NEON este un Observator ecologic de 460 de milioane de dolari pentru S.U.A.

În noiembrie 2018, The New York Times Magazine a publicat un articol numit Apocalipsa insectelor. S-a bazat în mare parte pe studii despre abundența insectelor în Europa Centrală. Articolul a atras multă atenție, inclusiv a dr. Nico Franz, profesor la Școala de Științe Vieții a Universității de Stat din Arizona. „Nu pot fi singurul entomolog – persoană cu insecte – care se întreba „wow, avem măcar date pentru asta în SUA?””, a spus el. Chiar nu a existat în trecut, dar acum există un proiect uriaș care încearcă să adune astfel de informații pentru viitor.

National Ecological Observatory Network (NEON) este un grup de site-uri din SUA, unde ecologiștii și instrumentele colectează o mulțime de date pentru a încerca să obțină o imagine de ansamblu asupra schimbarea climei, biodiversitate

, resursele de apă dulce și alte probleme ecologice complexe. A fost pe deplin operațional abia de anul trecut - și apoi a avut loc pandemia. Dar aceasta este departe de prima provocare cu care se va confrunta ambițiosul proiect și, cu siguranță, nu va fi ultima. NEON ar trebui să continue să colecteze date încă câteva decenii.

Peste două decenii în devenire, 30 de ani în viitor

Istoria lui NEON datează de la sfârșitul anilor 1990 și începutul anilor 2000, ecologiștii și biologii făcând eforturi pentru crearea unei rețele transcontinentale, ceva asemănător cu o rețea de senzori de cutremur, dar pentru ecologie în loc de cutremure. Ei au abordat Fundația Națională pentru Știință (NSF) cu ideea și costul - aproape 400 de milioane de dolari pentru a construi, plus milioane de dolari pe an pentru a rula, timp de trei decenii. „Este o investiție cu adevărat uriașă din partea Fundației Naționale pentru Știință, una care nu a mai fost văzută până acum această scară în ecologie”, a spus dr. Chelsea Nagy, ecologist terestru la Universitatea din Colorado Bolovan.

Site-ul final a fost pus în funcțiune anul trecut, iar intervalul dintre prima idee și acum a fost cuprins de tot felul de dureri de cap. Au existat probleme de finanțare cu Congresul, a fost peste buget (a ajuns să coste 460 de milioane de dolari), și supravegherea proiectului mâinile schimbate. NSF a ales apoi Battelle, care conduce mai multe laboratoare naționale, pentru a supraveghea NEON. Chiar anul trecut, organizația a concediat doi membri ai personalului la nivel înalt, făcându-i pe alții să demisioneze. Dar apoi, câteva luni mai târziu, în mai 2019, a devenit NEON complet funcțional.

Cu toate acestea, nu a fost ca și cum luminile - și senzorii - s-au aprins dintr-o dată. Multe dintre cele 81 de site-uri NEON au adunat date deja de ani de zile. Sunt 81 de site-uri în 20 de domenii, inclusiv tundra și taiga din Alaska, câmpiile sudice care acoperă o bună parte din Texas și marile lacuri, cu câteva situri în Wisconsin. Aceste zone ecoclimatice sunt menite să reprezinte diversele terenuri, ecosisteme și vegetație din S.U.A.

La fiecare sit, o serie de tehnologii, precum și personalul de teren, ar trebui să adune observații despre plante, animale, vreme, apă, sol și multe altele. Cu instrumente și măsurători standardizate, datele ar trebui să fie mai ușor de comparat.

Poate suna destul de simplu, dar ecologia nu funcționează întotdeauna așa. „Unul dintre lucrurile despre ecologie, din punct de vedere istoric, este că am avut tendința de a pune o anumită întrebare într-o anumită locație folosind un anumit set de metode și apoi nimeni nu mai face exact același lucru”, a spus dr. Ethan White, profesor la Departamentul de Ecologie și Conservare a Faunei Sălbatice de la Universitatea din Florida. „Și atunci când concluziile la care a ajuns un set de lucrări diferă de alt set, nu suntem cu adevărat siguri de ce aceste concluzii sunt diferite.”

