NEON je 460 milijonov dolarjev vreden ekološki observatorij za ZDA.

Novembra 2018 je revija The New York Times objavila članek z naslovom Apokalipsa žuželk. V veliki meri je temeljil na študijah o številčnosti žuželk v srednji Evropi. Članek je pritegnil veliko pozornosti, vključno s člankom dr. Nica Franza, profesorja na šoli znanosti o življenju Arizonske državne univerze. "Ne morem biti edini entomolog - človek za žuželke -, ki se je spraševal, 'vau, ali sploh imamo podatke za to v ZDA?'," je dejal. Res ga ni bilo v preteklosti, zdaj pa obstaja ogromen projekt, ki poskuša zbrati tovrstne informacije za prihodnost.

Mreža nacionalnega ekološkega observatorija (NEON) je skupina lokacij po ZDA, kjer ekologi in orodja zbirajo kopico podatkov, da bi poskušali dobiti širši pogled na sprememba podnebja, biotska raznovrstnost, viri sladke vode in druga zapletena ekološka vprašanja. V celoti deluje šele od lanskega leta - potem pa se je zgodila pandemija. A to še zdaleč ni prvi izziv, s katerim se bo soočil ambiciozni projekt, in zagotovo ne bo zadnji. NEON naj bi podatke zbiral še nekaj desetletij.

Več kot dve desetletji v nastajanju, 30 let v prihodnost

Zgodovina NEON-a sega v pozna 1990-a in začetek 2000-ih, ko so si ekologi in biologi prizadevali za oblikovanje čezcelinskega omrežja, nekaj podobnega mreži senzorjev za potrese, ampak za ekologijo namesto potresov. Približali so se Nacionalni znanstveni fundaciji (NSF) z idejo in stroški - skoraj 400 milijonov dolarjev za gradnjo in več milijonov dolarjev na leto za tri desetletja. »To je res ogromna naložba Nacionalne znanstvene fundacije, ki je res še nismo videli to lestvico znotraj ekologije,« je povedala dr. Chelsea Nagy, kopenska ekologinja na Univerzi v Koloradu. Boulder.

Končna stran je bila postavljena lani in vmesni čas med prvo idejo in zdaj je bil prežet z najrazličnejšimi preglavicami. Tam so bili vprašanja financiranja s kongresom, je šlo nad proračunom (na koncu je stalo 460 milijonov dolarjev), in nadzor projekta zamenjal lastnika. NSF je nato izbral podjetje Battelle, ki vodi več nacionalnih laboratorijev, da nadzira NEON. Še lani je organizacija odpustili dva uslužbenca na visoki ravni, zaradi česar so drugi odstopili. Potem pa je nekaj mesecev kasneje, maja 2019, postal NEON popolnoma delujoč.

Vendar ni bilo tako, da so se luči - in senzorji - prižgali naenkrat. Številna od 81 spletnih mest NEON že leta zbirajo podatke. obstajajo 81 spletnih mest v 20 domenah, vključno s tundro in tajgo na Aljaski, južnimi nižinami, ki pokrivajo dober kos Teksasa, in velikimi jezeri, z nekaj lokacijami v Wisconsinu. Ta ekoklimatska območja naj bi predstavljala raznolike terene, ekosisteme in vegetacijo ZDA.

Na vsakem mestu naj bi niz tehnologije in terensko osebje zbirali opazovanja o rastlinah, živalih, vremenu, vodi, tleh in še več. S standardiziranimi orodji in meritvami naj bi bilo podatke lažje primerjati.

Morda se sliši dovolj preprosto, a ekologija ne deluje vedno tako. »Ena od stvari o ekologiji, zgodovinsko gledano, je, da smo nagnjeni k temu, da postavimo določeno vprašanje na določeni lokaciji z uporabo določenega nabora metod, nato pa nihče nikoli več ne naredi iste stvari,« je dejal dr. Ethan White, profesor na Oddelku za ekologijo in ohranjanje prosto živečih živali na Univerzi na Floridi. "In ko se zaključki, do katerih je prišel en sklop dokumentov, razlikujejo od drugega sklopa, nismo povsem prepričani, zakaj so ti zaključki drugačni."

