NEON er et økologisk observatorium på 460 millioner dollar for USA

I november 2018 publiserte The New York Times Magazine en artikkel kalt Insekts Apokalypse. Den var i stor grad basert på studier om insektoverflod i Sentral-Europa. Artikkelen fikk mye oppmerksomhet, inkludert den av Dr. Nico Franz, en professor ved Arizona State Universitys School of Life Sciences. "Jeg kan ikke ha vært den eneste entomologen - insektpersonen - som lurte på "wow, har vi i det hele tatt data for det i USA?", sa han. Det har det virkelig ikke vært i fortiden, men nå er det et stort prosjekt som prøver å samle den slags informasjon for fremtiden.

National Ecological Observatory Network (NEON) er en gruppe nettsteder over hele USA hvor økologer og verktøy samler inn massevis av data for å prøve å få et stort bilde av Klima forandringer, biologisk mangfold, ferskvannsressurser og andre komplekse økologiske problemer. Det har bare vært fullt operativt siden i fjor - og så skjedde pandemien. Men det er langt fra den første utfordringen det ambisiøse prosjektet vil møte, og det vil absolutt ikke være det siste. NEON er ment å fortsette å samle data i flere tiår.

Over to tiår underveis, 30 år inn i fremtiden

NEONs historie går tilbake til slutten av 1990-tallet og begynnelsen av 2000-tallet, med økologer og biologer som presser på for å skape et tverrkontinentalt nettverk, noe som ligner et jordskjelvsensornettverk, men for økologi i stedet for jordskjelv. De henvendte seg til National Science Foundation (NSF) med ideen og kostnadene - nesten 400 millioner dollar å bygge, pluss millioner av dollar i året å drive, i tre tiår. "Det er en veldig stor investering fra National Science Foundation, en som virkelig ikke har blitt sett før denne skalaen innen økologi,” sa Dr. Chelsea Nagy, en terrestrisk økolog ved University of Colorado Boulder.

Den endelige siden var oppe og går i fjor, og mellomtiden mellom den første ideen og nå var preget av all slags hodepine. Det var finansieringsproblemer med kongressen, det gikk over budsjettet (det endte opp med å koste 460 millioner dollar), og prosjekttilsyn byttet hender. NSF valgte da Battelle, som driver flere nasjonale laboratorier, til å føre tilsyn med NEON. Bare i fjor, organisasjonen sparket to ansatte på høyt nivå, får andre til å gå av. Men så, noen måneder senere, i mai 2019, ble NEON fullt operativ.

Imidlertid var det ikke slik at lysene - og sensorene - ble tent på en gang. Mange av NEONs 81 nettsteder har allerede samlet inn data i årevis. Det er 81 nettsteder fordelt på 20 domener, inkludert tundra og taiga i Alaska, de sørlige slettene som dekker en god del av Texas, og de store innsjøene, med et par steder i Wisconsin. Disse økoklimatiske sonene er ment å representere de forskjellige terrengene, økosystemene og vegetasjonen i U.S.A.

På hvert sted skal en rekke teknologi, så vel som feltpersonale, samle observasjoner om plantene, dyrene, været, vann, jord og mer. Med standardiserte verktøy og målinger skal dataene være lettere å sammenligne.

Det høres kanskje enkelt nok ut, men økologi fungerer ikke alltid slik. "En av tingene med økologi, historisk sett, er at vi har hatt en tendens til å stille et bestemt spørsmål på et bestemt sted ved å bruke et bestemt sett med metoder, og deretter ingen gjør noen gang akkurat det samme igjen, sier Dr. Ethan White, professor ved Institutt for dyrelivsøkologi og bevaring ved University of Florida. "Og så når konklusjonene som ett sett med papirer nådde, er forskjellige fra et annet sett, er vi ikke helt sikre på nøyaktig hvorfor disse konklusjonene er forskjellige."

"Jeg gjør en metaanalyse akkurat nå og samler inn individuelle studier," sa University of Colorados Nagy. "Og for det er det veldig vanskelig å analysere dataene som er samlet inn av mange forskjellige mennesker på mange forskjellige måter, fordi noen ganger måler de forskjellige ting, og noen ganger de måler det samme, men de bruker en annen metode.» Med NEON, sa hun, gjøres alt som samles inn på tvers av nettstedene ved hjelp av samme metodikk, noe som gjør det enklere å sammenligne.

