NEON är ett ekologiskt observatorium på 460 miljoner dollar för USA

I november 2018 publicerade The New York Times Magazine en artikel som heter Insekts apokalyps. Den baserades till stor del på studier om insektsöverflöd i Centraleuropa. Artikeln fick mycket uppmärksamhet, inklusive den av Dr Nico Franz, professor vid Arizona State Universitys School of Life Sciences. "Jag kan inte ha varit den enda entomologen - insektspersonen - som undrade 'wow, har vi ens data för det i USA?'" sa han. Det har verkligen inte funnits förr, men nu finns det ett stort projekt som försöker samla in den typen av information för framtiden.

National Ecological Observatory Network (NEON) är en grupp platser över hela USA där ekologer och verktyg samlar in mängder av data för att försöka få en helhetsbild av klimatförändring, biologisk mångfaldsötvattenresurser och andra komplexa ekologiska frågor. Det har bara varit fullt operativt sedan förra året - och sedan inträffade pandemin. Men det är långt ifrån den första utmaningen som det ambitiösa projektet kommer att möta, och det kommer definitivt inte att vara dess sista. NEON är tänkt att fortsätta samla in data i flera decennier.

Över två decennier på väg, 30 år in i framtiden

NEON: s historia går tillbaka till slutet av 1990-talet och början av 2000-talet, med ekologer och biologer som driver på för skapandet av ett tvärkontinentalt nätverk, något som liknar ett jordbävningssensornätverk, men för ekologi istället för jordbävningar. De kontaktade National Science Foundation (NSF) med idén och kostnaden - nästan 400 miljoner dollar att bygga, plus miljontals dollar per år att driva, i tre decennier. "Det är en riktigt enorm investering från National Science Foundation, en som verkligen inte har setts tidigare denna skala inom ekologi”, säger Dr. Chelsea Nagy, en terrestrisk ekolog vid University of Colorado Flyttblock.

Den sista sajten var igång förra året, och mellantiden mellan den första idén och nu var behäftad med all möjlig huvudvärk. Det var finansieringsfrågor med kongressen, det gick över budget (det slutade kosta 460 miljoner dollar), och projekttillsyn bytte ägare. NSF valde sedan Battelle, som driver flera nationella laboratorier, för att övervaka NEON. Bara förra året, organisationen sparkade två högnivåpersonal, får andra att säga upp sig. Men så, några månader senare, i maj 2019, blev NEON fullt fungerande.

Det var dock inte som att lamporna – och sensorerna – tändes på en gång. Många av NEONs 81 sajter har redan samlat in data i flera år. Det finns 81 sajter i 20 domäner, inklusive tundra och taiga i Alaska, de södra slätterna som täcker en stor del av Texas och de stora sjöarna, med ett par platser i Wisconsin. Dessa ekoklimatiska zoner är avsedda att representera de olika terrängerna, ekosystemen och växtligheten i U.S.A.

På varje plats ska en mängd teknik, såväl som fältpersonal, samla observationer om växter, djur, väder, vatten, jord och mer. Med standardiserade verktyg och mätningar borde data vara lättare att jämföra.

Det kan låta enkelt nog, men ekologi fungerar inte alltid så. "En av sakerna med ekologi, historiskt sett, är att vi har tenderat att ställa en viss fråga på en viss plats med hjälp av en viss uppsättning metoder, och sedan ingen gör någonsin exakt samma sak igen, säger Dr. Ethan White, professor vid institutionen för ekologi och bevarande av vilda djur vid University of Florida. "Och så när slutsatserna som en uppsättning papper nådde skiljer sig från en annan uppsättning, är vi inte riktigt säkra på exakt varför dessa slutsatser är olika."

"Jag gör en metaanalys just nu och samlar in individuella studier", säger University of Colorados Nagy. "Och för det är det verkligen svårt att analysera data som samlas in av många olika människor på många olika sätt, eftersom de ibland mäter olika saker, och ibland de mäter samma sak, men de använder en annan metod." Med NEON, sa hon, görs allt som samlas in på webbplatserna med samma metod, vilket gör det lättare att jämföra.

