NEON je ekologické observatórium v ​​hodnote 460 miliónov dolárov pre USA.

V novembri 2018 The New York Times Magazine uverejnil článok s názvom Apokalypsa hmyzu. Vo veľkej miere vychádzal zo štúdií o výskyte hmyzu v strednej Európe. Článok si získal veľkú pozornosť, vrátane článku Dr. Nica Franza, profesora na School of Life Sciences Arizona State University. „Nemohol som byť jediným entomológom – hmyzom – ktorý sa čudoval: ‚Wow, máme na to v USA vôbec údaje?‘,“ povedal. Naozaj tam nebolo v minulosti, ale teraz existuje obrovský projekt, ktorý sa snaží zhromaždiť tento druh informácií pre budúcnosť.

Sieť národných ekologických observatórií (NEON) je skupina lokalít po celých USA, kde ekológovia a nástroje zhromažďujú množstvo údajov, aby sa pokúsili získať celkový obraz. zmena podnebia, biodiverzitusladkovodné zdroje a ďalšie zložité ekologické problémy. V plnej prevádzke je len od minulého roka – a potom došlo k pandémii. Ale to nie je ani zďaleka prvá výzva, ktorej bude ambiciózny projekt čeliť, a určite nie posledná. NEON má pokračovať v zhromažďovaní údajov ešte niekoľko desaťročí.

Viac ako dve desaťročia vo výrobe, 30 rokov do budúcnosti

História NEONu siaha do konca 90. rokov a začiatku 21. storočia, kedy ekológovia a biológovia presadzovali vytvorenie medzikontinentálnej siete, niečo ako sieť senzorov zemetrasenia, ale pre ekológiu namiesto zemetrasení. Oslovili Národnú vedeckú nadáciu (NSF) s nápadom a nákladmi – takmer 400 miliónov dolárov na výstavbu plus milióny dolárov ročne na prevádzku počas troch desaťročí. „Je to skutočne obrovská investícia od Národnej vedeckej nadácie, taká, aká tu ešte nebola táto mierka v rámci ekológie,“ povedala Dr. Chelsea Nagyová, suchozemská ekologička z Coloradskej univerzity. Boulder.

Finálna stránka bola spustená minulý rok a medzitým medzi prvým nápadom a súčasnosťou boli všetky druhy bolestí hlavy. Boli tam problémy s financovaním s Kongresom, išlo to cez rozpočet (nakoniec to stálo 460 miliónov dolárov), a dohľad nad projektom zmenil ruky. NSF si potom vybrala Battelle, ktorá prevádzkuje niekoľko národných laboratórií, aby dohliadala na NEON. Len minulý rok organizácia prepustili dvoch vysokopostavených zamestnancov, spôsobiť, že ostatní rezignujú. Ale potom, o niekoľko mesiacov neskôr, v máji 2019, sa stal NEON plne funkčný.

Nebolo to však tak, že by sa svetlá – a senzory – rozsvietili naraz. Mnohé z 81 stránok NEON zhromažďujú údaje už roky. Existujú 81 stránok v 20 doménachvrátane tundry a tajgy na Aljaške, južných plání pokrývajúcich veľkú časť Texasu a veľkých jazier s niekoľkými miestami vo Wisconsine. Tieto ekoklimatické zóny majú reprezentovať rôznorodé terény, ekosystémy a vegetáciu USA.

Na každom mieste má množstvo technológií, ako aj terénny personál zhromažďovať pozorovania o rastlinách, zvieratách, počasí, vode, pôde a ďalších. Vďaka štandardizovaným nástrojom a meraniam by sa údaje mali ľahšie porovnávať.

Môže to znieť jednoducho, ale ekológia nie vždy takto funguje. „Jednou z vecí na ekológii je historicky to, že sme mali tendenciu klásť konkrétnu otázku na konkrétnom mieste pomocou konkrétneho súboru metód a potom nikto už nikdy neurobí presne to isté,“ povedal Dr. Ethan White, profesor na Katedre ekológie a ochrany voľne žijúcich živočíchov na Floridskej univerzite. "A keď sa závery, ku ktorým dospela jedna skupina dokumentov, líšia od inej sady, nie sme si istí, prečo sú tieto závery odlišné."