„Fac o meta-analiză chiar acum și colectez studii individuale”, a spus Nagy de la Universitatea din Colorado. „Și, pentru asta, este foarte greu să analizezi datele colectate de mulți oameni diferiți în multe moduri diferite, pentru că uneori măsoară lucruri diferite și uneori ei măsoară același lucru, dar folosesc o metodă diferită.” Cu NEON, a spus ea, totul colectat de pe site-uri se face folosind aceeași metodologie, ceea ce face mai ușor comparaţie.

Datele sunt, de asemenea, integrate spațial, adică sunt o grămadă de măsurători colectate de pe același site. „Ceea ce îi oferă unui cercetător, de exemplu, chiar și la acel loc, este o modalitate de a integra toate aceste date”, a spus dr. Paula Mabee, om de știință și director al observatorului NEON. În ciuda celor peste 8.000 de senzori, NEON nu este proiectat să monitorizeze totul.

„Multe dintre siturile NEON sunt în locuri în care speciile invazive sunt eliminate în mod activ. Deci cu siguranță nu ne vor ajuta cu asta”, a spus dr. James Clark, ecologist la Universitatea Duke. Nagy este interesată de modul în care incendiile de pădure au impact asupra speciilor invazive, dar întrucât site-urile NEON nu au ars, nu le poate include în cercetarea ei.

Colectarea regulată a datelor din Hawaii până în Puerto Rico este menită să răspundă la șase „mari provocări în științele mediului”, cum ar fi modul în care oamenii influențează biodiversitatea și modul de prevenire a bolilor infecțioase pentru o varietate de specii. Camere, capcane și mii de senzori sunt instalate în fiecare locație. Cercetătorii pot analiza biogeochimia, microbii solului, informațiile de teledetecție și datele acvatice pentru a obține un sentiment al modului în care interacționează, precum și al modului în care se manifestă schimbările la mamifere, minerale și microbii.

„Deși Neonul nu este un experiment – ​​nu manipulăm pădurile sau sistemele făcând măsurători pe termen lung – începi să vezi ecosistemele ca pe un sistem complex”, a spus dr. Ankur Desai, profesor la Universitatea din Wisconsin-Madison. „Toate aceste părți diferite – ciclul apei, ciclul carbonului, speciile care interacționează – toate se schimbă. Și aceasta este speranța că obținem suficiente informații în suficiente locuri diferite pentru a înțelege lumea din jurul nostru.”

Marea detectie a mouse-ului

Dacă te trezești confruntat cu un șoarece mic cu blană maro; o burtă albă și ochi mari și întunecați, probabil că nu va fi imediat evident dacă te uiți la un șoarece căprior cu picioare albe sau un șoarece căprior din pădure. Trucul este lungimea urechii. Ambele specii se găsesc în Vestul Mijlociu de sus și sunt cruciale pentru cercetarea Dr. Michael J. Cramer, director asistent la Centrul de Cercetare a Mediului de la Universitatea Notre Dame din Wisconsin.

„Servesc ca un sistem model pentru a ajuta la înțelegerea modului în care populațiile naturale reacționează la schimbările de mediu, motiv pentru care le studiez”, a spus el. Bufnițele, șoimii, nevăstucile și vulpile pradă șoarecii, care mănâncă ei înșiși plante și semințe. „Acești șoareci sunt chiar în mijlocul rețelei trofice”, a spus Cramer. Prezența lor afectează nu numai animalele care le mănâncă, ci și speciile de arbori care depind de ei pentru a-și dispersa semințele. Apoi mai este competiția, cum ar fi veverițele și chipmunks, care mănâncă unele dintre aceleași resurse.

„Dacă aveți o populație sănătoasă de șoareci, asta indică, în general, un sistem de operare bine, în ceea ce privește dinamica pădurilor”, a spus Cramer. El prinde șoarecii, îi etichetează, îi eliberează și îi recaptură pentru a-și da o idee despre câți sunt în pădurile care se întind în vârful Wisconsinului și în Peninsula Superioară a Michigan.

