NEON è un osservatorio ecologico da 460 milioni di dollari per gli Stati Uniti.

Nel novembre 2018, il New York Times Magazine ha pubblicato un articolo intitolato Apocalisse degli insetti. Si basava in gran parte su studi sull’abbondanza di insetti nell’Europa centrale. L’articolo ha attirato molta attenzione, inclusa quella del dottor Nico Franz, professore alla School of Life Sciences dell’Arizona State University. "Non posso essere stato l'unico entomologo - persona che si occupa di insetti - a chiedersi: 'wow, abbiamo dati a riguardo anche negli Stati Uniti?'", ha detto. Non c'è stato davvero nel passato, ma ora c’è un enorme progetto che sta cercando di raccogliere questo tipo di informazioni per il futuro.

Il National Ecological Observatory Network (NEON) è un gruppo di siti negli Stati Uniti in cui ecologisti e strumenti stanno raccogliendo una grande quantità di dati per cercare di ottenere una visione d'insieme della situazione.

cambiamento climatico, biodiversità, risorse di acqua dolce e altre complesse questioni ecologiche. È pienamente operativo solo dallo scorso anno, poi è scoppiata la pandemia. Ma questa non è la prima sfida che l’ambizioso progetto dovrà affrontare, e certamente non sarà l’ultima. NEON dovrebbe continuare a raccogliere dati per molti altri decenni.

Oltre due decenni di lavoro, 30 anni nel futuro

La storia di NEON risale alla fine degli anni ’90 e all’inizio degli anni 2000, con ecologisti e biologi che spingevano per la creazione di una rete transcontinentale, qualcosa di simile a una rete di sensori sismici, ma per l’ecologia invece che per i terremoti. Si sono rivolti alla National Science Foundation (NSF) esponendo l’idea e il costo: quasi 400 milioni di dollari per la costruzione, più milioni di dollari all’anno per la gestione, per tre decenni. “Si tratta di un investimento davvero enorme da parte della National Science Foundation, un investimento mai visto prima questa scala nell’ambito dell’ecologia”, ha affermato la dottoressa Chelsea Nagy, ecologista terrestre presso l’Università del Colorado Masso.

Il sito finale è stato installato e funzionante l'anno scorso e l'intervallo tra la prima idea e adesso è stato irto di ogni sorta di mal di testa. C'erano problemi di finanziamento con il Congresso, è andato sopra il budget (alla fine è costato $ 460 milioni), E supervisione del progetto cambiato di mano. NSF ha quindi scelto Battelle, che gestisce diversi laboratori nazionali, per supervisionare NEON. Proprio l'anno scorso, l'organizzazione licenziato due membri dello staff di alto livello, costringendo altri a dimettersi. Ma poi, pochi mesi dopo, nel maggio 2019, NEON è diventata completamente operativo.

Tuttavia, non è stato come se le luci – e i sensori – si fossero accesi tutti in una volta. Molti degli 81 siti di NEON raccolgono dati già da anni. Ci sono 81 siti in 20 domini, comprese la tundra e la taiga in Alaska, le pianure meridionali che coprono una buona parte del Texas e i grandi laghi, con un paio di siti nel Wisconsin. Queste zone ecoclimatiche hanno lo scopo di rappresentare i diversi terreni, ecosistemi e vegetazione degli Stati Uniti.

In ogni sito, una serie di tecnologie, così come il personale sul campo, dovrebbero raccogliere osservazioni su piante, animali, tempo, acqua, suolo e altro ancora. Con strumenti e misurazioni standardizzati, i dati dovrebbero essere più facili da confrontare.

Può sembrare abbastanza semplice, ma l’ecologia non sempre funziona in questo modo. “Uno degli aspetti legati all’ecologia, storicamente, è che abbiamo avuto la tendenza a porre una particolare domanda in un luogo particolare utilizzando un particolare insieme di metodi, e poi nessuno fa mai più esattamente la stessa cosa”, ha affermato il dottor Ethan White, professore presso il Dipartimento di ecologia e conservazione della fauna selvatica presso l’Università della Florida. "E così, quando le conclusioni raggiunte da una serie di articoli differiscono da quelle di un'altra serie, non siamo sicuri esattamente del motivo per cui tali conclusioni siano diverse."