„Práve teraz robím metaanalýzu a zbieram jednotlivé štúdie,“ povedal Nagy z University of Colorado. „A preto je naozaj ťažké analyzovať údaje, ktoré zozbieralo mnoho rôznych ľudí rôznymi spôsobmi, pretože niekedy merajú rôzne veci a niekedy merajú to isté, ale používajú inú metódu." S NEON, povedala, všetko zhromaždené na stránkach sa robí pomocou rovnakej metodiky, čo uľahčuje porovnať.

Údaje sú tiež priestorovo integrované – čo znamená, že ide o množstvo meraní zozbieraných z toho istého miesta. „To, čo napríklad výskumníkovi poskytuje, dokonca aj na tomto jednom mieste, je spôsob, ako jednoducho integrovať všetky tieto údaje,“ povedala Dr. Paula Mabee, hlavná vedkyňa a riaditeľka observatória NEON. Napriek svojim viac ako 8 000 senzorom nie je NEON navrhnutý tak, aby monitoroval všetko.

„Veľa miest NEON je na miestach, kde sa aktívne odstraňovajú invázne druhy. Takže nám s tým určite nepomôžu,“ povedal Dr. James Clark, ekológ z Duke University. Nagy sa zaujíma o to, ako lesné požiare ovplyvňujú invázne druhy, ale keďže lokality NEON nezhoreli, nemôže ich zahrnúť do svojho výskumu.

Pravidelné zhromažďovanie údajov z Havaja do Portorika má zodpovedať šiestim „veľké výzvy v environmentálnych vedách“, napríklad ako ľudia ovplyvňujú biodiverzitu a ako predchádzať infekčným chorobám pre rôzne druhy. Na každom mieste sú umiestnené kamery, pasce a tisíce senzorov. Výskumníci sa môžu pozrieť na biogeochémiu, pôdne mikróby, informácie z diaľkového snímania a údaje o vodách zmysel pre ich interakciu, ako aj to, ako sa zmeny prejavujú u cicavcov, minerálov a mikróby.

„Hoci Neon nie je experiment – ​​nemanipulujeme s lesmi alebo systémami meraním z dlhodobého hľadiska – začnete vnímať ekosystémy ako komplexný systém,“ povedal Dr. Ankur Desai, profesor na Univerzite Wisconsin-Madison. "Všetky tieto rôzne časti - cyklus vody, uhlíkový cyklus, druhy, ktoré sú v interakcii - všetky sa menia. A to je nádej, že dostaneme dostatok informácií na dosť rôznych miestach, aby sme pochopili svet okolo nás.“

Skvelá detekcia myši

Ak sa ocitnete v konfrontácii s malou myšou s hnedou srsťou; biele brucho a veľké tmavé oči, to pravdepodobne nebude hneď zrejmé, ak sa pozeráte na myšiaka bielonohého alebo myšiaka lesného. Trik je v dĺžke ucha. Oba druhy sa nachádzajú na hornom stredozápade a sú kľúčové pre výskum Dr. Michaela J. Cramer, asistent riaditeľa Environmentálneho výskumného centra University of Notre Dame vo Wisconsine.

"Slúžia ako modelový systém, ktorý pomáha pochopiť, ako prirodzené populácie reagujú na zmeny životného prostredia, a preto ich študujem," povedal. Sovy, jastraby, lasice a líšky sa živia myšami, ktoré samy jedia rastliny a semená. "Tieto myši sú priamo uprostred potravinovej siete," povedal Cramer. Ich prítomnosť má vplyv nielen na zvieratá, ktoré ich jedia, ale aj na druhy stromov, ktoré sú od nich závislé, aby rozptýlili svoje semená. Potom je tu konkurencia, ako sú veveričky a chipmunkovia, ktorí jedia niektoré z rovnakých zdrojov.

"Ak máte zdravú populáciu myší, vo všeobecnosti to svedčí o dobre fungujúcom systéme, pokiaľ ide o dynamiku lesa," povedal Cramer. Chytí myši, označí ich, vypustí a znovu zachytí, aby zistil, koľko ich je v lesoch, ktoré sa tiahnu cez vrchol Wisconsinu až po horný polostrov Michigan.