Dataene er også romlig integrert - noe som betyr at det er en haug med målinger samlet inn fra samme nettsted. "Det det gir en forsker, for eksempel, selv på det ene stedet, er en måte å bare integrere alle disse dataene," sa Dr. Paula Mabee, NEONs sjefforsker og observatoriedirektør. Til tross for sine mer enn 8000 sensorer, er ikke NEON designet for å overvåke alt.

"Mange av NEON-områdene er på steder der invasive arter aktivt fjernes. Så de kommer absolutt ikke til å hjelpe oss med det, sier Dr. James Clark, en økolog ved Duke University. Nagy er interessert i hvordan skogbranner påvirker invasive arter, men siden NEONs nettsteder ikke har brent, kan hun ikke inkludere dem i forskningen sin.

Regelmessig innsamling av data fra Hawaii til Puerto Rico er ment å svare på seks "store utfordringer innen miljøvitenskap", for eksempel hvordan mennesker påvirker det biologiske mangfoldet og hvordan man kan forebygge smittsomme sykdommer for en rekke arter. Kameraer, feller og tusenvis av sensorer er satt opp på hvert sted. Forskere kan se på biogeokjemi, jordmikrober, fjernmålingsinformasjon og akvatiske data for å få en følelse av hvordan de samhandler, samt hvordan endringer manifesterer seg i pattedyr, mineraler og mikrober.

"Selv om Neon ikke er et eksperiment - vi manipulerer ikke skoger eller systemer ved å gjøre målinger på lang sikt - du begynner å se økosystemer som et komplekst system, sier Dr. Ankur Desai, professor ved University of Wisconsin-Madison. "Alle disse forskjellige delene - vannets syklus, karbonkretsløpet, artene som samhandler - alle endres. Og det er håpet, at vi får nok informasjon på nok forskjellige steder til å forstå verden rundt oss.»

Den store muse-deteksjonen

Hvis du blir konfrontert med en liten mus med brun pels; en hvit mage og store, mørke øyne, vil det sannsynligvis ikke være umiddelbart synlig hvis du ser på en hvitfot-hjortmus eller en skogshjortmus. Trikset er ørelengden. Begge artene finnes i øvre Midtvesten og er avgjørende for forskningen til Dr. Michael J. Cramer, assisterende direktør ved University of Notre Dame Environmental Research Center i Wisconsin.

"De fungerer som et modellsystem for å hjelpe til med å forstå hvordan naturlige populasjoner reagerer på miljøendringer, og det er derfor jeg studerer dem," sa han. Ugler, hauker, veslinger og rever forgriper seg alle på musene, som selv spiser planter og frø. "Disse musene er midt i næringsnettet," sa Cramer. Deres tilstedeværelse påvirker ikke bare dyrene som spiser dem, men treslagene som er avhengige av dem for å spre frøene deres. Så er det konkurransen, som ekorn og jordekorn, som spiser noen av de samme ressursene.

"Hvis du har en sunn populasjon av mus, er det generelt en indikasjon på et godt fungerende system, når det gjelder skogdynamikken," sa Cramer. Han fanger musene, merker dem, slipper dem løs og gjenfanger dem for å få en følelse av hvor mange som er i skogene som strekker seg over toppen av Wisconsin og inn til Michigans øvre halvøy.

Området er ganske avsidesliggende, noe som sannsynligvis er ganske fint for musene, men ikke nødvendigvis så nyttig for alle spørsmålene Cramer håper å svare på. "Vi er omgitt på tre sider av nasjonal skog, så vi er ikke et menneskedominert system," sa han. Men NEON fanger og slipper disse musene også på et annet sted, kalt Treehaven, omtrent en og en halv times kjøretur unna. "Jeg kan se på dataene deres, basert på observasjonene jeg har gjort i et relativt uberørt miljø, og deretter sammenligne det med NEONs data som er samlet i uberørte miljøer, og prøver å trekke noen konklusjoner om hvordan jeg tror musene reagerer på artsnivå,» sa.

Selv om dette er skogmus - ikke den typen du vanligvis finner i et hus, sa Cramer - er det fortsatt viktig å holde styr på dem for menneskers helse. De er reservoarer for borreliose. "De sprer ikke borreliose, men de opprettholder den i den befolkningen," sa han. Og disse musene finnes i mange stater i USA. Hvis Cramer ønsket å gjøre noen sammenligninger mellom Yooper mus og de i andre regioner, ville han trenge et enormt stipend og en hær av studenter, sa han.

I stedet, "Jeg kan bruke data fra andre steder og andre habitattyper og andre biomer og også prøve å gjøre sammenligninger om hva jeg tror musene gjør ved å bruke NEONs data," sa han. "Det lar meg utvide slutningene mine til mye større skalaer."