"Sto facendo una meta-analisi in questo momento e raccogliendo studi individuali", ha detto Nagy dell'Università del Colorado. "E quindi, è davvero difficile analizzare i dati raccolti da molte persone diverse in molti modi diversi, perché a volte misurano cose diverse, a volte misurano la stessa cosa, ma usano un metodo diverso”. Con NEON, ha affermato, tutto ciò che viene raccolto nei siti viene eseguito utilizzando la stessa metodologia, rendendolo più semplice confrontare.

I dati sono anche integrati spazialmente, il che significa che si tratta di un insieme di misurazioni raccolte dallo stesso sito. "Ciò che offre a un ricercatore, ad esempio, anche in quel sito, è un modo per integrare tutti questi dati", ha affermato la dott.ssa Paula Mabee, capo scienziato di NEON e direttrice dell'osservatorio. Nonostante i suoi oltre 8.000 sensori, NEON non è progettato per monitorare tutto.

“Molti siti NEON si trovano in luoghi in cui le specie invasive vengono attivamente rimosse. Quindi certamente non ci aiuteranno in questo”, ha detto il dottor James Clark, un ecologista della Duke University. Nagy è interessata all’impatto degli incendi sulle specie invasive, ma poiché i siti di NEON non sono bruciati, non può includerli nella sua ricerca.

La raccolta regolare di dati dalle Hawaii a Porto Rico ha lo scopo di rispondere a sei “Grandi sfide nelle scienze ambientali”, ad esempio il modo in cui gli esseri umani incidono sulla biodiversità e come prevenire le malattie infettive per una varietà di specie. In ogni sito sono installate telecamere, trappole e migliaia di sensori. I ricercatori possono ottenere informazioni sulla biogeochimica, sui microbi del suolo, sul telerilevamento e sui dati acquatici un'idea di come interagiscono e di come i cambiamenti si manifestano nei mammiferi, nei minerali e microbi.

“Anche se Neon non è un esperimento – non stiamo manipolando foreste o sistemi effettuando misurazioni a lungo termine – inizi a vedere gli ecosistemi come un sistema complesso”, ha affermato il dottor Ankur Desai, professore all’Università di Wisconsin-Madison. “Tutte queste diverse parti – il ciclo dell’acqua, il ciclo del carbonio, le specie che interagiscono – cambiano tutte. E questa è la speranza: ottenere abbastanza informazioni in posti abbastanza diversi per dare un senso al mondo che ci circonda”.

Il fantastico rilevamento del mouse

Se ti trovi di fronte a un topolino dal pelo marrone; una pancia bianca e grandi occhi scuri, probabilmente non sarà immediatamente evidente se stai guardando un topo cervo dai piedi bianchi o un topo cervo dei boschi. Il trucco è la lunghezza dell'orecchio. Entrambe le specie si trovano nell'alto Midwest e sono cruciali per la ricerca del Dr. Michael J. Cramer, vicedirettore del Centro di ricerca ambientale dell'Università di Notre Dame nel Wisconsin.

"Servono come sistema modello per aiutare a capire come le popolazioni naturali reagiscono ai cambiamenti ambientali, ed è per questo che li studio", ha detto. Gufi, falchi, donnole e volpi predano tutti i topi, che mangiano essi stessi piante e semi. "Questi topi sono proprio nel mezzo della rete alimentare", ha detto Cramer. La loro presenza ha un impatto non solo sugli animali che li mangiano, ma anche sulle specie arboree che dipendono da loro per disperdere i propri semi. Poi c’è la concorrenza, come gli scoiattoli e gli scoiattoli, che mangiano alcune delle stesse risorse.

"Se si dispone di una popolazione sana di topi, ciò è generalmente indicativo di un sistema ben funzionante, in termini di dinamiche forestali", ha affermato Cramer. Cattura i topi, li etichetta, li rilascia e li ricattura per avere un'idea di quanti ce ne sono nelle foreste che si estendono attraverso la parte superiore del Wisconsin e nella penisola superiore del Michigan.