Táto oblasť je pomerne vzdialená, čo je pravdepodobne celkom pekné pre myši, ale nie nevyhnutne také užitočné pre všetky otázky, ktoré Cramer dúfa, že odpovie. "Sme obklopení z troch strán národnými lesmi, takže nie sme systémom ovládaným ľuďmi," povedal. Ale NEON tiež chytí a vypúšťa tieto myši na inom mieste s názvom Treehaven, vzdialenom asi hodinu a pol jazdy. „Môžem sa pozrieť na ich údaje na základe pozorovaní, ktoré som urobil v relatívne nedotknutom prostredí, a potom ich porovnať s údajmi NEON, ktoré sa zhromažďuje v nedotknutých prostrediach a skúste vyvodiť nejaké závery o tom, ako si myslím, že myši reagujú na úrovni druhov,“ povedal.

Aj keď sú to lesné myši - nie typ, ktorý zvyčajne nájdete v dome, povedal Cramer - je stále dôležité sledovať ich pre ľudské zdravie. Sú rezervoármi pre lymskú boreliózu. "Nešíria lymskú boreliózu, ale udržiavajú ju v tejto populácii," povedal. A tieto myši sa nachádzajú v mnohých štátoch USA. Keby chcel Cramer urobiť nejaké porovnanie medzi nimi Yooper myšiam a tým v iných regiónoch, bude potrebovať obrovský grant a armádu postgraduálnych študentov, povedal.

Namiesto toho „môžem využiť údaje z iných lokalít a iných typov biotopov a iných biomov a tiež sa pokúsiť porovnať to, čo si myslím, že myši robia pomocou údajov NEON,“ povedal. "Umožňuje mi to rozšíriť moje závery na oveľa väčšie váhy."

Zatiaľ čo Cramerov prístup je pomerne nenáročný – „Nemám peniaze na to, aby som si kúpil toľko malých, maličkých rádiových obojkov pre každú myš,“ povedal – stránky NEON majú veľa nástrojov.

Aké zelené je toto údolie?

V pravidelných intervaloch NEON lieta lietadlom nad svojimi mnohými miestami. Na palube lietadla sú kamery, lidar a zobrazovacie spektrometre. Poskytujú spektrometre hyperspektrálne obrázky, ktoré majú vysoké rozlíšenie a zachytávajú svetlo, ktoré ľudské oko nevidí. Je to trochu ako umiestniť farebný filter na fotoaparát, ale pre stovky farieb. Ethan White sa na základe týchto hyperspektrálnych obrázkov snaží určiť druhy stromov.

V závislosti od farby budú listy odrážať a absorbovať rôzne vlnové dĺžky svetla. Ak zmapujete odrazivosť voči všetkým farbám svetla, získate spektrum. Meranie tohto spektra v každom pixeli obrázka odhalí rôzne vlastnosti listov, ako je množstvo dusíka alebo fosforu. Váš typický fotoaparát zachytí svetlo vo viditeľnom – alebo červenom, zelenom a modrom – spektre. Hyperspektrálny obraz pochádza zo zariadenia, ktoré zaznamenáva 426 spektrálnych pásiem. "Môže nám to umožniť vidieť rozdiely medzi rastlinami, najmä zhora," povedal White University of Florida. "Bolo by ťažké zistiť, či všetko vyzerá ako zelené, ale mohli sme vidieť veľké rozdiely medzi dvoma vecami, ktoré boli zelené, použitím rôznych informácií z tohto hyperspektrálneho zobrazovania."

Schopnosť vidieť detailné farebné rozdiely medzi listami morčacieho dubu a pieskovým živým dubom si vyžaduje obrovské obrazové súbory. „Pracujeme s terabajtmi a terabajtmi snímok,“ povedal White. „Vykonávame veľké množstvo veľmi intenzívnych výpočtov vo vysokovýkonnom výpočtovom centre Floridskej univerzity, ktoré nazývajú HiPerGator, pretože tu dole máme naozaj radi aligátorov.“

