznad budžeta (na kraju je koštalo 460 milijuna dolara), i nadzor projekta promijenio vlasnika. NSF je zatim odabrao tvrtku Battelle, koja vodi nekoliko nacionalnih laboratorija, da nadzire NEON. Samo prošle godine, organizacija otpustio dva člana osoblja na visokoj razini, zbog čega drugi daju otkaz. Ali onda, nekoliko mjeseci kasnije, u svibnju 2019., NEON je postao potpuno operativan.

Međutim, nije bilo kao da su se svjetla - i senzori - upalili odjednom. Mnoga od NEON-ovih 81 mjesta već godinama prikupljaju podatke. Tamo su 81 stranica u 20 domena, uključujući tundru i tajgu na Aljasci, južne ravnice koje pokrivaju dobar dio Teksasa i velika jezera, s nekoliko mjesta u Wisconsinu. Ove ekoklimatske zone trebale bi predstavljati raznolike terene, ekosustave i vegetaciju SAD-a.

Na svakom mjestu, niz tehnologije, kao i terensko osoblje, trebali bi prikupiti zapažanja o biljkama, životinjama, vremenu, vodi, tlu i još mnogo toga. Uz standardizirane alate i mjerenja, podatke bi trebalo biti lakše usporediti.

Možda zvuči jednostavno, ali ekologija ne funkcionira uvijek tako. “Jedna od stvari vezanih uz ekologiju, povijesno gledano, jest da smo bili skloni postavljati određeno pitanje na određenoj lokaciji koristeći određeni skup metoda, a zatim nitko nikada više ne radi istu stvar”, rekao je dr. Ethan White, profesor na Odsjeku za ekologiju i zaštitu divljih životinja na Sveučilištu Florida. "I tako, kada se zaključci do kojih je došao jedan skup radova razlikuju od drugog skupa, nismo baš sigurni zašto su ti zaključci drugačiji."

"Trenutno radim meta-analizu i prikupljam pojedinačne studije", rekao je Nagy sa Sveučilišta Colorado. „Za to je stvarno teško analizirati podatke koje su prikupili mnogi različiti ljudi na mnogo različitih načina, jer ponekad mjere različite stvari, a ponekad oni mjere istu stvar, ali koriste drugu metodu." S NEON-om, rekla je, sve prikupljeno na svim stranicama radi se istom metodologijom, što olakšava usporediti.

Podaci su također prostorno integrirani - što znači da je to hrpa mjerenja prikupljenih s istog mjesta. "Ono što pruža istraživaču, na primjer, čak i na toj jednoj lokaciji, je način da se jednostavno integriraju svi ti podaci", rekla je dr. Paula Mabee, glavna znanstvenica NEON-a i direktorica opservatorija. Unatoč svojih više od 8000 senzora, NEON nije dizajniran da nadzire sve.

“Mnogo NEON lokacija je na mjestima gdje se aktivno uklanjaju invazivne vrste. Tako da nam oni sigurno neće pomoći u tome”, rekao je dr. James Clark, ekolog sa Sveučilišta Duke. Nagy zanima kako šumski požari utječu na invazivne vrste, ali kako NEON-ove lokacije nisu gorjele, ne može ih uključiti u svoje istraživanje.

Redovito prikupljanje podataka od Havaja do Portorika ima za cilj odgovoriti na šest “velike izazove u znanostima o okolišu”, poput toga kako ljudi utječu na biološku raznolikost i kako spriječiti zarazne bolesti za razne vrste. Na svakom su mjestu postavljene kamere, zamke i tisuće senzora. Istraživači mogu pogledati biogeokemiju, mikrobe u tlu, podatke daljinskog očitavanja i podatke o vodi kako bi dobili osjećaj njihove interakcije, kao i kako se promjene manifestiraju u sisavcima, mineralima i mikrobi.

"Iako Neon nije eksperiment - mi ne manipuliramo šumama ili sustavima vršeći dugoročna mjerenja - počinjete vidjeti ekosustave kao složen sustav,” rekao je dr. Ankur Desai, profesor na Sveučilištu u Wisconsin-Madison. “Svi ovi različiti dijelovi - ciklus vode, ciklus ugljika, vrste koje su u interakciji - svi se mijenjaju. I to je nada, da ćemo dobiti dovoljno informacija na dovoljno različitih mjesta kako bismo shvatili svijet oko nas.”