Zona este destul de îndepărtată, ceea ce este probabil destul de drăguț pentru șoareci, dar nu neapărat atât de util pentru toate întrebările pe care Cramer spera să le răspundă. „Suntem înconjurați pe trei laturi de pădure națională, așa că nu suntem un sistem dominat de oameni”, a spus el. Dar NEON prinde și eliberează acești șoareci într-un alt loc, numit Treehaven, la aproximativ o oră și jumătate de mers cu mașina. „Pot să mă uit la datele lor, pe baza observațiilor pe care le-am făcut într-un mediu relativ curat, și apoi să le compar cu datele lui NEON care este colectat în medii care nu sunt curate și încearcă să trag niște concluzii despre modul în care cred că răspund șoarecii la nivel de specie”, el a spus.

Chiar dacă aceștia sunt șoareci de pădure – nu tipul pe care îl găsești de obicei într-o casă, a spus Cramer – este totuși important să ținem evidența lor pentru sănătatea umană. Sunt rezervoare pentru boala Lyme. „Nu răspândesc boala Lyme, dar o mențin în acea populație”, a spus el. Și acești șoareci se găsesc în multe state din S.U.A. Dacă Cramer ar fi vrut să facă niște comparații între Hooper șoareci și cei din alte regiuni, ar avea nevoie de o bursă uriașă și de o armată de studenți, a spus el.

În schimb, „Pot folosi date din alte situri și alte tipuri de habitat și alți biomi și, de asemenea, pot încerca să fac comparații despre ceea ce cred că fac șoarecii folosind datele NEON”, a spus el. „Îmi permite să-mi extind concluziile la scări mult mai mari.”

În timp ce abordarea lui Cramer este destul de low-tech - „Nu am bani să cumpăr atât de multe gulere radio pentru fiecare mouse”, a spus el – site-urile NEON au o mulțime de instrumente.

Cât de verde este această vale?

La intervale regulate, NEON zboară cu o aeronavă peste numeroasele sale locații. La bordul avionului se află camere, lidar și spectrometre de imagine. Spectrometrele furnizează imagini hiperspectrale, care sunt de înaltă rezoluție și captează lumină pe care ochiul uman nu o poate vedea. Este un pic ca și cum ai pune un filtru de culoare pe o cameră, dar pentru sute de culori. Ethan White încearcă să determine speciile de copaci pe baza acestor imagini hiperspectrale.

În funcție de culoarea lor, frunzele vor reflecta și absorb diferite lungimi de undă de lumină. Dacă mapați reflectanța față de toate culorile luminii, obțineți un spectru. Măsurarea acelui spectru la fiecare pixel al imaginii dezvăluie diferite trăsături ale frunzelor, cum ar fi cantitatea de azot sau fosfor. Camera dvs. tipică va capta lumina în spectrul vizibil - sau roșu, verde și albastru. O imagine hiperspectrală provine de la un dispozitiv care înregistrează 426 de benzi spectrale. „Ne poate permite să vedem diferențele dintre plante, în special, de sus”, a spus White University of Florida. „Ar fi dificil de văzut dacă totul pare verde, dar am putea vedea diferențe mari între două lucruri care erau verzi, utilizând informații diferite din acea imagine hiperspectrală.”

Pentru a putea vedea diferențele detaliate de culoare între frunzele unui stejar de curcan și ale unui stejar viu necesită fișiere de imagine uriașe. „Lucrăm cu terabytes și terabytes de imagini”, a spus White. „Facem cantități mari de calcule foarte intensive în centrul de calcul de înaltă performanță al Universității din Florida, pe care ei îl numesc HiPerGator, pentru că ne plac foarte mult alligatorii de aici.”