Pozrite si tento príspevok na Instagrame

Nie je to len pekné – je to aj poučné! Snímka z vzdušnej pozorovacej platformy NEON (AOP) nad oblasťou Yellowstone (YELL).⠀ ⠀ Lidar, alebo „Svetlo Detection and Ranging“ je aktívny systém diaľkového snímania, v ktorom je svetlo vyžarované z rýchlo vystreľujúceho lasera na palube lietadla. Toto svetlo putuje na zem a odráža sa od povrchov ako konáre stromov. Odrazená svetelná energia sa potom vráti do senzora, kde sa zaznamená – lidar meria čas, za ktorý sa vyžarované svetlo dostane na zem a späť. Vedci môžu použiť údaje z diaľkového snímania, ako je tento, na štúdium štruktúry vegetácie v rôznych regiónoch.⠀ ⠀ Zistite viac o diaľkovom ovládači NEON schopnosti snímania, AOP a všetky naše údaje na našej webovej stránke!⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #remotesensing #lidar #NEONdata #opendata #NEONscience #research #práce v teréne

Príspevok zdieľaný používateľom NEON Science (@neon.sci) zapnuté 13. augusta 2020 o 9:30 PDT

Hoci White vyučuje úvodnú hodinu informatiky pre biológov už asi desať rokov, povedal, že na širšej úrovni musí jeho oblasť ešte dobehnúť zameškané. "Zapojiť sa do toho s údajmi v takom rozsahu, aké teraz produkuje NEON, je niečo, čo je pre väčšinu ekológov veľmi neznáme," povedal. Typy otázok, ktorými sa White zaoberá, však vyžadujú také množstvo údajov.

"Jedna z vecí, ktoré nás skutočne zaujímajú, je, že procesy, ktoré riadia ekologické systémy, sa menia v závislosti od rozsahu, na ktorý sa pozeráte," povedal. Čo ovplyvňuje jednotlivý strom – množstvo slnečného svetla, ktoré dostáva na základe výšky jeho susedov, napr príklad – stávajú sa menej dôležitými, keď sa budete približovať ďalej a ďalej, pozrite sa na aker, les alebo ekosystém stromy. Väčšie modely zrážok a kolísanie teploty sa stávajú dôležitejšími pri porovnávaní stromov na Floride oproti stromom v New Yorku. "Chápeme, že tieto procesy sa menia s rozsahom, ale v skutočnosti sme nemali súbory údajov, ktoré by nám umožnili o tom premýšľať pomerne nepretržite," povedal.

Knižnica na požičiavanie lišajníkov

V priemyselnej oblasti Tempe v Arizone stojí nízka sivobiela budova. Napriek svojmu nenápadnému exteriéru v skutočnosti obsahuje tisíce biologických vzoriek zo zbierky prírodnej histórie Arizona State University a Biorepozitár NEON. Mikróby, chrobáky, komáre a vzorky pôdy budú uložené v budove počas 30 rokov prevádzky NEONu. Tie, ktoré je potrebné uchovávať v chlade, sa skladujú v kryogénnej mrazničke a ASU pridáva aj zariadenie na skladovanie tekutého dusíka. Vystavená je aj zbierka ASU s prípadmi motýľov, nádobami so stavovcami a medvedia koža visiaca na stene. Riaditeľom zbierky je Franz z Arizona State University.

“Ročne absorbujeme približne 110 000 vzoriek podľa údajov o práci, ktoré v súčasnosti máme s NEONom,“ povedal, „a asi 70 percent z týchto vzoriek je potrebné uchovávať v chlade.“ Počas niekoľkých mesiacov zariadenie dostávalo denné dodávky vzoriek, niekedy aj viackrát a deň. Niektoré stránky NEON zbierali vzorky už v roku 2013. Aj keď je správne uloženie týchto vzoriek dôležitou súčasťou toho, čo Franzov tím robí, musí ich tiež katalogizovať a sledovať. "V skutočnosti by sme nemali byť pre každú vzorku konečnou zastávkou," povedal Franz. „Naopak, správne. Mali by sme byť niečo ako priechod pre tieto vzorky, aby bolo možné vykonať ďalší výskum."

Na výrobu NEON hlavný dátový portál čo je užitočné pre výskumníkov, pracovníci biorepozitára musia zadávať množstvo informácií na základe štandardu Darwin Core Standard. „Toto je relatívne blízko niečomu ako a lingua franca, ako široko, celosvetovo využívaný štandard na prenos a anotáciu údajov vo vzťahu k prírodným zbierkovým exemplárom,“ povedal Franz. Má poskytnúť výskumníkom všetko, čo potrebujú vedieť o vzorke, ktorú sami nezozbierali: kde, kedy a ako bola zozbieraná; jeho taxonomický názov a spôsob jeho identifikácie. "Môžeme tiež zaznamenať vzťahy medzi vzorkami," povedal Franz. "Takže napríklad, ak je "A" známym parazitom "B", máme vzorky od kliešťov, ktoré boli odobraté cicavcom."