L'area è abbastanza remota, il che probabilmente è abbastanza piacevole per i topi ma non necessariamente utile per tutte le domande a cui Cramer spera di rispondere. “Siamo circondati su tre lati dalla foresta nazionale, quindi non siamo un sistema dominato dall’uomo”, ha detto. Ma NEON sta anche intrappolando e rilasciando questi topi in un altro sito, chiamato Treehaven, a circa un’ora e mezza di distanza. "Posso guardare i loro dati, sulla base delle osservazioni che ho fatto in un ambiente relativamente incontaminato, e poi confrontarli con i dati di NEON che vengono raccolti in ambienti non incontaminati e cerco di trarre alcune conclusioni su come penso che i topi stiano rispondendo a livello di specie", ha disse.

Anche se si tratta di topi della foresta – non del tipo che si trova normalmente in una casa, ha detto Cramer – è comunque importante tenerne traccia per la salute umana. Sono serbatoi per la malattia di Lyme. “Non stanno diffondendo la malattia di Lyme, ma la stanno mantenendo in quella popolazione”, ha detto. E questi topi si trovano in molti stati degli Stati Uniti. Se Cramer volesse fare alcuni confronti tra i Yooper topi e quelli di altre regioni, avrebbe bisogno di un enorme finanziamento e di un esercito di studenti laureati, ha detto.

Invece, “posso utilizzare dati provenienti da altri siti, altri tipi di habitat e altri biomi e anche provare a fare confronti su ciò che penso stiano facendo i topi utilizzando i dati di NEON”, ha affermato. "Mi permette di estendere le mie inferenze su scale molto più ampie."

Anche se l’approccio di Cramer è piuttosto a bassa tecnologia – “Non ho i soldi per comprare tanti piccoli radiocollari per ogni topo”, ha detto – i siti NEON hanno molti strumenti.

Quanto è verde questa valle?

A intervalli regolari, NEON sorvola i suoi numerosi siti con un aereo. A bordo dell'aereo ci sono telecamere, lidar e spettrometri per immagini. Gli spettrometri forniscono immagini iperspettrali, che sono ad alta risoluzione e catturano la luce che l'occhio umano non può vedere. È un po’ come mettere un filtro colorato su una fotocamera, ma per centinaia di colori. Ethan White cerca di determinare le specie di alberi basandosi su queste immagini iperspettrali.

A seconda del loro colore, le foglie rifletteranno e assorbiranno diverse lunghezze d'onda della luce. Se mappi la riflettanza rispetto a tutti i colori della luce, ottieni uno spettro. Misurare lo spettro in ciascun pixel dell'immagine rivela diversi tratti fogliari, come la quantità di azoto o fosforo. La tua tipica fotocamera catturerà la luce nello spettro visibile – o rosso, verde e blu. Un'immagine iperspettrale proviene da un dispositivo che registra 426 bande spettrali. "Può permetterci di vedere le differenze tra le piante, in particolare, dall'alto", ha affermato White dell'Università della Florida. "Sarebbe difficile vedere se tutto sembrasse verde, ma potremmo vedere grandi differenze tra due cose che erano verdi utilizzando informazioni diverse da quell'immagine iperspettrale."

Riuscire a vedere in dettaglio le differenze di colore tra le foglie di un cerro e quelle di un leccio sabbia richiede file di immagini enormi. "Stiamo lavorando con terabyte e terabyte di immagini", ha affermato White. "Stiamo eseguendo grandi quantità di calcoli molto intensivi sul centro di calcolo ad alte prestazioni dell'Università della Florida, che chiamano HiPerGator, perché qui ci piacciono davvero gli alligatori."