"Trenutno delam metaanalizo in zbiram posamezne študije," je dejal Nagy z Univerze v Koloradu. »Zato je res težko analizirati podatke, ki jih zbere veliko različnih ljudi na različne načine, ker včasih merijo različne stvari, včasih pa merijo isto stvar, vendar uporabljajo drugačno metodo.« Pri NEON-u je rekla, da se vse, kar se zbira na spletnih mestih, izvede z isto metodologijo, kar olajša primerjati.

Podatki so tudi prostorsko integrirani - kar pomeni, da gre za kup meritev, zbranih z istega mesta. »Raziskovalcu, na primer, tudi na tem enem mestu, ponuja način, da preprosto integrira vse te podatke,« je povedala dr. Paula Mabee, glavna znanstvenica in direktorica observatorija NEON. Kljub več kot 8000 senzorjem NEON ni zasnovan za spremljanje vsega.

»Veliko lokacij NEON je na mestih, kjer se invazivne vrste aktivno odstranjujejo. Tako da nam pri tem zagotovo ne bodo pomagali,« je dejal dr. James Clark, ekolog na univerzi Duke. Nagy zanima, kako gozdni požari vplivajo na invazivne vrste, a ker NEON-ova mesta niso zgorela, jih ne more vključiti v svojo raziskavo.

Redno zbiranje podatkov od Havajev do Portorika naj bi odgovorilo na šest "velike izzive v okoljskih znanostih”, na primer o tem, kako ljudje vplivajo na biotsko raznovrstnost in kako preprečiti nalezljive bolezni za različne vrste. Na vsakem mestu so nameščene kamere, pasti in na tisoče senzorjev. Raziskovalci si lahko ogledajo biogeokemijo, talne mikrobe, podatke o daljinskem zaznavanju in vodne podatke, da dobijo občutek, kako medsebojno delujejo, pa tudi, kako se spremembe kažejo pri sesalcih, mineralih in mikrobi.

»Čeprav Neon ni eksperiment – ​​z dolgoročnimi meritvami ne manipuliramo z gozdovi ali sistemi – na ekosisteme začnete gledati kot na kompleksen sistem,« je dejal dr. Ankur Desai, profesor na Univerzi v Wisconsin-Madison. »Vsi ti različni deli – vodni cikel, ogljikov cikel, vrste, ki medsebojno delujejo – se vsi spreminjajo. In to je upanje, da dobimo dovolj informacij na dovolj različnih mestih, da lahko razumemo svet okoli nas.«

Odlično zaznavanje miške

Če se znajdete pred majhno miško z rjavim kožuhom; bel trebuh in velike, temne oči, verjetno ne boste takoj opazili, če gledate belonogo jelenovo miško ali gozdno jelenovo miško. Trik je v dolžini ušesa. Obe vrsti najdemo na zgornjem srednjem zahodu in sta ključni za raziskave dr. Michaela J. Cramer, pomočnik direktorja Centra za okoljske raziskave Univerze Notre Dame v Wisconsinu.

"Služijo kot modelni sistem, ki pomaga razumeti, kako se naravne populacije odzivajo na okoljske spremembe, zato jih preučujem," je dejal. Sove, jastrebi, podlasice in lisice plenijo miši, ki same jedo rastline in semena. "Te miši so ravno sredi prehranjevalne mreže," je dejal Cramer. Njihova prisotnost ne vpliva samo na živali, ki jih jedo, ampak tudi na drevesne vrste, ki so odvisne od njih, da razpršijo svoja semena. Potem je tu še konkurenca, kot so veverice in veverički, ki jedo nekaj istih virov.

"Če imate zdravo populacijo miši, to na splošno kaže na dobro delujoč sistem v smislu dinamike gozda," je dejal Cramer. Ujame miši, jih označi, izpusti in ponovno ujame, da dobi občutek, koliko jih je v gozdovih, ki se raztezajo čez vrh Wisconsina in do zgornjega polotoka Michigan.