Mens Cramers tilnærming er ganske lavteknologisk - "Jeg har ikke penger til å kjøpe så mange små, bittesmå radiohalsbånd for hver mus," sa han - har NEON-nettstedene mange verktøy.

Hvor grønn er denne dalen?

Med jevne mellomrom flyr NEON et fly over de mange stedene. Ombord på flyet er kameraer, lidar og bildespektrometre. Spektrometrene gir hyperspektrale bilder, som har høy oppløsning og fanger opp lys som det menneskelige øyet ikke kan se. Det er litt som å sette et fargefilter på et kamera, men for hundrevis av farger. Ethan White prøver å bestemme træsortene basert på disse hyperspektrale bildene.

Avhengig av fargen vil bladene reflektere og absorbere forskjellige bølgelengder av lys. Kartlegger du reflektansen mot alle lysets farger, får du et spektrum. Måling av det spekteret ved hver piksel i bildet avslører forskjellige bladegenskaper, som mengden nitrogen eller fosfor. Ditt typiske kamera vil fange lys i det synlige - eller røde, grønne og blå - spekteret. Et hyperspektralt bilde kommer fra en enhet som registrerer 426 spektralbånd. "Det kan tillate oss å se forskjeller mellom planter, spesielt ovenfra," sa University of Floridas White. "Det ville være vanskelig å se om alt ser litt grønt ut, men vi kunne se store forskjeller mellom to ting som var grønne ved å bruke forskjellig informasjon fra den hyperspektrale avbildningen."

Å kunne se detaljerte fargeforskjeller mellom bladene på en kalkuneik og en sandlevende eik krever enorme bildefiler. "Vi jobber med terabyte og terabyte med bilder," sa White. "Vi gjør store mengder svært intensiv databehandling på University of Floridas høyytelses datasenter, som de kaller HiPerGator, fordi vi virkelig liker gatatorer her nede."

Se dette innlegget på Instagram

Det er ikke bare pent – ​​det er informativt! Bilde fra NEONs Airborne Observational Platform (AOP) over Yellowstone-feltet (YELL).⠀ ⠀ Lidar, eller "Light Detection and Ranging," er et aktivt fjernmålingssystem der lys sendes ut fra en raskt avfyrende laser ombord på en fly. Dette lyset reiser til bakken og reflekteres fra overflater som tregrener. Den reflekterte lysenergien går deretter tilbake til sensoren der den registreres – lidar måler tiden det tar før utsendt lys går til bakken og tilbake. Forskere kan bruke fjernmålingsdata som dette for å studere vegetasjonsstrukturen på tvers av regioner.⠀ ⠀ Lær mer om NEONs fjernkontroll sensing evner, AOP og alle våre data på nettstedet vårt!⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #fjernsensor #lidar #NEONdata #opendata #NEONscience #research #feltarbeid

Et innlegg delt av NEON Science (@neon.sci) på 13. august 2020 kl. 09:30 PDT

Selv om White har undervist en innledende informatikkklasse for biologer i omtrent et tiår, sa han på et bredere nivå, at feltet hans fortsatt må ta igjen. "Å engasjere seg med dette med data i den skalaen som nå produseres av NEON er noe som er veldig ukjent for de fleste økologer," sa han. Den typen spørsmål White ser på krever imidlertid den mengden data.

"En av tingene vi virkelig er interessert i er at prosessene som styrer økologiske systemer endres avhengig av skalaen du ser på," sa han. Hva påvirker et enkelt tre - mengden sollys det får basert på høyden på naboene, for eksempel – blir mindre viktig når du zoomer lenger og lenger ut, også ser på en hektar, skog eller økosystem av trær. Større mønstre av nedbør og temperatursvingninger blir viktigere når man sammenligner trær i Florida med trær i New York. "Vi forstår at disse prosessene endres med skala, men vi har egentlig ikke hatt datasett som lar oss tenke på det på en slags ganske kontinuerlig måte," sa han.

Lavutlånsbibliotek

I et industriområde i Tempe, Arizona, er det en lav, off-white bygning. Til tross for det upretensiøse ytre, har den faktisk tusenvis av biologiske prøver, både fra Arizona State Universitys naturhistoriske samling og NEONs biorepositorium. Mikrober, biller, mygg og jordprøver vil alle bli lagret i bygningen i de 30 årene NEON skal løpe. De som må oppbevares kaldt lagres i en kryogen fryser, og ASU legger også til et lagringsanlegg for flytende nitrogen. ASUs samling er også utstilt, med kasser med sommerfugler, krukker med virveldyr og en bjørneskinn hengende på veggen. Arizona State Universitys Franz er direktør for samlingen.

