NEON — это экологическая обсерватория США стоимостью 460 миллионов долларов.

В ноябре 2018 года журнал The New York Times опубликовал статью под названием Апокалипсис насекомых. Во многом он был основан на исследованиях численности насекомых в Центральной Европе. Статья привлекла большое внимание, в том числе доктора Нико Франца, профессора Школы естественных наук Университета штата Аризона. «Я не мог быть единственным энтомологом — любителем насекомых — который задавался вопросом: «Ух ты, а есть ли у нас вообще данные по этому поводу в США?» — сказал он. действительно не было в прошлом, но сейчас существует огромный проект, который пытается собрать такого рода информацию на будущее.

Национальная сеть экологических обсерваторий (NEON) — это группа сайтов по всей территории США, где экологи и инструменты собирают огромное количество данных, чтобы попытаться получить общую картину происходящего.

изменение климата, биоразнообразие, ресурсы пресной воды и другие сложные экологические проблемы. Он заработал на полную мощность только с прошлого года, а потом случилась пандемия. Но это далеко не первая проблема, с которой столкнется амбициозный проект, и уж точно не последняя. Предполагается, что NEON будет собирать данные еще несколько десятилетий.

Более двух десятилетий в процессе создания, 30 лет в будущем

История NEON восходит к концу 1990-х и началу 2000-х годов, когда экологи и биологи настаивали на создании межконтинентальной сети. что-то вроде сети датчиков землетрясения, но для экологии вместо землетрясений. Они обратились в Национальный научный фонд (NSF) с идеей и стоимостью — почти 400 миллионов долларов на строительство плюс миллионы долларов в год на эксплуатацию в течение трех десятилетий. «Это действительно огромные инвестиции Национального научного фонда, которых раньше еще не было. такой масштаб в экологии», — сказала доктор Челси Надь, наземный эколог из Университета Колорадо. Валун.

Окончательный вариант сайта был запущен в прошлом году, и период между первой идеей и нынешним моментом был наполнен всевозможными головными болями. Было проблемы финансирования с Конгрессом, Это прошло сверх бюджета (в итоге это стоило 460 миллионов долларов), и надзор за проектом поменял руки. Затем NSF выбрал Battelle, которая управляет несколькими национальными лабораториями, для надзора за NEON. Только в прошлом году организация уволил двух высокопоставленных сотрудников, заставляя других уйти в отставку. Но затем, несколько месяцев спустя, в мае 2019 года, NEON стал полностью работоспособен.

Однако это не было похоже на то, что свет и датчики включились одновременно. Многие из 81 сайта NEON собирают данные уже много лет. Есть 81 сайт в 20 доменах, включая тундру и тайгу на Аляске, южные равнины, покрывающие значительную часть Техаса, и великие озера, а также несколько участков в Висконсине. Эти экоклиматические зоны призваны отражать разнообразные ландшафты, экосистемы и растительность США.

На каждом участке целый ряд технологий, а также полевой персонал должны собирать данные о растениях, животных, погоде, воде, почве и многом другом. Благодаря стандартизированным инструментам и измерениям данные будет легче сравнивать.

Это может показаться достаточно простым, но экология не всегда работает таким образом. «Одна из особенностей экологии исторически заключается в том, что мы склонны задавать конкретный вопрос в определенном месте, используя определенный набор методов, а затем никто больше никогда не делает то же самое», — сказал доктор Итан Уайт, профессор кафедры экологии и охраны дикой природы Университета Флориды. «И поэтому, когда выводы, к которым пришел один набор документов, отличаются от выводов другого набора, мы не совсем уверены, почему эти выводы отличаются».

«Сейчас я провожу метаанализ и собираю отдельные исследования», — сказал Надь из Университета Колорадо. «И поэтому очень сложно анализировать данные, которые собираются разными людьми разными способами, потому что иногда они измеряют разные вещи, а иногда они измеряют одно и то же, но используют другой метод». По ее словам, в NEON все, что собирается на сайтах, делается с использованием одной и той же методологии, что упрощает сбор информации. сравнивать.

Данные также пространственно интегрированы — то есть это совокупность измерений, собранных с одного и того же сайта. «Например, это дает исследователю, даже на этом одном участке, возможность просто интегрировать все эти данные», — сказала доктор Паула Маби, главный научный сотрудник NEON и директор обсерватории. Несмотря на более чем 8000 датчиков, NEON не предназначен для мониторинга всего.