Območje je dokaj oddaljeno, kar je verjetno zelo prijetno za miši, ni pa nujno tako koristno za vsa vprašanja, na katera Cramer upa odgovoriti. "S treh strani smo obdani z nacionalnim gozdom, zato nismo sistem, v katerem prevladuje človek," je dejal. Toda NEON te miši lovi in ​​izpušča tudi na drugem mestu, imenovanem Treehaven, približno uro in pol vožnje stran. »Lahko si ogledam njihove podatke, ki temeljijo na opazovanjih, ki sem jih naredil v razmeroma neokrnjenem okolju, in jih nato primerjam z NEON-ovimi podatki, ki zbirajo v neokrnjenih okoljih in poskusite potegniti nekaj zaključkov o tem, kako mislim, da se miši odzivajo na ravni vrste,« je rekel.

Čeprav so to gozdne miši – niso tiste vrste, ki jih običajno najdemo v hiši, je dejal Cramer – je vseeno pomembno, da jih spremljamo za zdravje ljudi. So rezervoarji za boreliozo. "Ne širijo borelioze, ampak jo ohranjajo v tej populaciji," je dejal. In te miši najdemo v številnih zveznih državah v ZDA, če bi Cramer želel narediti nekaj primerjav med Yooper miši in tistih v drugih regijah, bi potreboval veliko štipendijo in vojsko podiplomskih študentov, je dejal.

Namesto tega lahko "uporabim podatke z drugih lokacij in drugih tipov habitatov in drugih biomov ter poskusim narediti primerjave o tem, kaj mislim, da miši počnejo z uporabo podatkov NEON-a," je dejal. "Omogoča mi, da svoje sklepe razširim na veliko večje lestvice."

Medtem ko je Cramerjev pristop dokaj nizkotehnološki - "Nimam denarja, da bi kupil toliko majhnih, drobnih radijskih ovratnic za vsako miško," je dejal - imajo spletna mesta NEON veliko orodij.

Kako zelena je ta dolina?

V rednih intervalih NEON leti z letalom nad številnimi lokacijami. Na krovu letala so kamere, lidar in slikovni spektrometri. Spektrometri zagotavljajo hiperspektralne slike, ki so visoke ločljivosti in zajemajo svetlobo, ki je človeško oko ne vidi. To je podobno, kot če bi na fotoaparat postavili barvni filter, vendar za stotine barv. Ethan White poskuša na podlagi teh hiperspektralnih slik določiti vrsto dreves.

Odvisno od njihove barve bodo listi odbijali in absorbirali različne valovne dolžine svetlobe. Če preslikate odbojnost vseh barv svetlobe, dobite spekter. Merjenje tega spektra pri vsaki piksli slike razkrije različne lastnosti listov, kot je količina dušika ali fosforja. Vaša tipična kamera bo zajemala svetlobo v vidnem – ali rdečem, zelenem in modrem – spektru. Hiperspektralna slika prihaja iz naprave, ki posname 426 spektralnih pasov. "Lahko nam omogoči, da vidimo razlike med rastlinami, zlasti od zgoraj," je dejal White iz univerze Florida. "Težko bi bilo videti, ali je vse videti nekako zeleno, vendar bi lahko videli velike razlike med dvema stvarema, ki sta bili zeleni, z uporabo različnih informacij iz tega hiperspektralnega slikanja."

Če si lahko ogledate podrobne barvne razlike med listi črnega hrasta in peščenega živega hrasta, potrebujete ogromne slikovne datoteke. "Delamo s terabajti in terabajti slik," je dejal White. "Opravljamo velike količine zelo intenzivnega računalništva v visoko zmogljivem računalniškem centru Univerze na Floridi, ki ga imenujejo HiPerGator, ker imamo zelo radi aligatorje tukaj."