Vezi această postare pe Instagram

Nu este doar frumos – este informativ! Imagine de la Platforma de observație aeropurtată (AOP) a NEON deasupra terenului Yellowstone (YELL).⠀ ⠀ Lidar, sau „Light Detection and Ranging,” este un sistem activ de teledetecție în care lumina este emisă de la un laser cu tragere rapidă la bordul unui aeronave. Această lumină călătorește spre sol și se reflectă pe suprafețe precum ramurile copacilor. Energia luminii reflectate revine apoi la senzor, unde este înregistrată – lidar măsoară timpul necesar luminii emise pentru a ajunge la sol și înapoi. Oamenii de știință pot folosi astfel de date de teledetecție pentru a studia structura vegetației din diferite regiuni.⠀ ⠀ Aflați mai multe despre telecomanda NEON capabilități de detectare, AOP și toate datele noastre de pe site-ul nostru!⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #teledetecție #lidar #NEONdata #opendata #NEONscience #research #munca de teren

O postare distribuită de Știință NEON (@neon.sci) pe 13 august 2020 la 9:30 PDT

Deși White predă o clasă introductivă de informatică pentru biologi timp de aproximativ un deceniu, a spus el la un nivel mai larg, domeniul său încă trebuie să-și recupereze din urmă. „Angajarea cu acest lucru cu date la scara care este acum produsă de NEON este ceva foarte necunoscut pentru majoritatea ecologistilor”, a spus el. Tipurile de întrebări pe care White le analizează necesită totuși acea cantitate de date.

„Unul dintre lucrurile care ne interesează cu adevărat este că procesele care guvernează sistemele ecologice se schimbă în funcție de scara la care te uiți”, a spus el. Ceea ce afectează un copac individual - cantitatea de lumină solară pe care o primește în funcție de înălțimea vecinilor săi exemplu — deveniți mai puțin important pe măsură ce măriți din ce în ce mai mult, vă uitați și la un acru, o pădure sau un ecosistem de copaci. Modelele mai mari de precipitații și fluctuațiile de temperatură devin mai importante atunci când se compară copacii din Florida cu cei din New York. „Înțelegem că aceste procese se schimbă cu scara, dar nu am avut cu adevărat seturi de date care să ne permită să ne gândim la asta într-un fel destul de continuu”, a spus el.

Biblioteca de împrumut lichen

Într-o zonă industrială din Tempe, Arizona, există o clădire joasă, aproape albă. În ciuda exteriorului său modest, deține de fapt mii de mostre biologice, atât din colecția de istorie naturală a Universității de Stat din Arizona, cât și Biodepozitul lui NEON. Microbii, gândacii, țânțarii și mostrele de sol vor fi toate depozitate în clădire pentru cei 30 de ani pe care NEON va funcționa. Cele care trebuie ținute la rece sunt depozitate într-un congelator criogenic, iar ASU adaugă și o instalație de stocare a azotului lichid. Colecția ASU este, de asemenea, expusă, cu cutii de fluturi, borcane de vertebrate și a piele de urs atârnată de perete. Franz de la Arizona State University este directorul colecției.

“Absorbim aproximativ 110,00 de mostre anual, conform declarației de lucru pe care o avem în prezent cu NEON”, a spus el, „și aproximativ 70 la sută. dintre acele mostre trebuie păstrate la rece.” Timp de câteva luni, instalația a primit livrări zilnice de mostre, uneori de mai multe ori a zi. Unele dintre site-urile NEON au colectat mostre încă din 2013. Deși stocarea corectă a acestor mostre este o componentă importantă a ceea ce face echipa lui Franz, ei trebuie, de asemenea, să le catalogeze și să le urmărească. „De fapt, nu ar trebui să fim, pentru fiecare eșantion, ultima oprire vreodată”, a spus Franz. „Dimpotrivă, corect. Ar trebui să fim un fel de trecere pentru aceste mostre, astfel încât să se poată face cercetări suplimentare.”

Pentru a face NEON-uri portalul de date principal util cercetătorilor, personalul biodepozitarului trebuie să introducă o mulțime de informații, pe baza standardului Darwin Core. „Acest lucru este relativ aproape de ceva de genul a lingua franca, ca un standard utilizat pe scară largă la nivel global pentru transferul și adnotarea datelor, în raport cu specimenele de colecție de istorie naturală”, a spus Franz. Este menit să ofere cercetătorilor tot ce trebuie să știe despre un eșantion pe care nu l-au colectat ei înșiși: unde, când și cum a fost colectat; denumirea sa taxonomică și modul în care a fost identificat. „De asemenea, putem înregistra relațiile dintre eșantioane”, a spus Franz. „Deci, de exemplu, dacă „A” este un parazit cunoscut pentru „B”, avem mostre de la căpușe care au fost luate de la mamifere.”