Visualizza questo post su Instagram

Non è solo carino: è informativo! Immagine dalla piattaforma di osservazione aerea (AOP) di NEON sopra il sito di Yellowstone (YELL).⠀ ⠀ Lidar, o "Luce Detection and Ranging", è un sistema di rilevamento remoto attivo in cui la luce viene emessa da un laser a fuoco rapido a bordo di un aereo. Questa luce viaggia verso il suolo e si riflette su superfici come i rami degli alberi. L’energia luminosa riflessa ritorna quindi al sensore dove viene registrata: il lidar misura il tempo impiegato dalla luce emessa per viaggiare verso il suolo e ritorno. Gli scienziati possono utilizzare dati di telerilevamento come questi per studiare la struttura della vegetazione nelle varie regioni.⠀ ⠀ Scopri di più sul telerilevamento di NEON capacità di rilevamento, AOP e tutti i nostri dati sul nostro sito Web!⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #remotesensing #lidar #NEONdata #opendata #NEONscience #research #lavorosulcampo

Un post condiviso da NEON Scienza (@neon.sci) acceso 13 agosto 2020 alle 9:30 PDT

Sebbene White insegni un corso introduttivo di informatica per biologi da circa un decennio, ha detto a un livello più ampio, il suo campo deve ancora recuperare terreno. “Imbattersi in questo problema con i dati su scala ora prodotti da NEON è qualcosa di molto sconosciuto alla maggior parte degli ecologisti”, ha affermato. Tuttavia, il tipo di domande che White sta esaminando richiede quella quantità di dati.

“Una delle cose che ci interessa veramente è che i processi che governano i sistemi ecologici cambiano a seconda della scala a cui si guarda”, ha detto. Ciò che influenza un singolo albero è la quantità di luce solare che riceve in base all’altezza dei suoi vicini esempio: diventa meno importante man mano che ingrandisci sempre più e guardi un acro, una foresta o un ecosistema di alberi. Modelli più ampi di precipitazioni e fluttuazioni di temperatura diventano più importanti quando si confrontano gli alberi della Florida con quelli di New York. “Comprendiamo che questi processi cambiano con la scala, ma non disponiamo di set di dati che ci permettano di pensare a questo in modo abbastanza continuo”, ha affermato.

Biblioteca di prestito dei licheni

In una zona industriale di Tempe, in Arizona, c’è un edificio basso, di colore bianco sporco. Nonostante il suo aspetto senza pretese, in realtà contiene migliaia di campioni biologici, sia dalla collezione di storia naturale dell'Arizona State University che Il bioarchivio di NEON. Microbi, scarafaggi, zanzare e campioni di terreno saranno tutti conservati nell’edificio per i 30 anni di funzionamento di NEON. Quelli che devono essere mantenuti freddi vengono conservati in un congelatore criogenico e l'ASU sta aggiungendo anche un impianto di stoccaggio di azoto liquido. È esposta anche la collezione dell’ASU, con custodie di farfalle, vasi di vertebrati e un pelle d'orso appesa al muro. Franz dell’Arizona State University è il direttore della collezione.

“Assorbiamo circa 110.000 campioni all'anno, secondo il lavoro che abbiamo attualmente con NEON", ha affermato, "e circa il 70% di questi campioni devono essere mantenuti al fresco”. Per diversi mesi, la struttura ha ricevuto consegne giornaliere di campioni, a volte più volte a giorno. Alcuni dei siti NEON raccolgono campioni già dal 2013. Sebbene conservare correttamente questi campioni sia una componente importante di ciò che fa il team di Franz, è necessario anche catalogarli e monitorarli. "In realtà non dovremmo essere, per ogni campione, la tappa finale in assoluto", ha detto Franz. “Al contrario, è vero. Dovremmo essere una sorta di passaggio per questi campioni, in modo da poter effettuare ulteriori ricerche”.

Per realizzare NEON portale dati principale utili ai ricercatori, il personale del biorepository deve inserire molte informazioni, sulla base del Darwin Core Standard. “Questo è relativamente vicino a qualcosa come a lingua franca, come uno standard ampiamente utilizzato a livello globale per trasferire e annotare i dati, relativi agli esemplari di raccolta di storia naturale", ha affermato Franz. Ha lo scopo di fornire ai ricercatori tutto ciò che devono sapere su un campione che non hanno raccolto personalmente: dove, quando e come è stato raccolto; il suo nome tassonomico e come è stato identificato. "Possiamo anche registrare le relazioni tra i campioni", ha detto Franz. "Quindi, ad esempio, se 'A' è un noto parassita di 'B', abbiamo campioni di zecche prelevati da mammiferi."