Sjajno otkrivanje miša

Ako se nađete suočeni s malim mišem smeđeg krzna; bijeli trbuh i velike, tamne oči, to vjerojatno neće biti odmah vidljivo ako gledate bjelonogog jelenjeg miša ili šumskog jelenskog miša. Trik je u dužini uha. Obje vrste nalaze se na gornjem srednjem zapadu i ključne su za istraživanje dr. Michaela J. Cramer, pomoćnik direktora Centra za istraživanje okoliša Sveučilišta Notre Dame u Wisconsinu.

"Oni služe kao model sustava koji pomaže razumjeti kako prirodne populacije reagiraju na promjenu okoliša, zbog čega ih proučavam", rekao je. Sove, jastrebovi, lasice i lisice love miševe, koji sami jedu biljke i sjemenke. "Ovi miševi su točno u sredini hranidbene mreže", rekao je Cramer. Njihova prisutnost utječe ne samo na životinje koje ih jedu, već i na vrste drveća čije sjeme ovise o njima. Tu je i konkurencija, poput vjeverica i vjeverica, koje jedu neke od istih resursa.

"Ako imate zdravu populaciju miševa, to je općenito pokazatelj dobrog rada sustava, u smislu dinamike šume", rekao je Cramer. Hvata miševe, označava ih, pušta i ponovno hvata kako bi stekao dojam koliko ih ima u šumama koje se protežu preko vrha Wisconsina do Gornjeg poluotoka Michigana.

Područje je prilično udaljeno, što je vjerojatno prilično lijepo za miševe, ali ne nužno i toliko korisno za sva pitanja na koja se Cramer nada odgovoriti. "S tri smo strane okruženi nacionalnim šumama, tako da nismo sustav kojim dominiraju ljudi", rekao je. Ali NEON također hvata i pušta te miševe na drugom mjestu, zvanom Treehaven, udaljenom otprilike sat i pol vožnje. "Mogu pogledati njihove podatke, na temelju opažanja koja sam napravio u relativno netaknutom okruženju, i zatim ih usporediti s NEON-ovim podacima koji skupljaju se u netaknutim okruženjima i pokušajte izvući neke zaključke o tome kako mislim da miševi reagiraju na razini vrste,” rekao je rekao je.

Iako se radi o šumskim miševima - nisu tipovi koje obično nalazite u kući, rekao je Cramer - i dalje ih je važno pratiti zbog zdravlja ljudi. Oni su rezervoari lajmske bolesti. "Oni ne šire lajmsku bolest, ali je održavaju u toj populaciji", rekao je. I ti miševi se nalaze u mnogim državama u SAD-u, ako Cramer želi napraviti neke usporedbe između Yooper miševa i onih u drugim regijama, trebat će mu golema stipendija i vojska studenata, rekao je.

Umjesto toga, "mogu koristiti podatke s drugih mjesta i drugih tipova staništa i drugih bioma i također pokušati napraviti usporedbe o tome što mislim da miševi rade koristeći NEON-ove podatke", rekao je. "Omogućuje mi da proširim svoje zaključke na mnogo veće razmjere."

Iako je Cramerov pristup prilično niskotehnološki - "Nemam novca da kupim toliko malih, sićušnih radio ogrlica za svakog miša", rekao je - NEON stranice imaju mnogo alata.

Koliko je zelena ova dolina?

U redovitim intervalima, NEON leti zrakoplovom iznad brojnih mjesta. U avionu se nalaze kamere, lidar i spektrometri za snimanje. Spektrometri omogućuju hiperspektralne slike, koji su visoke rezolucije i hvataju svjetlost koju ljudsko oko ne može vidjeti. To je poput stavljanja filtra boja na kameru, ali za stotine boja. Ethan White pokušava odrediti vrstu drveća na temelju ovih hiperspektralnih slika.

Ovisno o boji, lišće će reflektirati i apsorbirati različite valne duljine svjetlosti. Ako mapirate refleksiju svih boja svjetlosti, dobit ćete spektar. Mjerenje tog spektra na svakom pikselu slike otkriva različite osobine lišća, poput količine dušika ili fosfora. Vaša tipična kamera će uhvatiti svjetlost u vidljivom - ili crvenom, zelenom i plavom - spektru. Hiperspektralna slika dolazi iz uređaja koji bilježi 426 spektralnih vrpci. "Može nam omogućiti da vidimo razlike među biljkama, posebno odozgo", rekao je White sa Sveučilišta Florida. "Bilo bi teško vidjeti izgleda li sve nekako zeleno, ali mogli bismo vidjeti velike razlike između dvije stvari koje su bile zelene korištenjem različitih informacija iz te hiperspektralne slike."