«Многие объекты NEON расположены в местах, где активно уничтожаются инвазивные виды. Так что они определенно не собираются нам в этом помогать», — сказал доктор Джеймс Кларк, эколог из Университета Дьюка. Надь интересуется, как лесные пожары влияют на инвазивные виды, но, поскольку объекты NEON не сгорели, она не может включить их в свое исследование.

Регулярный сбор данных от Гавайев до Пуэрто-Рико призван ответить на шесть «грандиозные задачи в области наук об окружающей среде», например, о том, как люди влияют на биоразнообразие и как предотвратить инфекционные заболевания среди различных видов. На каждом объекте установлены камеры, ловушки и тысячи датчиков. Исследователи могут изучить биогеохимию, почвенные микробы, информацию дистанционного зондирования и водные данные, чтобы получить ощущение того, как они взаимодействуют, а также то, как изменения проявляются у млекопитающих, минералов и микробы.

«Хотя Neon — это не эксперимент, мы не манипулируем лесами или системами, проводя измерения в долгосрочной перспективе. вы начинаете рассматривать экосистемы как сложную систему», — сказал доктор Анкур Десаи, профессор Университета Висконсин-Мэдисон. «Все эти различные части — водный цикл, углеродный цикл, взаимодействующие виды — все меняются. И это надежда на то, что мы получим достаточно информации в достаточном количестве разных мест, чтобы понять мир вокруг нас».

Отличное обнаружение мыши

Если вы столкнулись с маленькой мышкой с коричневым мехом; белый живот и большие темные глаза, это, вероятно, не сразу бросается в глаза, если вы смотрите на белоногою мышь-оленя или лесную мышь-оленя. Хитрость в длине ушей. Оба вида встречаются в верхней части Среднего Запада и имеют решающее значение для исследований доктора Майкла Дж. Крамер, заместитель директора Центра экологических исследований Университета Нотр-Дам в Висконсине.

«Они служат модельной системой, помогающей понять, как естественные популяции реагируют на изменения окружающей среды, поэтому я их изучаю», — сказал он. Совы, ястребы, ласки и лисы охотятся на мышей, которые сами поедают растения и семена. «Эти мыши находятся прямо в центре пищевой сети», — сказал Крамер. Их присутствие влияет не только на животных, которые их поедают, но и на виды деревьев, которым они нужны для распространения своих семян. Кроме того, есть конкуренты, такие как белки и бурундуки, которые едят одни и те же ресурсы.

«Если у вас есть здоровая популяция мышей, это, как правило, свидетельствует о хорошо работающей системе с точки зрения динамики леса», — сказал Крамер. Он ловит мышей, маркирует их, выпускает и снова ловит, чтобы получить представление о том, сколько их находится в лесах, простирающихся через вершину Висконсина и до Верхнего полуострова Мичигана.

Район довольно отдаленный, что, вероятно, неплохо для мышей, но не обязательно полезно для всех вопросов, на которые Крамер надеется ответить. «Мы с трех сторон окружены национальным лесом, поэтому мы не являемся системой, в которой доминирует человек», — сказал он. Но NEON также отлавливает и выпускает этих мышей в другом месте, под названием Трихейвен, примерно в полутора часах езды отсюда. «Я могу посмотреть на их данные, основанные на наблюдениях, которые я сделал в относительно нетронутой среде, а затем сравнить их с данными NEON, которые собраны в недевственной среде, и попытаюсь сделать некоторые выводы о том, как, по моему мнению, мыши реагируют на видовом уровне», — он сказал.

Несмотря на то, что это лесные мыши, а не те, которых обычно можно встретить в доме, говорит Крамер, все равно важно следить за ними для здоровья человека. Они являются резервуарами болезни Лайма. «Они не распространяют болезнь Лайма, но поддерживают ее среди населения», — сказал он. И эти мыши обитают во многих штатах США. Если бы Крамер захотел провести сравнение между Юпер мышей и тех, кто живет в других регионах, ему понадобится огромный грант и армия аспирантов, сказал он.

Вместо этого «я могу использовать данные из других мест, других типов среды обитания и других биомов, а также попытаться сравнить то, что, по моему мнению, делают мыши, используя данные NEON», — сказал он. «Это позволяет мне расширить мои выводы до гораздо больших масштабов».