Niektoré zo žiadostí, ktoré Franz dostal, by mohli pomôcť s americkou verziou štúdie apokalypsy hmyzu. Univerzita v Oklahome skúma zmeny v objeme bezstavovcov na približne 50 miestach, povedal. Používajú to, čo sa nazýva vzorky pascí. Plastové poháre sú ponechané v zemi niekoľko dní alebo týždňov a zbierajú pavúky, chrobáky, dážďovky a iné bezstavovce. Z týchto vzoriek môžu výskumníci extrapolovať počet takýchto zvierat na každom mieste, ako aj veľkosť ich tela. Výskumníci už vidia rozdiely v rôznych regiónoch. „Zdá sa, že v tejto hmyzej apokalypse existujú subregionálne trendy, ktoré sú celkom zaujímavé,“ povedal Franz.

Pauza pre pandémiu

Možno si predstavujete ekológa ako niekoho, kto drží schránku a má obuté gumáky uprostred lesa. Možno, že váš obraz NEON stránky je hučiacimi senzormi, bez ľudí v dohľade. NEON má 181 dátových produktov — zbierky meraní, ako je barometrický tlak alebo infračervená teplota alebo koncentrácie CO2, ktoré vydáva; 108 z nich si vyžaduje ľudských pozorovateľov. "Veľmi sa spoliehame na pozorovacie odbery vzoriek," povedala Zoe Gentes, senior špecialistka na komunikáciu v Battelle, ktorá riadi NEON. "Ale okrem toho naše automatizované systémy potrebujú údržbu."

"To je niečo, čo ma skutočne zasiahlo počas prvých týždňov COVID," povedal Mabee, hlavný vedec NEON. „Nemal som ani potuchy, koľko údržby senzorov si vyžiadalo obnovenie a výmenu batérií veci.” Gentes uviedol, že mnohé zo senzorov obstáli veľmi dobre, s výnimkou prípadov výpadku prúdu resp záplavy. Vzdušná pozorovacia platforma NEON je teraz obmedzená na určité časti USA, ktoré nevyžadujú komerčné lety, pretože NEON neumožňuje svojim zamestnancom lietať, povedal Mabee. „Toto nie je zásadná práca,“ povedala. "Je to pre nás dôležité. Je to naša práca. Ale nie je to nevyhnutná práca."

Pozrite si tento príspevok na Instagrame

Je #TowerTuesday východ slnka na NEON's LAJA flux tower v Portoriku (2019).⠀ ⠀ Experimentálna stanica Lajas (LAJA) sa nachádza vo Výskumnom a vývojovom centre Lajas, jednej zo šiestich poľnohospodárskych experimentálnych staníc v Puerto Rico. Je súčasťou Atlantickej neotropickej domény NEON (D04). Väčšinu pozemkov vlastní University of Puerto Rico Mayaguez Campus. Poľná lokalita, ktorá sa nachádza v juhozápadnom rohu ostrova, kde je relatívne suchá, poskytuje vynikajúci kontrast k nedotknutým lesným podmienkam na poľnej lokalite Guánica (GUAN). Údaje zhromaždené v LAJA pomôžu výskumníkom vyhodnotiť vplyv poľnohospodárstva a ľudskej činnosti na miestny ekosystém a monitorovať tieto dopady v priebehu času.⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #Portoriko #východ slnka #výskum #NEONscience #NEONdata #opendata #ekológia #ekológia #veda #fluxtower

Príspevok zdieľaný používateľom NEON Science (@neon.sci) zapnuté 11. augusta 2020 o 9:30 PDT

Zatiaľ čo NEON hľadal spôsoby, ako zaistiť bezpečnosť terénnej ekológie počas pandémie, Mabee si myslí, že jej praktici by sa teraz mohli na projekt pozrieť druhýkrát. „Určite v časoch COVID si myslím, že ľudia sedeli pri svojich počítačoch a príliš sa nedostali do terénu,“ povedala. "A tak sa skutočne obrátila pozornosť na tieto typy údajov."