Da biste mogli vidjeti detaljne razlike u boji između lišća hrasta hrasta i pješčanog živog hrasta, potrebne su ogromne slikovne datoteke. "Radimo s terabajtima i terabajtima slika", rekao je White. "Radimo velike količine vrlo intenzivnog računalstva u visokoučinkovitom računalnom centru Sveučilišta u Floridi, koji zovu HiPerGator, jer stvarno volimo aligatore ovdje."

Pogledajte ovu objavu na Instagramu

Nije samo lijepo – informativno je! Slika s NEON-ove zračne promatračke platforme (AOP) iznad polja Yellowstone (YELL).⠀ ⠀ Lidar ili "Svjetlo Detection and Ranging" je aktivni sustav daljinskog otkrivanja u kojem se svjetlost emitira iz brzog lasera na brodu zrakoplov. Ta svjetlost putuje do tla i odbija se od površina poput grana drveća. Energija reflektirane svjetlosti zatim se vraća u senzor gdje se bilježi – lidar mjeri vrijeme koje je potrebno emitiranoj svjetlosti da putuje do tla i natrag. Znanstvenici mogu koristiti podatke daljinskog istraživanja poput ovog za proučavanje strukture vegetacije u regijama.⠀ ⠀ Saznajte više o NEON-ovom daljinskom upravljaču mogućnosti senzora, AOP i svi naši podaci na našoj web stranici!⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #remotesensing #lidar #NEONdata #opendata #NEONscience #research #terenski rad

Objava koju dijeli NEON Znanost (@neon.sci) na 13. kolovoza 2020. u 9:30 PDT

Iako White predaje uvodni sat informatike za biologe već desetak godina, rekao je na široj razini, njegovo područje još mora nadoknaditi zaostatak. "Baviti se ovime s podacima u mjerilu koje sada proizvodi NEON je nešto što je vrlo nepoznato većini ekologa", rekao je. Međutim, vrste pitanja kojima se White bavi zahtijevaju toliku količinu podataka.

"Jedna od stvari koja nas stvarno zanima je da se procesi koji upravljaju ekološkim sustavima mijenjaju ovisno o mjerilu koje gledate", rekao je. Što utječe na pojedinačno stablo - količina sunčeve svjetlosti koju dobiva ovisno o visini svojih susjeda primjer — postanite manje važni kako se sve više približavate, također gledajte hektar, šumu ili ekosustav stabla. Veći obrasci padalina i temperaturnih fluktuacija postaju važniji kada se uspoređuju stabla na Floridi i stabla u New Yorku. "Razumijemo da se ti procesi mijenjaju s razmjerom, ali zapravo nismo imali skupove podataka koji bi nam omogućili da o tome razmišljamo na prilično kontinuiran način", rekao je.

Posudbena knjižnica lišajeva

U industrijskom području Tempea, Arizona, nalazi se niska, prljavo bijela zgrada. Unatoč svojoj skromnoj vanjštini, zapravo sadrži tisuće bioloških uzoraka, kako iz prirodoslovne zbirke Državnog sveučilišta Arizona tako i NEON-ovo biorepozitorij. Mikrobi, bube, komarci i uzorci tla bit će pohranjeni u zgradi 30 godina koliko će NEON raditi. One koje treba držati na hladnom pohranjuju se u kriogeni zamrzivač, a ASU dodaje i skladište tekućeg dušika. Također je izložena kolekcija ASU-a, s kutijama leptira, posudama kralješnjaka i medvjeđa koža koja visi na zidu. Franz sa Sveučilišta Arizona State je direktor zbirke.

“Apsorbiramo otprilike 110.000 uzoraka godišnje, prema izjavi o radu koju trenutno imamo s NEON-om,” rekao je, “i oko 70 posto tih uzoraka treba držati na hladnom.” Nekoliko mjeseci ustanova je dobivala dnevne isporuke uzoraka, ponekad više puta dan. Neke od NEON-ovih stranica prikupljale su uzorke još 2013. godine. Iako je pravilno pohranjivanje ovih uzoraka važna komponenta onoga što Franzov tim radi, oni ih također moraju katalogizirati i pratiti. "Zapravo ne bismo trebali biti, za svaki uzorak, konačna postaja", rekao je Franz. “Naprotiv, točno. Trebali bismo biti nešto poput prolaza za te uzorke, tako da se mogu napraviti dodatna istraživanja."