Хотя подход Крамера довольно примитивен — «у меня нет денег, чтобы покупать столько маленьких радиоошейников для каждой мыши», — сказал он, — на сайтах NEON действительно есть множество инструментов.

Насколько зелена эта долина?

Через регулярные промежутки времени NEON пролетает на самолете над своими многочисленными объектами. На борту самолета находятся камеры, лидар и спектрометры визуализации. Спектрометры обеспечивают гиперспектральные изображения, которые имеют высокое разрешение и улавливают свет, невидимый человеческому глазу. Это немного похоже на установку цветного фильтра на камеру, но для сотен цветов. Итан Уайт пытается определить виды деревьев на основе этих гиперспектральных изображений.

В зависимости от цвета листья отражают и поглощают свет разной длины. Если вы нанесете на карту отражение всех цветов света, вы получите спектр. Измерение этого спектра в каждом пикселе изображения позволяет выявить различные характеристики листьев, например, количество азота или фосфора. Ваша типичная камера будет захватывать свет в видимом — красном, зеленом и синем — спектре. Гиперспектральное изображение получается с устройства, записывающего 426 спектральных полос. «Это может позволить нам увидеть различия между растениями, в частности, сверху», — сказал Уайт из Университета Флориды. «Это было бы трудно увидеть, если бы все выглядело зеленым, но мы могли бы увидеть большие различия между двумя вещами, которые были зелеными, используя разную информацию из этого гиперспектрального изображения».

Чтобы увидеть детальные различия в цвете листьев индюшачьего дуба и песчаного живого дуба, требуются огромные файлы изображений. «Мы работаем с терабайтами и терабайтами изображений», — сказал Уайт. «Мы выполняем большие объемы очень интенсивных вычислений в высокопроизводительном вычислительном центре Университета Флориды, который они называют HiPerGator, потому что нам здесь очень нравятся аллигаторы».

Посмотреть этот пост в Instagram

Это не просто красиво – это познавательно! Изображение с бортовой наблюдательной платформы NEON (AOP) над Йеллоустонским полем (YELL).⠀ ⠀ Лидар, или «Световой «Обнаружение и определение дальности» — это активная система дистанционного зондирования, в которой свет излучается быстродействующим лазером, установленным на борту космического корабля. самолет. Этот свет падает на землю и отражается от поверхностей, таких как ветки деревьев. Энергия отраженного света затем возвращается к датчику, где она регистрируется — лидар измеряет время, необходимое излучаемому свету, чтобы добраться до земли и обратно. Ученые могут использовать подобные данные дистанционного зондирования для изучения структуры растительности в разных регионах.⠀ ⠀ Узнайте больше о дистанционном управлении NEON. возможности зондирования, АОП и все наши данные на нашем сайте!⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #remotesensing #lidar #NEONdata #opendata #NEONscience #research #полеваяработа

Сообщение, опубликованное пользователем НЕОН Наука (@neon.sci) в 13 августа 2020 г., 9:30 по тихоокеанскому времени

Хотя Уайт уже около десяти лет преподает вводный курс информатики для биологов, он сказал, что в более широком плане его область все еще нуждается в догоне. «Работа с данными в том масштабе, который сейчас производит NEON, — это то, что очень незнакомо большинству экологов», — сказал он. Однако вопросы, которые изучает Уайт, требуют такого количества данных.

«Одна из вещей, которая нас действительно интересует, — это то, что процессы, управляющие экологическими системами, меняются в зависимости от масштаба, на который вы смотрите», — сказал он. Что влияет на отдельное дерево — количество солнечного света, которое оно получает, в зависимости от высоты его соседей, например пример — становятся менее важными по мере того, как вы увеличиваете масштаб изображения все дальше и дальше, взгляните на акр, лес или экосистему деревья. Более крупные закономерности осадков и колебаний температуры становятся более важными при сравнении деревьев во Флориде и Нью-Йорке. «Мы понимаем, что эти процессы меняются в зависимости от масштаба, но на самом деле у нас нет наборов данных, которые позволили бы нам думать об этом достаточно непрерывно», — сказал он.

Библиотека выдачи лишайников

В промышленном районе Темпе, штат Аризона, стоит невысокое грязно-белое здание. Несмотря на скромный внешний вид, в нем на самом деле хранятся тысячи биологических образцов, как из коллекции естественной истории Университета штата Аризона, так и из коллекции. Биорепозиторий NEON. Микробы, жуки, комары и образцы почвы будут храниться в здании в течение 30 лет работы NEON. Те, которые необходимо хранить в холоде, хранятся в криогенной морозильной камере, а ASU также добавляет хранилище жидкого азота. Также представлена ​​коллекция АГУ: ящики с бабочками, банки с позвоночными животными и шкура медведя висит на стене. Франц из Университета штата Аризона является директором коллекции.