Data är också rumsligt integrerad - vilket innebär att det är ett gäng mätningar som samlats in från samma plats. "Vad det ger en forskare, till exempel, även på den ena platsen, är ett sätt att bara integrera alla dessa data", säger Dr Paula Mabee, NEON: s chefsforskare och observatoriumchef. Trots sina mer än 8 000 sensorer är NEON inte designad för att övervaka allt.

"Många av NEON-platserna finns på platser där invasiva arter aktivt avlägsnas. Så de kommer definitivt inte att hjälpa oss med det, säger Dr James Clark, ekolog vid Duke University. Nagy är intresserad av hur skogsbränder påverkar invasiva arter, men eftersom NEONs platser inte har brunnit kan hon inte inkludera dem i sin forskning.

Att regelbundet samla in data från Hawaii till Puerto Rico är tänkt att svara på sex "stora utmaningar inom miljövetenskap, till exempel hur människor påverkar den biologiska mångfalden och hur man förebygger infektionssjukdomar för en mängd olika arter. Kameror, fällor och tusentals sensorer sätts upp på varje plats. Forskare kan titta på biogeokemi, markmikrober, fjärranalysinformation och akvatiska data för att få en känsla av hur de interagerar, såväl som hur förändringar manifesterar sig hos däggdjur, mineraler och mikrober.

"Medan Neon inte är ett experiment - vi manipulerar inte skogar eller system genom att göra mätningar på lång sikt - du börjar se ekosystem som ett komplext system, säger Dr. Ankur Desai, professor vid University of Wisconsin-Madison. "Alla dessa olika delar - vattnets kretslopp, kolets kretslopp, arterna som interagerar - alla förändras. Och det är förhoppningen, att vi får tillräckligt med information på tillräckligt många olika platser för att förstå världen omkring oss."

Den stora musdetekteringen

Om du kommer att konfronteras med en liten mus med brun päls; en vit mage och stora, mörka ögon, kommer det förmodligen inte att synas direkt om du tittar på en vitfotad hjortmus eller en skogshjortmus. Tricket är öronlängden. Båda arterna finns i övre Mellanvästern och är avgörande för forskningen av Dr. Michael J. Cramer, biträdande direktör vid University of Notre Dame Environmental Research Center i Wisconsin.

"De fungerar som ett modellsystem för att hjälpa till att förstå hur naturliga populationer reagerar på miljöförändringar, det är därför jag studerar dem," sa han. Ugglor, hökar, vesslor och rävar förgriper sig alla på mössen, som själva äter växter och frön. "Dessa möss är mitt i näringsväven," sa Cramer. Deras närvaro påverkar inte bara djuren som äter dem, utan de trädslag som är beroende av dem för att sprida deras frön. Sedan finns det konkurrensen, som ekorrar och jordekorrar, som äter en del av samma resurser.

"Om du har en frisk population av möss, är det i allmänhet ett tecken på ett välfungerande system, när det gäller skogsdynamiken," sa Cramer. Han fångar mössen, taggar dem, släpper dem och återfångar dem för att få en känsla av hur många som finns i skogarna som sträcker sig över toppen av Wisconsin och in i Michigans övre halvön.

Området är ganska avlägset, vilket förmodligen är ganska trevligt för mössen men inte nödvändigtvis så användbart för alla frågor Cramer hoppas kunna svara på. "Vi är omgivna på tre sidor av nationell skog, så vi är inte ett människodominerat system," sa han. Men NEON fångar och släpper också dessa möss på en annan plats, kallad Treehaven, ungefär en och en halv timmes bilresa bort. "Jag kan titta på deras data, baserat på de observationer som jag har gjort i en relativt orörd miljö, och sedan jämföra det med NEONs data som samlas i orörda miljöer, och försöker dra några slutsatser om hur jag tror att mössen reagerar på artnivå, säger han. sa.

Även om dessa är skogsmöss - inte den typ du vanligtvis hittar i ett hus, sa Cramer - är det fortfarande viktigt att hålla reda på dem för människors hälsa. De är reservoarer för borrelia. "De sprider inte borrelia, men de upprätthåller den i den befolkningen," sa han. Och dessa möss finns i många delstater i USA. Om Cramer ville göra några jämförelser mellan Yooper möss och de i andra regioner, han skulle behöva ett enormt stipendium och en armé av studenter, sa han.