Alcune delle richieste che Franz ha ricevuto potrebbero aiutare con una versione americana di uno studio sull’apocalisse degli insetti. L'Università dell'Oklahoma sta esaminando i cambiamenti nel volume degli invertebrati in circa 50 siti, ha detto. Stanno usando i cosiddetti campioni di trappole a trappola. I bicchieri di plastica vengono lasciati nel terreno per giorni o settimane, raccogliendo ragni, scarafaggi, lombrichi e altri invertebrati. Da questi campioni, i ricercatori possono estrapolare il numero di tali animali in ciascun sito, nonché le loro dimensioni corporee. I ricercatori stanno già osservando differenze tra le varie regioni. "Sembra che ci siano tendenze subregionali in questa apocalisse di insetti che sono piuttosto interessanti", ha detto Franz.

Pausa per la pandemia

Forse immagini un ecologista come qualcuno che tiene in mano un blocco per appunti e indossa stivali di gomma nel mezzo di una foresta. Forse la tua immagine di un sito NEON è quella di sensori che ronzano, senza umani in vista. NEON ha 181 prodotti di dati — raccolte di misurazioni come la pressione barometrica o la temperatura a infrarossi o le concentrazioni di CO2 — che pubblica; 108 di essi richiedono osservatori umani. “Facciamo molto affidamento sul campionamento osservativo”, ha affermato Zoe Gentes, specialista senior in comunicazioni presso Battelle, che gestisce NEON. “Ma oltre a ciò, i nostri sistemi automatizzati necessitano di manutenzione”.

“Questo è qualcosa che mi ha colpito davvero nelle prime settimane di COVID”, ha affermato Mabee, capo scienziato di NEON. "Non avevo proprio idea di quanta manutenzione occorresse per aggiornare i sensori e sostituire le batterie cose." Gentes ha affermato che molti sensori hanno resistito molto bene, tranne in caso di interruzioni di corrente o allagamento. La piattaforma di osservazione aerea di NEON è ora limitata ad alcune parti degli Stati Uniti che non richiedono voli commerciali, perché NEON non consente al suo personale di volare, ha affermato Mabee. “Questo non è un lavoro essenziale”, ha detto. “È importante per noi. È il nostro lavoro. Ma non è un lavoro essenziale”.

Visualizza questo post su Instagram

È l'alba del #TowerTuesday alla torre di flusso LAJA di NEON a Porto Rico (2019).⠀ ⠀ La stazione sperimentale di Lajas (LAJA) si trova presso il Centro di ricerca e sviluppo Lajas, una delle sei stazioni di esperimenti agricoli a Puerto Stecca. Fa parte del dominio neotropicale atlantico di NEON (D04). La maggior parte del terreno è di proprietà del campus Mayaguez dell'Università di Porto Rico. Situato nell’angolo sud-occidentale dell’isola, dove il clima è relativamente arido, il campo offre un eccellente contrasto con le condizioni incontaminate della foresta del campo di Guánica (GUAN). I dati raccolti presso LAJA aiuteranno i ricercatori a valutare l'impatto dell'agricoltura e dell'attività umana sull'ecosistema locale e a monitorarlo questi impatti nel tempo.⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #PuertoRico #sunrise #research #NEONscience #NEONdata #opendata #ecology #ecoscience #science #flussotorre

Un post condiviso da NEON Scienza (@neon.sci) acceso 11 agosto 2020 alle 9:30 PDT

Mentre NEON sta cercando modi per rendere l’ecologia sul campo sicura durante la pandemia, Mabee pensa che i suoi professionisti potrebbero dare una seconda occhiata al progetto ora. “Certamente in tempi di COVID, penso che le persone si siano sedute al computer e non siano uscite troppo sul campo”, ha detto. "E quindi abbiamo davvero acceso i riflettori su questo tipo di dati."