Unele dintre solicitările primite de Franz ar putea ajuta cu o versiune americană a unui studiu de apocalipsă a insectelor. Universitatea din Oklahoma analizează schimbările în volumul nevertebratelor în aproximativ 50 de locuri, a spus el. Ei folosesc ceea ce se numește eșantioane de capcană. Paharele de plastic sunt lăsate în pământ zile sau săptămâni, adunând păianjeni, gândaci, râme și alte nevertebrate. Din aceste probe, cercetătorii pot extrapola numărul de astfel de animale din fiecare loc, precum și dimensiunea corpului lor. Cercetătorii văd deja diferențe în diferite regiuni. „Se pare că există tendințe subregionale pentru această apocalipsă a insectelor care sunt destul de interesante”, a spus Franz.

Pauza pentru pandemie

Poate îți imaginezi un ecologist ca pe cineva care ține un clipboard și poartă cizme de cauciuc în mijlocul unei păduri. Poate că imaginea dvs. a unui site NEON este a senzorilor care bâzâie, fără oameni la vedere. NEON are 181 produse de date — culegeri de măsurători precum presiunea barometrică sau temperatura în infraroșu sau concentrațiile de CO2 — pe care le emite; 108 dintre ele necesită observatori umani. „Ne bazăm foarte mult pe eșantionarea observațională”, a spus Zoe Gentes, specialist senior în comunicare la Battelle, care administrează NEON. „Dar în plus, sistemele noastre automate au nevoie de întreținere.”

„Este ceva care m-a lovit cu adevărat în primele câteva săptămâni de COVID”, a spus Mabee, om de știință șef al NEON. „Nu aveam idee cât de mult au nevoie de întreținerea senzorilor pentru a fi reîmprospătați și a le înlocui bateriile și chestie." Gentes a spus că mulți dintre senzori au rezistat foarte bine, cu excepția cazurilor de pene de curent sau inundare. Platforma de observare aeriană a NEON este acum limitată la anumite părți ale SUA care nu necesită zboruri comerciale, deoarece NEON nu permite personalului său să zboare, a spus Mabee. „Acesta nu este o muncă esențială”, a spus ea. „Este una importantă pentru noi. Este treaba noastră. Dar nu este o muncă esențială.”

Vezi această postare pe Instagram

Este un răsărit de soare #TowerTuesday la turnul de flux LAJA al lui NEON din Puerto Rico (2019).⠀ ⠀ Stația experimentală Lajas (LAJA) este situat la Centrul de Cercetare și Dezvoltare Lajas, una dintre cele șase stații de experimente agricole din Puerto Rico. Face parte din Domeniul Neotropical Atlantic al NEON (D04). Majoritatea terenului este deținută de campusul Mayaguez al Universității din Puerto Rico. Situat în colțul de sud-vest al insulei, unde este relativ arid, terenul oferă un contrast excelent cu condițiile pădurii curate de pe terenul Guánica (GUAN). Datele adunate la LAJA vor ajuta cercetătorii să evalueze impactul agriculturii și activității umane asupra ecosistemului local și să monitorizeze aceste impacturi în timp.⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #PuertoRico #sunrise #research #NEONscience #NEONdata #opendata #ecology #ecoscience #science #fluxtower

O postare distribuită de Știință NEON (@neon.sci) pe 11 august 2020 la 9:30 PDT

În timp ce NEON a căutat modalități de a face ecologia de teren sigură pentru a fi efectuată în timpul pandemiei, Mabee crede că practicienii săi ar putea arunca o a doua privire asupra proiectului acum. „Cu siguranță, în vremurile de COVID, cred că oamenii s-au așezat la computere și nu au ieșit prea mult pe teren”, a spus ea. „Și așa s-a transformat într-adevăr în centrul atenției asupra acestor tipuri de date.”