Oglejte si to objavo na Instagramu

Ni le lepo – je informativno! Slika iz NEON-ove zračne opazovalne ploščadi (AOP) nad poljem Yellowstone (YELL).⠀ ⠀ Lidar ali "Svetloba" Detection and Ranging« je aktivni sistem za daljinsko zaznavanje, v katerem svetlobo oddaja hitro sprožeč laser na krovu letalo. Ta svetloba potuje do tal in se odbija od površin, kot so veje dreves. Odbita svetlobna energija se nato vrne v senzor, kjer se zabeleži – lidar meri čas, ki je potreben, da oddana svetloba potuje do tal in nazaj. Znanstveniki lahko uporabijo podatke daljinskega zaznavanja, kot je ta, za preučevanje vegetacijske strukture po regijah.⠀ ⠀ Izvedite več o daljinskem upravljalniku NEON zmožnosti zaznavanja, AOP in vsi naši podatki na naši spletni strani!⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #remotesensing #lidar #NEONdata #opendata #NEONscience #research #terensko delo

Objava, ki jo je delil NEON Znanost (@neon.sci) naprej 13. avgust 2020 ob ​​9.30 PDT

Čeprav White že približno desetletje poučuje uvodni razred računalništva za biologe, je dejal, da na širši ravni njegovo področje še vedno mora dohiteti. "Ukvarjanje s tem s podatki v obsegu, ki ga zdaj proizvaja NEON, je nekaj, kar je večini ekologov zelo neznano," je dejal. Toda vrste vprašanj, ki jih preučuje White, zahtevajo takšno količino podatkov.

"Ena od stvari, ki nas resnično zanima, je, da se procesi, ki upravljajo ekološke sisteme, spreminjajo glede na obseg, ki ga gledate," je dejal. Kaj vpliva na posamezno drevo - količina sončne svetlobe, ki jo dobi glede na višino svojih sosedov, za na primer – postanite manj pomembni, ko se vedno bolj oddaljujete, si oglejte tudi hektar, gozd ali ekosistem drevesa. Večji vzorci padavin in temperaturnih nihanj postanejo bolj pomembni, če primerjamo drevesa na Floridi z drevesi v New Yorku. "Razumemo, da se ti procesi spreminjajo z obsegom, vendar v resnici nismo imeli naborov podatkov, ki bi nam omogočali, da o tem razmišljamo na nekakšen dokaj neprekinjen način," je dejal.

Izposojevalnica lišajev

V industrijskem območju Tempeja v Arizoni stoji nizka, umazano bela stavba. Kljub svoji skromni zunanjosti dejansko hrani na tisoče bioloških vzorcev, tako iz naravoslovne zbirke univerze Arizona State University kot NEON-ovo biorepozitorij. Mikrobi, hrošči, komarji in vzorci tal bodo shranjeni v stavbi 30 let delovanja NEON-a. Tisti, ki jih je treba hraniti na hladnem, so shranjeni v kriogenem zamrzovalniku, ASU pa dodaja tudi skladišče tekočega dušika. Razstavljena je tudi zbirka ASU z zaboji metuljev, kozarci vretenčarjev in medvedja koža, ki visi na steni. Franz z univerze Arizona State je direktor zbirke.

“Letno absorbiramo približno 110.000 vzorcev glede na izjavo o delu, ki jo trenutno imamo z NEON-om,« je dejal, »in približno 70 odst. teh vzorcev je treba hraniti na hladnem." Nekaj ​​mesecev je ustanova dnevno dobivala vzorce, včasih večkrat dan. Nekatera spletna mesta NEON so zbirala vzorce že leta 2013. Medtem ko je pravilno shranjevanje teh vzorcev pomembna sestavina dela Franzove ekipe, jih morajo tudi katalogizirati in jim slediti. »Pravzaprav ne bi smeli biti zadnja postaja za vsak vzorec,« je dejal Franz. »Nasprotno, res. Biti naj bi nekakšen prehod za te vzorce, tako da je mogoče opraviti dodatne raziskave.

Za izdelavo NEON-ov glavni podatkovni portal Koristno za raziskovalce, mora osebje biorepozitorija vnesti veliko informacij, ki temeljijo na Darwinovem osnovnem standardu. »To je razmeroma blizu nečesa podobnega lingua franca, kot široko, globalno uporabljen standard za prenos in označevanje podatkov v zvezi z vzorci naravoslovne zbirke,« je dejal Franz. Namenjen je temu, da raziskovalcem zagotovi vse, kar morajo vedeti o vzorcu, ki ga niso zbrali sami: kje, kdaj in kako je bil zbran; njegovo taksonomsko ime in kako je bilo identificirano. "Zabeležimo lahko tudi razmerja med vzorci," je dejal Franz. "Torej, na primer, če je" A "znan parazit" B ", imamo vzorce klopov, ki so bili vzeti iz sesalcev."