V začiatkoch NEONu panovala medzi niektorými vedcami obava, že sa snaží plne nahradiť prácu v teréne. "Myslím si, že spočiatku trochu nesprávne označili NEON, pretože hovoria ako: 'Ó, teraz môžete robiť ekológiu zo svojho počítača'," povedal Cramer, ktorý študoval myši vo Wisconsine. "A existuje veľká časť ekológov, ktorí povedali: "Áno, nie preto sme sa dostali do ekológie." Chceme ísť von."

Ďalšie kritiky NEONu boli, že by to mohlo viesť k robiť vedu „spätne,“ vytváraním údajov a následným hľadaním hypotézy. Existovali obavy, že NSF Sieť dlhodobého ekologického výskumu by prišla o financie v prospech NEONu. „Nepomáha, že NEON sa objavil v čase, keď bolo strašne veľa úzkosti z klesajúceho financovania vedy,“ povedal Clark z Duke University.

Trvalo tak dlho, kým sa projekt naplno rozbehol, že medzitým vstúpila do tejto disciplíny úplne nová generácia ekológov. V minulom roku Ekologická spoločnosť Amerikyvýročnej schôdzi, Dr. Kyla Dahlin tweetoval: „Unavený počúvať mrzutých starých mužov, na ktoré sa sťažujú @NEON_sci? Príďte si vypočuť skutočných používateľov NEON…”

Suchozemský ekológ Nagy sa zúčastnil na školení, aby sa ubezpečil, že žiadny ekológ nezostane pozadu. "Myslím si, že je to jedna z prvých výziev, je len uistiť sa, že ekológovia vo všeobecnosti majú zručnosti potrebné na používanie takýchto údajov," povedala. "Je to skutočne skvelý zdroj, pretože je voľne a otvorene dostupný komukoľvek, ale musíte mať tieto znalosti o tom, ako používať údaje, aby boli užitočné."

Ekosystém ekológov

„Myslím si, že jednou z najzaujímavejších, ak nie najviac vzrušujúcich vecí na NEON je potenciál na podporu komunity a širšej spolupráce v rámci ekológie všeobecnejšie,“ povedal White. Jeho skupina spolupracuje s výskumníkmi zo školských oddelení informatiky a lesníctva na jeho stromových projektoch. Pracuje na kombinovaní údajov NEON s niektorými z programu lesnej inventarizácie a analýzy lesnej služby USA. Rovnako ako integrácia dvoch súborov údajov, vytvorenie tímu z rôznych vedeckých prostredí si vyžaduje vytvorenie spoločnej slovnej zásoby.

Dokonca aj mimo NEON sa ekológia rozširuje, aby sa zmestili väčšie údaje a rozsiahlejšie otázky. White si to všimol pred desiatimi rokmi, keď začal vyučovať hodiny informatiky. „V súčasnosti je veľa, veľa laboratórií, ktoré samy nezhromažďujú žiadne údaje z terénu, ale jednoducho pracujú na údajoch, ktoré možno získať z produktov remote0sensing alebo iných sieťových produktov,“ povedal Clark. Desai to opakuje. "Možno máme študentov pracujúcich na terénnych stránkach, ktoré nikdy nevideli," povedal. "A to je možno trochu iné - nepríjemné - pre niektorých ľudí v ekológii."

Desai sledoval vývoj NEON zvnútra aj zvonka. Predtým bol členom jej poradného výboru pre vedu, technológiu a vzdelávanie. Jeho pocity z projektu sú zmiešané. Chváli vedcov, ktorí tam pracujú, ale hovorí, že jeho vedenie malo svoje vzostupy a pády. NEON pomohol priniesť veľmi potrebnú štandardizáciu do nástrojov a meraní, ktoré sú kľúčové pre zodpovedanie niektorých veľkých ekologických otázok. Mnoho ekológov si myslí, že údaje NEON pomôžu začať odpovedať na niektoré z týchto otázok.

„Ak sa rozprávate s Národnou vedeckou nadáciou, vždy povedia: ‚NEON nie je to pravé. Ide o biológiu makrosystémov, “povedal Desai. „Neón je nástroj na uskutočnenie tejto vedy. A ak sa ukáže, že o 10 rokov budeme potrebovať iný nástroj, tak to bude."