Agli albori di NEON, alcuni scienziati temevano che stesse cercando di sostituire completamente il lavoro sul campo. "Penso che inizialmente abbiano etichettato male NEON perché dicevano, 'oh, ora puoi fare ecologia dal tuo desktop'", ha detto Cramer, che ha studiato i topi nel Wisconsin. "E ci sono una grande parte di ecologisti che dicevano: 'Sì, non è per questo che ci siamo dedicati all'ecologia. Vogliamo andare fuori.’”

Altre critiche a NEON riguardavano il fatto che avrebbe potuto portare a fare scienza “al contrario”.”, creando dati e poi cercando un’ipotesi. C'erano preoccupazioni sul fatto che la NSF Rete di ricerca ecologica a lungo termine perderebbe finanziamenti a favore di NEON. "Non aiuta il fatto che NEON sia arrivato in un momento in cui c'era molta angoscia per il calo dei finanziamenti alla scienza", ha affermato Clark, della Duke University.

Ci volle così tanto tempo prima che il progetto decollasse completamente, che nel frattempo un'intera nuova generazione di ecologisti si stava avvicinando alla disciplina. All’anno scorso Società ecologica d'Americariunione annuale, dottoressa Kyla Dahlin twittato: “Stanchi di sentire lamentarsi dei vecchi scontrosi @NEON_sci? Vieni a conoscere i veri utenti di NEON…”

L'ecologo terrestre Nagy è stato coinvolto in alcuni corsi di formazione per assicurarsi che nessun ecologista venga lasciato indietro. “Penso che questa sia una delle prime sfide, è semplicemente assicurarsi che gli ecologisti in generale abbiano le competenze necessarie per utilizzare dati come questi”, ha affermato. "È una risorsa davvero interessante perché è liberamente e apertamente disponibile a chiunque, ma devi avere questa conoscenza su come utilizzare i dati per renderli utili."

Un ecosistema di ecologisti

“Penso che una delle cose più interessanti, se non la più entusiasmante, di NEON sia il potenziale per promuovere la comunità e una più ampia collaborazione nell’ambito dell’ecologia più in generale”, ha affermato White. Il suo gruppo sta lavorando con ricercatori dei dipartimenti di informatica e forestale della scuola sui suoi progetti sugli alberi. Sta lavorando per combinare i dati NEON con alcuni del programma di inventario e analisi delle foreste del servizio forestale degli Stati Uniti. Proprio come l’integrazione di due set di dati, la creazione di un team con background scientifici diversi richiede la creazione di un vocabolario comune.

Anche al di fuori di NEON, l’ecologia si è espansa per adattarsi a dati più grandi e a domande più ampie. White se ne accorse dieci anni fa, quando iniziò a tenere lezioni di informatica. "Oggi ci sono moltissimi laboratori che non raccolgono direttamente alcun dato sul campo, ma lavorano semplicemente sui dati che possono essere ottenuti da prodotti di telerilevamento o da altri prodotti di rete", ha affermato Clark. Desai gli fa eco. “Potremmo avere studenti che lavorano in siti che non hanno mai visto”, ha detto. “E questo forse è un po’ diverso – scomodo – per alcune persone che si occupano di ecologia.”

Desai ha osservato lo sviluppo di NEON dall'interno e dall'esterno. In precedenza, è stato membro del comitato consultivo su scienza, tecnologia e istruzione. I suoi sentimenti riguardo al progetto sono contrastanti. Loda gli scienziati che lavorano lì, ma dice che la sua gestione ha avuto alti e bassi. NEON ha contribuito a portare la tanto necessaria standardizzazione di strumenti e misurazioni cruciali per rispondere ad alcune delle grandi domande dell’ecologia. Molti ecologisti pensano che i dati di NEON aiuteranno a iniziare a rispondere ad alcune di queste domande.

“Se parli con la National Science Foundation, dicono sempre: ‘NEON non è la cosa giusta. La biologia dei macrosistemi è il punto”, ha detto Desai. “Il neon è lo strumento per realizzare questa scienza. E se si scopre che tra dieci anni avremo bisogno di uno strumento diverso, così sia”.