Nekatere zahteve, ki jih je prejel Franz, bi lahko pomagale pri ameriški različici študije apokalipse žuželk. Univerza v Oklahomi preučuje spremembe v obsegu nevretenčarjev na približno 50 mestih, je dejal. Uporabljajo tako imenovane vzorce pasti pasti. Plastične kozarce pustimo v zemlji več dni ali tednov, v njih zbiramo pajke, hrošče, deževnike in druge nevretenčarje. Iz teh vzorcev lahko raziskovalci ekstrapolirajo število takšnih živali na vsakem mestu, pa tudi njihovo velikost telesa. Raziskovalci že opažajo razlike v različnih regijah. »Zdi se, da obstajajo subregionalni trendi te apokalipse žuželk, ki so precej zanimivi,« je dejal Franz.

Premor zaradi pandemije

Morda si ekologa predstavljate kot nekoga, ki sredi gozda drži odložišče in nosi gumijaste škornje. Morda je vaša podoba mesta NEON brenčanje senzorjev, ljudi pa ni na vidiku. NEON ima 181 podatkovnih izdelkov — zbirke meritev, kot so zračni tlak ali infrardeča temperatura ali koncentracije CO2, ki jih objavi; 108 jih potrebuje človeške opazovalce. "Veliko se zanašamo na opazovalno vzorčenje," je povedala Zoe Gentes, višja strokovnjakinja za komunikacije pri Battelle, ki upravlja NEON. "Poleg tega potrebujejo naši avtomatizirani sistemi vzdrževanje."

"To je nekaj, kar me je zelo prizadelo v prvih nekaj tednih bolezni COVID," je dejala Mabee, glavna znanstvenica NEON-a. »Nisem imel pojma, koliko vzdrževanja je bilo potrebnih za osvežitev senzorjev in zamenjavo baterij ter stvari." Gentes je dejal, da se je veliko senzorjev zelo dobro obneslo, razen v primerih izpada električne energije oz poplavljanje. NEON-ova platforma za opazovanje v zraku je zdaj omejena na nekatere dele ZDA, ki ne potrebujejo komercialnih letov, ker NEON svojemu osebju ne dovoljuje letenja, je dejal Mabee. "To ni nujno delo," je dejala. »Za nas je pomemben. To je naše delo. Vendar to ni nujno delo."

Oglejte si to objavo na Instagramu

To je #TowerTuesday sončni vzhod na NEON-ovem stolpu LAJA flux v Portoriku (2019).⠀ ⠀ Eksperimentalna postaja Lajas (LAJA) se nahaja v raziskovalnem in razvojnem centru Lajas, eni od šestih kmetijskih poskusnih postaj v Puertu. Rico. Je del NEON-ove atlantske neotropske domene (D04). Večina zemljišča je v lasti univerze Portoriko Mayaguez Campus. Nahaja se v jugozahodnem kotu otoka, kjer je razmeroma suho, zato je poljsko mesto odličen kontrast neokrnjenim gozdnim razmeram na Guánica field site (GUAN). Podatki, zbrani v LAJA, bodo raziskovalcem pomagali oceniti vpliv kmetijstva in človekove dejavnosti na lokalni ekosistem ter spremljati ti vplivi skozi čas.⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #PuertoRico #sunrise #research #NEONscience #NEONdata #opendata #ecology #ecoscience #science #fluxtower

Objava, ki jo je delil NEON Znanost (@neon.sci) naprej 11. avgust 2020 ob ​​9.30 PDT

Medtem ko NEON išče načine, kako narediti terensko ekologijo varno za izvajanje med pandemijo, Mabee meni, da bi lahko njeni strokovnjaki zdaj ponovno pogledali projekt. »V časih COVID-a mislim, da so se ljudje zagotovo usedli za svoje računalnike in niso preveč šli na teren,« je dejala. "In tako je resnično usmeril pozornost na te vrste podatkov."