Kako bi napravili NEON-ove glavni podatkovni portal korisno za istraživače, osoblje biorepozitorija mora unijeti mnogo informacija, na temelju Darwinovog osnovnog standarda. “Ovo je relativno blizu nečega poput a francuski jezik, poput široko, globalno korištenog standarda za prijenos i označavanje podataka, u odnosu na uzorke prirodoslovne zbirke,” rekao je Franz. Svrha mu je pružiti istraživačima sve što trebaju znati o uzorku koji nisu sami prikupili: gdje, kada i kako je prikupljen; njegov taksonomski naziv i kako je identificiran. "Također možemo zabilježiti odnose među uzorcima", rekao je Franz. "Dakle, na primjer, ako je 'A' poznati parazit 'B', imamo uzorke krpelja koji su uzeti od sisavaca."

Neki od zahtjeva koje je Franz dobio mogli bi pomoći u američkoj verziji studije o apokalipsi insekata. Sveučilište u Oklahomi promatra promjene u količini beskralješnjaka na oko 50 lokacija, rekao je. Koriste ono što se naziva uzorcima zamke. Plastične čaše ostavljaju se u zemlji danima ili tjednima, skupljajući pauke, bube, gliste i druge beskralješnjake. Iz ovih uzoraka istraživači mogu ekstrapolirati broj takvih životinja na svakom mjestu, kao i njihovu veličinu tijela. Istraživači već vide razlike u različitim regijama. "Čini se da postoje subregionalni trendovi ove apokalipse insekata koji su prilično zanimljivi", rekao je Franz.

Pauza zbog pandemije

Možda zamišljate ekologa kao nekoga tko u rukama drži tablu i nosi gumene čizme usred šume. Možda vaša slika NEON stranice predstavlja senzore koji bruje, bez ljudi na vidiku. NEON ima 181 podatkovni proizvodi — zbirke mjerenja poput barometarskog tlaka ili infracrvene temperature ili koncentracije CO2 — koje objavljuje; Za 108 od njih potrebni su ljudski promatrači. "U velikoj mjeri se oslanjamo na uzorkovanje promatranjem", rekla je Zoe Gentes, viša stručnjakinja za komunikacije u tvrtki Battelle, koja upravlja NEON-om. "Ali osim toga, naši automatizirani sustavi trebaju održavanje."

“To je nešto što me stvarno pogodilo u prvih nekoliko tjedana COVID-a”, rekao je Mabee, NEON-ov glavni znanstvenik. “Jednostavno nisam imao pojma koliko je senzorima za održavanje trebalo da se osvježe i da im se zamijene baterije stvari." Gentes je rekao da su se mnogi senzori jako dobro držali, osim u slučajevima nestanka struje ili poplava. NEON-ova zračna platforma za promatranje sada je ograničena na određene dijelove SAD-a koji ne zahtijevaju komercijalne letove, jer NEON ne dopušta svom osoblju da leti, rekao je Mabee. "Ovo nije bitan posao", rekla je. “To nam je važno. To je naš posao. Ali to nije neophodan posao.”

Pogledajte ovu objavu na Instagramu

Izlazak sunca je #TowerUtorak na NEON-ovom flux tornju LAJA u Portoriku (2019.).⠀ ⠀ Eksperimentalna stanica Lajas (LAJA) nalazi se u Centru za istraživanje i razvoj Lajas, jednoj od šest poljoprivrednih pokusnih stanica u Puertu Rico. Dio je NEON-ove atlantske neotropske domene (D04). Većina zemljišta je u vlasništvu sveučilišta Puerto Rico Mayaguez Campus. Smješteno u jugozapadnom kutu otoka, gdje je relativno sušno, polje pruža odličan kontrast netaknutim šumskim uvjetima na nalazištu polja Guánica (GUAN). Podaci prikupljeni u LAJA pomoći će istraživačima da procijene utjecaj poljoprivrede i ljudske aktivnosti na lokalni ekosustav i prate ti utjecaji tijekom vremena.⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #PuertoRico #sunrise #research #NEONscience #NEONdata #opendata #ecology #ecoscience #science #fluxtower

Objava koju dijeli NEON Znanost (@neon.sci) na 11. kolovoza 2020. u 9:30 PDT

Dok NEON traži načine da terensku ekologiju učini sigurnom za izvođenje tijekom pandemije, Mabee misli da bi njegovi praktičari sada mogli ponovno pogledati projekt. “Naravno, u vrijeme pandemije COVID-a, mislim da su ljudi sjeli za svoja računala i nisu previše izlazili na teren”, rekla je. "I tako je doista skrenuo pozornost na ove vrste podataka."