“Vi absorberer omtrent 110 00 prøver årlig, i henhold til erklæringen om arbeidet vi for tiden har med NEON," sa han, "og omtrent 70 prosent av disse prøvene må oppbevares kjølig." I flere måneder fikk anlegget daglige leveranser av prøver, noen ganger flere ganger dag. Noen av NEONs nettsteder har samlet inn prøver så langt tilbake som i 2013. Selv om riktig oppbevaring av disse prøvene er en viktig komponent i det Franzs team gjør, må de også katalogisere og spore dem. "Vi er faktisk ikke ment å være det siste stoppet for hver prøve," sa Franz. "Tvert imot, ikke sant. Vi er ment å være en slags gjennomgang for disse prøvene, slik at ytterligere forskning kan gjøres."

For å lage NEON hoveddataportalen nyttig for forskere, må biorepositoriets ansatte legge inn mye informasjon, basert på Darwin Core Standard. "Dette er relativt nært noe som en Lingua franca, som en bredt, globalt brukt standard for å overføre og kommentere data, i forhold til naturhistoriske samlingsprøver,» sa Franz. Det er ment å gi forskere alt de trenger å vite om en prøve de ikke har samlet inn selv: Hvor, når og hvordan den ble samlet inn; dets taksonomiske navn og hvordan det ble identifisert. "Vi kan også registrere forhold mellom prøver," sa Franz. "Så, for eksempel, hvis 'A' er en kjent parasitt av 'B', har vi prøver fra flått som ble tatt fra pattedyr."

Noen av forespørslene Franz har fått kan hjelpe med en amerikansk versjon av en insektapokalypsestudie. University of Oklahoma ser på endringer i volumet av virvelløse dyr på rundt 50 steder, sa han. De bruker det som kalles fallgruveprøver. Plastkopper blir liggende i bakken i dager eller uker, og samler edderkopper, biller, meitemark og andre virvelløse dyr. Fra disse prøvene kan forskere ekstrapolere om antall slike dyr på hvert sted, så vel som deres kroppsstørrelse. Forskerne ser allerede forskjeller på tvers av ulike regioner. "Det ser ut til å være subregionale trender til denne insektapokalypsen som er ganske interessante," sa Franz.

Pause for pandemien

Kanskje ser du for deg en økolog som en som holder en utklippstavle og har på seg gummistøvler midt i en skog. Kanskje bildet ditt av et NEON-sted er av sensorer som nynner sammen, ingen mennesker i sikte. NEON har 181 dataprodukter — samlinger av målinger som barometertrykk eller infrarød temperatur eller CO2-konsentrasjoner — som den sender ut; 108 av dem krever menneskelige observatører. "Vi stoler veldig mye på observasjonsprøvetaking," sa Zoe Gentes, en senior kommunikasjonsspesialist ved Battelle, som administrerer NEON. "Men i tillegg til det trenger våre automatiserte systemer vedlikehold."

"Det er noe som virkelig traff meg i løpet av de første ukene av COVID," sa Mabee, NEONs sjefforsker. "Jeg hadde ingen anelse om hvor mye vedlikeholdssensorer som måtte til for å bli oppdatert og få skiftet batterier og ting." Gentes sa at mange av sensorene har holdt seg veldig bra, bortsett fra i tilfeller av strømbrudd eller flom. NEONs Airborne Observation Platform er nå begrenset til visse deler av USA som ikke krever kommersielle flyvninger, fordi NEON ikke tillater sine ansatte å fly, sa Mabee. "Dette er ikke en viktig jobb," sa hun. "Det er viktig for oss. Det er vår jobb. Men det er ikke nødvendig arbeid.»