V zgodnjih dneh NEON-a je med nekaterimi znanstveniki obstajal strah, da poskuša v celoti nadomestiti delo na terenu. »Mislim, da so na začetku nekako napačno označili NEON, ker so govorili, 'oh, zdaj se lahko ukvarjate z ekologijo s svojega namizja,'« je dejal Cramer, ki preučuje miši v Wisconsinu. "Velik del ekologov je rekel:" Ja, to ni razlog, zakaj smo se lotili ekologije. Želimo iti ven.«

Druge kritike NEON-a so bile, da lahko vodi do delati znanost »za nazaj,« ustvarjanje podatkov, nato iskanje hipoteze. Pojavili so se pomisleki, da NSF Dolgoročna ekološka raziskovalna mreža izgubil financiranje v korist NEON-a. "Nič ne pomaga, da se je NEON pojavil v času, ko je bilo zelo veliko strahu zaradi upada financiranja znanosti," je dejal Clark z univerze Duke.

Toliko časa je trajalo, da je projekt popolnoma zaživel, da je medtem v to disciplino prišla povsem nova generacija ekologov. Pri lanskem Ekološko društvo Amerikeletno srečanje, dr. Kyla Dahlin tvitnil: »Utrujen od poslušanja čemernih starcev, ki se pritožujejo @NEON_sci? Poslušajte dejanske uporabnike NEON-a ..."

Zemeljska ekologinja Nagy je bila vključena v nekaj usposabljanj, da bi zagotovila, da noben ekolog ne bo izpuščen. "Mislim, da je to eden od prvih izzivov, samo zagotoviti, da imajo ekologi na splošno potrebne veščine za uporabo takšnih podatkov," je dejala. "To je res kul vir, ker je brezplačno, odprto dostopen vsem, vendar morate imeti to znanje o tem, kako uporabiti podatke, da bi bili uporabni."

Ekosistem ekologov

"Mislim, da je ena najbolj, če ne najbolj vznemirljivih stvari pri NEON-u potencial za spodbujanje skupnosti in širšega sodelovanja v ekologiji na splošno," je dejal White. Njegova skupina sodeluje z raziskovalci iz šolskega oddelka za računalništvo in gozdarstvo pri njegovih drevesnih projektih. Dela na združevanju podatkov NEON z nekaterimi iz programa popisa in analize gozdov ameriške gozdarske službe. Tako kot integracija dveh podatkovnih nizov, ustvarjanje ekipe iz različnih znanstvenih okolij zahteva ustvarjanje skupnega besedišča.

Tudi zunaj NEON-a se ekologija širi, da bi ustrezala večjim podatkom in večjim vprašanjem. White je to opazil pred desetletjem, ko je začel poučevati računalništvo. "Zdaj je veliko, veliko laboratorijev, ki sami ne zbirajo nobenih terenskih podatkov, ampak preprosto delajo na podatkih, ki jih je mogoče pridobiti iz izdelkov za daljinsko zaznavanje ali drugih omrežnih izdelkov," je dejal Clark. Desai to ponavlja. "Morda imamo študente, ki delajo na terenskih lokacijah, ki jih še nikoli niso videli," je dejal. "In to je morda nekoliko drugače - neprijetno - za nekatere ljudi v ekologiji."

Desai je spremljal razvoj NEON-a od znotraj in od zunaj. Pred tem je bil član svetovalnega odbora za znanost, tehnologijo in izobraževanje. Njegovi občutki glede projekta so mešani. Pohvali znanstvenike, ki delajo tam, vendar pravi, da je imelo njegovo upravljanje vzpone in padce. NEON je pomagal uvesti prepotrebno standardizacijo orodij in meritev, ki so ključne za odgovore na nekatera velika vprašanja ekologije. Mnogi ekologi menijo, da bodo podatki NEON-a pomagali odgovoriti na nekatera od teh vprašanj.

»Če se pogovarjate z nacionalno znanstveno fundacijo, vedno rečejo, da NEON ni prava stvar. Makrosistemska biologija je stvar," je dejal Desai. »Neon je orodje za uresničitev te znanosti. In če se izkaže, da čez 10 let potrebujemo drugačno orodje, naj bo tako.«