U ranim danima NEON-a, postojao je strah među nekim znanstvenicima da on pokušava u potpunosti zamijeniti rad na terenu. "Mislim da su u početku krivo označili NEON jer su govorili, 'oh, sada se možete baviti ekologijom sa svoje radne površine'", rekao je Cramer, koji je proučavao miševe u Wisconsinu. “I postoji veliki dio ekologa koji je rekao: 'Da, to nije razlog zašto smo ušli u ekologiju. Želimo izaći van.’”

Druge kritike NEON-a bile su da bi mogao dovesti do radeći znanost “unatrag”, stvaranje podataka, zatim traženje hipoteze. Bilo je zabrinutosti da će NSF-ovi Dugoročna ekološka istraživačka mreža izgubio bi financiranje u korist NEON-a. "Ne pomaže to što se NEON pojavio u vrijeme kada je bilo jako puno tjeskobe oko smanjenja financiranja znanosti", rekao je Clark sa Sveučilišta Duke.

Toliko je dugo trebalo da projekt u potpunosti zaživi, ​​da je u međuvremenu u tu disciplinu došla cijela nova generacija ekologa. U prošloj godini Ekološko društvo Amerikegodišnjeg sastanka, dr. Kyla Dahlin cvrkutao: “Umoran sam od slušanja mrzovoljnih staraca kako se žale @NEON_sci? Dođite čuti stvarne korisnike NEON-a…”

Zemaljski ekolog Nagy bio je uključen u obuku kako bi osigurao da niti jedan ekolog ne bude izostavljen. "Mislim da je to jedan od prvih izazova, samo osigurati da ekolozi općenito imaju vještine potrebne za korištenje ovakvih podataka", rekla je. "To je stvarno super resurs jer je besplatno, otvoreno dostupan svima, ali morate imati to znanje o tome kako koristiti podatke da bi bili korisni."

Ekosustav ekologa

“Mislim da je jedna od najuzbudljivijih, ako ne i najuzbudljivijih stvari o NEON-u potencijal za poticanje zajednice i šire suradnje unutar ekologije općenito”, rekao je White. Njegova grupa radi s istraživačima iz školskih odjela za informatiku i šumarstvo na njegovim projektima stabala. On radi na kombiniranju podataka NEON-a s podacima iz programa inventure i analize šuma američke službe za šume. Baš kao i integracija dva skupa podataka, stvaranje tima iz različitih znanstvenih pozadina zahtijeva stvaranje zajedničkog rječnika.

Čak i izvan NEON-a, ekologija se širi kako bi odgovarala većim podacima i većim pitanjima. White je to primijetio prije deset godina kada je počeo predavati informatiku. "Sada postoji mnogo, mnogo laboratorija koji sami ne prikupljaju podatke s terena, već jednostavno rade na podacima koji se mogu dobiti iz proizvoda za daljinsko očitavanje ili drugih mrežnih proizvoda", rekao je Clark. Desai ponavlja to. “Možda imamo studente koji rade na terenima koje nikada nisu vidjeli”, rekao je. "A to je možda malo drugačije - neugodno - za neke ljude u ekologiji."

Desai je promatrao razvoj NEON-a iznutra i izvana. Prethodno je bio član Savjetodavnog odbora za znanost, tehnologiju i obrazovanje. Njegovi su osjećaji o projektu pomiješani. On hvali znanstvenike koji tamo rade, ali kaže da je upravljanje imalo uspona i padova. NEON je pomogao donijeti prijeko potrebnu standardizaciju alata i mjerenja koja su ključna za odgovore na neka od velikih pitanja ekologije. Mnogi ekolozi misle da će NEON-ovi podaci pomoći da se odgovori na neka od tih pitanja.

“Ako razgovarate s Nacionalnom zakladom za znanost, oni uvijek kažu, ‘NEON nije stvar. Biologija makrosustava je prava stvar', rekao je Desai. “Neon je alat za ostvarenje te znanosti. I ako se ispostavi da nam treba drugačiji alat za 10 godina, neka tako i bude.”