“Мы собираем примерно 110 000 образцов ежегодно, согласно техзаданию, которое у нас в настоящее время есть с NEON», — сказал он, — «и около 70 процентов из этих образцов необходимо хранить в прохладном месте». В течение нескольких месяцев в учреждение ежедневно поступали образцы, иногда несколько раз в день. день. Некоторые сайты NEON собирали образцы еще в 2013 году. Хотя правильное хранение этих образцов является важным компонентом работы команды Франца, им также необходимо их каталогизировать и отслеживать. «На самом деле мы не должны быть конечной остановкой для каждого образца», — сказал Франц. «Наоборот, да. Мы должны быть своего рода пропускным пунктом для этих образцов, чтобы можно было провести дополнительные исследования».

Чтобы сделать NEON главный портал данных Это полезно для исследователей: персоналу биохранилища приходится вводить много информации в соответствии с Базовым стандартом Дарвина. «Это относительно близко к чему-то вроде лингва франка, как широко используемый во всем мире стандарт для передачи и аннотирования данных относительно образцов из коллекций естествознания», — сказал Франц. Его цель — предоставить исследователям всю необходимую информацию об образце, который они не собирали сами: где, когда и как он был собран; его таксономическое название и способ его идентификации. «Мы также можем записывать взаимосвязи между образцами», — сказал Франц. «Так, например, если «А» является известным паразитом «Б», у нас есть образцы клещей, взятых у млекопитающих».

Некоторые из запросов, которые получил Франц, могут помочь в американской версии исследования апокалипсиса насекомых. По его словам, Университет Оклахомы изучает изменения в количестве беспозвоночных примерно на 50 участках. Они используют так называемые образцы-ловушки. Пластиковые стаканчики оставляют в земле на несколько дней или недель, собирая пауков, жуков, дождевых червей и других беспозвоночных. На основе этих образцов исследователи могут экстраполировать количество таких животных на каждом участке, а также размер их тела. Исследователи уже видят различия в разных регионах. «Похоже, что в этом апокалипсисе насекомых существуют субрегиональные тенденции, которые довольно интересны», — сказал Франц.

Пауза из-за пандемии

Возможно, вы представляете эколога как человека, держащего блокнот в резиновых сапогах посреди леса. Возможно, ваш образ сайта NEON состоит из гудящих датчиков и отсутствия людей в поле зрения. НЕОН имеет 181 продукт данных — наборы измерений, таких как барометрическое давление, инфракрасная температура или концентрация CO2 — которые он выдаёт; 108 из них требуют присутствия людей-наблюдателей. «Мы во многом полагаемся на выборку из наблюдений», — сказала Зои Гентес, старший специалист по коммуникациям компании Battelle, которая управляет NEON. «Но помимо этого, наши автоматизированные системы нуждаются в обслуживании».

«Это то, что действительно поразило меня в первые несколько недель после COVID», — сказал Маби, главный научный сотрудник NEON. «Я просто понятия не имел, сколько времени уходит на обновление датчиков, замену батарей и вещи." Гентес сказал, что многие датчики работают очень хорошо, за исключением случаев отключения электроэнергии или наводнение. По словам Маби, платформа воздушного наблюдения NEON теперь ограничена определенными частями США, которые не требуют коммерческих рейсов, поскольку NEON не разрешает своим сотрудникам летать. «Это не основная работа», — сказала она. «Для нас это важно. Это наша работа. Но это не основная работа».