În primele zile ale NEON, a existat o teamă în rândul unor oameni de știință că încerca să înlocuiască complet munca de teren. „Cred că inițial au marcat greșit NEON pentru că spuneau „oh, acum poți face ecologie de pe desktop”, a spus Cramer, care a studiat șoarecii în Wisconsin. „Și există o mare parte a ecologistilor care au spus: „Da, nu de asta am intrat în ecologie. Vrem să ieșim afară.”

Alte critici la adresa NEON au fost că ar putea duce la făcând știință „înapoi”, creând date, apoi căutând o ipoteză. Au existat îngrijorări că FSN-ul Rețeaua de cercetare ecologică pe termen lung ar pierde finanțarea în favoarea lui NEON. „Nu ajută cu nimic faptul că NEON a apărut într-un moment în care a existat o mulțime de neliniști cu privire la scăderea finanțării pentru știință”, a spus Clark, de la Universitatea Duke.

A durat atât de mult până când proiectul a demarat pe deplin, încât între timp intra în disciplină o nouă generație de ecologiști. La anul trecut Societatea Ecologică a Americiiîntâlnirea anuală a lui, dr. Kyla Dahlin a postat pe Twitter: „Obosit să aud bătrâni morocănos plângându-se @NEON_sci? Vino să auzi de la utilizatorii actuali NEON...”

Ecologul terestru Nagy a fost implicat într-o pregătire pentru a se asigura că niciun ecologist nu este lăsat în urmă. „Cred că aceasta este una dintre primele provocări, este doar să ne asigurăm că ecologiștii în general au abilitățile necesare pentru a utiliza astfel de date”, a spus ea. „Este o resursă foarte grozavă, deoarece este disponibilă în mod gratuit și deschis pentru oricine, dar trebuie să aveți aceste cunoștințe despre cum să utilizați datele pentru a le face utile.”

Un ecosistem de ecologisti

„Cred că unul dintre cele mai, dacă nu cel mai, lucruri interesante despre NEON este potențialul de a promova comunitatea și o colaborare mai largă în ecologie în general”, a spus White. Grupul său lucrează cu cercetători de la departamentele de informatică și silvicultură ale școlii la proiectele sale de arbori. El lucrează la combinarea datelor NEON cu unele din programul de inventariere și analiză forestieră al Serviciului Forestier din SUA. La fel ca integrarea a două seturi de date, crearea unei echipe din medii științifice diferite necesită crearea unui vocabular comun.

Chiar și în afara NEON, ecologia s-a extins pentru a se potrivi cu date mai mari și întrebări mai mari. White a observat-o acum un deceniu când a început să predea cursuri de informatică. „Există acum multe, multe laboratoare care nu colectează în sine date de teren, ci pur și simplu lucrează pe date care pot fi obținute din produse de teledetecție sau din alte produse de rețea”, a spus Clark. Desai face ecou. „Este posibil să avem studenți care lucrează pe terenuri pe care nu le-au văzut niciodată”, a spus el. „Și poate că este puțin diferit – inconfortabil – pentru unii oameni din ecologie.”

Desai a urmărit dezvoltarea lui NEON din interior și din exterior. Anterior, a fost membru al Comitetului consultativ pentru Știință, Tehnologie și Educație. Sentimentele lui despre proiect sunt amestecate. El îi laudă pe oamenii de știință care lucrează acolo, dar spune că managementul său a avut suișuri și coborâșuri. NEON a contribuit la standardizarea atât de necesară instrumentelor și măsurătorilor care sunt esențiale pentru a răspunde la unele dintre marile întrebări ale ecologiei. Mulți ecologiști cred că datele NEON vor ajuta să începeți să răspundeți la unele dintre aceste întrebări.

„Dacă vorbești cu Fundația Națională de Știință, ei spun întotdeauna: „NEON-ul nu este chestia. Biologia macrosistemelor este chestia”, a spus Desai. „Neonul este instrumentul care face ca această știință să se întâmple. Și dacă se dovedește că avem nevoie de un alt instrument peste 10 ani, atunci așa să fie.”