Se dette innlegget på Instagram

Det er en #TowerTuesday soloppgang ved NEONs LAJA flux-tårn i Puerto Rico (2019).⠀ ⠀ Lajas Experimental Station (LAJA) ligger ved Lajas forsknings- og utviklingssenter, en av seks landbrukseksperimentstasjoner i Puerto Rico. Det er en del av NEONs Atlantic Neotropical Domain (D04). Størstedelen av landet eies av University of Puerto Rico Mayaguez Campus. Ligger i det sørvestlige hjørnet av øya, hvor det er relativt tørt, gir feltstedet en utmerket kontrast til de uberørte skogforholdene på feltområdet Guánica (GUAN). Data samlet ved LAJA vil hjelpe forskere med å evaluere virkningen av landbruk og menneskelig aktivitet på det lokale økosystemet og overvåke disse virkningene over tid.⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #PuertoRico #sunrise #forskning #NEONscience #NEONdata #opendata #ecology #ecoscience #science #flukstårn

Et innlegg delt av NEON Science (@neon.sci) på 11. august 2020 kl. 09:30 PDT

Mens NEON har sett på måter å gjøre feltøkologi trygt å utføre under pandemien, tror Mabee at utøverne kan ta en ny titt på prosjektet nå. "Ganske sikkert i COVID-tider tror jeg folk har satt seg ned ved datamaskinene sine og ikke kommet seg ut i felten for mye," sa hun. "Og så det har virkelig satt søkelyset på denne typen data."

I de tidlige dagene av NEON var det en frykt blant noen forskere for at det prøvde å erstatte feltarbeid fullt ut. "Jeg tror de feilmerket NEON i utgangspunktet fordi de sier "åh, nå kan du gjøre økologi fra skrivebordet ditt," sa Cramer, som har studert mus i Wisconsin. "Og det er en stor del av økologer som sa:" Ja, det er ikke derfor vi begynte på økologi. Vi vil ut.»

Annen kritikk av NEON var at det kunne føre til gjør vitenskap «baklengs,” å lage data, og deretter søke etter en hypotese. Det var bekymring for at NSFs Langsiktig økologisk forskningsnettverk ville miste finansiering til fordel for NEON. "Det hjelper ikke at NEON har kommet i en tid da det har vært fryktelig mye angst for å avslå finansiering til vitenskap," sa Clark, fra Duke University.

Det tok så lang tid før prosjektet kom helt i gang, at i mellomtiden kom en helt ny generasjon økologer inn i faget. På fjorårets Ecological Society of Americasitt årsmøte, Dr. Kyla Dahlin twitret: «Lei av å høre grettene gamle menn klage på @NEON_sci? Kom og hør fra faktiske NEON-brukere ..."

Terrestrisk økolog Nagy har vært involvert i noe trening for å sikre at ingen økologer blir etterlatt. "Jeg tror det er en av de første utfordringene, er bare å sørge for at økologer generelt har ferdighetene som er nødvendige for å bruke data som dette," sa hun. "Det er en veldig kul ressurs fordi den er fritt, åpent tilgjengelig for alle, men du må ha denne kunnskapen om hvordan du bruker dataene for å gjøre dem nyttige."

Et økosystem av økologer

"Jeg tror en av de mest, om ikke den mest, spennende tingene med NEON er potensialet for å fremme fellesskap og bredere samarbeid innen økologi mer generelt," sa White. Gruppen hans jobber med forskere fra skolens informatikk- og skogavdelinger på treprosjektene hans. Han jobber med å kombinere NEON-data med noen fra U.S. Forest Service sitt Forest Inventory and Analysis-program. Akkurat som å integrere to datasett, krever det å skape et felles vokabular å lage et team fra forskjellige vitenskapelige bakgrunner.

Selv utenfor NEON har økologien utvidet seg for å passe større data og større spørsmål. White la merke til det for et tiår siden da han begynte å undervise i datavitenskap. "Det er mange, mange laboratorier nå som ikke samler inn feltdata selv, men bare jobber med data som kan hentes fra fjernmålingsprodukter eller andre nettverksprodukter," sa Clark. Desai gjenspeiler det. "Vi kan ha studenter som jobber på feltsider som de aldri har sett," sa han. "Og det er kanskje litt annerledes - ubehagelig - for noen mennesker i økologi."

Desai har sett NEONs utvikling fra innsiden og utsiden. Tidligere var han medlem av dens rådgivende komité for vitenskap, teknologi og utdanning. Følelsene hans rundt prosjektet er blandede. Han berømmer forskerne som jobber der, men sier at ledelsen har hatt opp- og nedturer. NEON har bidratt til å bringe sårt tiltrengt standardisering til verktøy og målinger som er avgjørende for å svare på noen av økologiens store spørsmål. Mange økologer tror NEONs data vil hjelpe deg med å begynne å svare på noen av disse spørsmålene.

"Hvis du snakker med National Science Foundation, sier de alltid," NEON er ikke tingen. Makrosystembiologi er tingen,» sa Desai. "Neon er verktøyet for å få den vitenskapen til å skje. Og hvis det viser seg at vi trenger et annet verktøy om 10 år, så får det være.»