Посмотреть этот пост в Instagram

Это восход #TowerTuesday на башне потока LAJA компании NEON в Пуэрто-Рико (2019).⠀ ⠀ Экспериментальная станция Лахас (LAJA) расположен в Центре исследований и разработок Лахаса, одной из шести сельскохозяйственных экспериментальных станций в Пуэрто. Рико. Он является частью Атлантического неотропического домена NEON (D04). Большая часть земли принадлежит кампусу Университета Пуэрто-Рико Маягуес. Расположенное в юго-западной части острова, где относительно засушливо, это поле представляет собой прекрасный контраст с девственными лесами на поле Гуаника (ГУАН). Данные, собранные в LAJA, помогут исследователям оценить влияние сельского хозяйства и человеческой деятельности на местную экосистему и провести мониторинг. эти воздействия со временем.⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #Пуэрто-Рико #sunrise #research #NEONscience #NEONdata #opendata #ecology #ecoscience #science #fluxtower

Сообщение, опубликованное пользователем НЕОН Наука (@neon.sci) в 11 августа 2020 г., 9:30 по тихоокеанскому времени

В то время как NEON ищет способы сделать экологию полей безопасной во время пандемии, Маби считает, что ее специалисты могут сейчас еще раз взглянуть на проект. «Конечно, во времена COVID, я думаю, люди сели за свои компьютеры и не слишком много выходили на поле», — сказала она. «И поэтому это действительно привлекло внимание к этим типам данных».

На заре существования NEON некоторые учёные опасались, что он пытается полностью заменить полевые работы. «Я думаю, что изначально они неправильно назвали NEON, потому что говорили: «О, теперь вы можете заниматься экологией со своего рабочего стола», — сказал Крамер, изучающий мышей в Висконсине. «И есть большая часть экологов, которые говорили: «Да, мы не поэтому занимаемся экологией». Мы хотим выйти на улицу».

Другая критика NEON заключалась в том, что это может привести к заниматься наукой «назад»», создание данных, а затем поиск гипотезы. Были опасения, что NSF Сеть долгосрочных экологических исследований потеряет финансирование в пользу NEON. «Не помогает то, что NEON появился в то время, когда было очень много беспокойства по поводу сокращения финансирования науки», — сказал Кларк из Университета Дьюка.

На реализацию проекта ушло так много времени, что тем временем в эту дисциплину пришло целое новое поколение экологов. В прошлом году Экологическое общество Америкиежегодное собрание, доктор Кайла Далин написал в Твиттере: «Устал слушать, как сварливые старики жалуются на @NEON_sci? Послушайте реальных пользователей NEON…»

Наземный эколог Надь принял участие в тренинге, чтобы ни один эколог не остался без внимания. «Я думаю, что это одна из первых задач — просто убедиться, что у экологов в целом есть навыки, необходимые для использования подобных данных», — сказала она. «Это действительно классный ресурс, потому что он бесплатно и открыто доступен каждому, но вам нужно обладать знаниями о том, как использовать данные, чтобы сделать их полезными».

Экосистема экологов

«Я думаю, что одна из самых, если не самая интересная вещь в NEON — это потенциал для развития сообщества и более широкого сотрудничества в области экологии в целом», — сказал Уайт. Его группа работает с исследователями из школьного факультета информатики и лесного хозяйства над его проектами по созданию деревьев. Он работает над объединением данных NEON с некоторыми данными из программы лесной инвентаризации и анализа Лесной службы США. Точно так же, как интеграция двух наборов данных, создание команды с разным научным опытом требует создания общего словаря.

Даже за пределами NEON экология расширяется, чтобы соответствовать большим данным и более масштабным вопросам. Уайт заметил это десять лет назад, когда начал преподавать уроки информатики. «Сейчас существует множество лабораторий, которые сами не собирают никаких полевых данных, а просто работают с данными, которые можно получить с помощью продуктов дистанционного зондирования или других сетевых продуктов», — сказал Кларк. Десаи повторяет это. «У нас могут быть студенты, работающие на местах, которых они никогда не видели», — сказал он. «И это, возможно, немного другое — неудобно — для некоторых людей, занимающихся экологией».

Десаи наблюдал за развитием NEON изнутри и снаружи. Ранее он был членом Консультативного комитета по науке, технологиям и образованию. Его чувства по поводу проекта неоднозначные. Он хвалит ученых, которые там работают, но говорит, что у его руководства были взлеты и падения. NEON помог обеспечить столь необходимую стандартизацию инструментов и измерений, которые имеют решающее значение для ответа на некоторые важные вопросы экологии. Многие экологи считают, что данные NEON помогут начать отвечать на некоторые из этих вопросов.

«Если вы поговорите с Национальным научным фондом, они всегда скажут: «НЕОН — это не то». Макросистемная биология — это то, что нужно», — сказал Десаи. «Неон — это инструмент, позволяющий реализовать эту науку. И если окажется, что через 10 лет нам понадобится другой инструмент, то пусть будет так».