Istället, "Jag kan använda data från andra platser och andra livsmiljötyper och andra biomer och också försöka göra jämförelser om vad jag tror att mössen gör med hjälp av NEONs data," sa han. "Det tillåter mig att utöka mina slutsatser till mycket större skalor."

Medan Cramers tillvägagångssätt är ganska lågteknologiskt - "Jag har inte pengarna att köpa så många små, små radiohalsband för varje mus", sa han - så har NEON-sajterna massor av verktyg.

Hur grön är den här dalen?

Med jämna mellanrum flyger NEON ett flygplan över dess många platser. Ombord på planet finns kameror, lidar och avbildningsspektrometrar. Spektrometrarna ger hyperspektrala bilder, som är högupplösta och fångar ljus som det mänskliga ögat inte kan se. Det är lite som att sätta ett färgfilter på en kamera, men för hundratals färger. Ethan White försöker bestämma arten av träd baserat på dessa hyperspektrala bilder.

Beroende på deras färg kommer löv att reflektera och absorbera olika våglängder av ljus. Kartlägger man reflektansen mot ljusets alla färger får man ett spektrum. Att mäta det spektrumet vid varje pixel i bilden avslöjar olika bladegenskaper, som mängden kväve eller fosfor. Din typiska kamera kommer att fånga ljus i det synliga - eller röda, gröna och blåa - spektrumet. En hyperspektral bild kommer från en enhet som registrerar 426 spektrala band. "Det kan tillåta oss att se skillnader mellan växter, i synnerhet ovanifrån," sa University of Floridas White. "Det skulle vara svårt att se om allt ser grönt ut, men vi kunde se stora skillnader mellan två saker som var gröna genom att använda annan information från den hyperspektrala avbildningen."

Att kunna se detaljerade färgskillnader mellan bladen på en kalkonek och en levande sandek kräver enorma bildfiler. "Vi arbetar med terabyte och terabyte av bilder," sa White. "Vi gör stora mängder mycket intensiv datoranvändning på University of Floridas högpresterande datorcenter, som de kallar HiPerGator, eftersom vi verkligen gillar gatorer här nere."

Se detta inlägg på Instagram

Det är inte bara vackert – det är informativt! Bild från NEON: s Airborne Observational Platform (AOP) över Yellowstone-fältet (YELL).⠀ ⠀ Lidar, eller "Light Detektion och avstånd" är ett aktivt fjärravkänningssystem där ljus sänds ut från en snabbt skjutande laser ombord på en flygplan. Detta ljus går till marken och reflekteras från ytor som trädgrenar. Den reflekterade ljusenergin går sedan tillbaka till sensorn där den registreras – lidar mäter den tid det tar för utsänt ljus att resa till marken och tillbaka. Forskare kan använda fjärranalysdata som denna för att studera vegetationsstrukturen över regioner.⠀ ⠀ Lär dig mer om NEONs fjärrkontroll avkänningskapacitet, AOP och all vår data på vår webbplats!⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #fjärravkänning #lidar #NEONdata #opendata #NEONscience #research #fältarbete

Ett inlägg som delas av NEON Vetenskap (@neon.sci) på 13 augusti 2020 kl. 9:30 PDT

Även om White har undervisat en introduktionskurs i datavetenskap för biologer i ungefär ett decennium, sa han på en bredare nivå, måste hans område fortfarande komma ikapp. "Att engagera sig i detta med data i den skala som nu produceras av NEON är något som är mycket obekant för de flesta ekologer," sa han. Den typ av frågor White tittar på kräver dock den mängden data.

"En av de saker som vi verkligen är intresserade av är att processerna som styr ekologiska system förändras beroende på vilken skala du tittar på," sa han. Vad som påverkar ett enskilt träd - mängden solljus det får baserat på höjden på dess grannar, för exempel — blir mindre viktig när du zoomar längre och längre ut, även tittar på en hektar, skog eller ekosystem av träd. Större mönster av nederbörd och temperaturfluktuationer blir viktigare när man jämför träd i Florida mot de i New York. "Vi förstår att dessa processer förändras med skalan, men vi har inte riktigt haft datauppsättningar som tillåter oss att tänka på det på ett slags ganska kontinuerligt sätt," sa han.

Lavlånebibliotek

I ett industriområde i Tempe, Arizona, finns en låg, benvit byggnad. Trots sin anspråkslösa exteriör rymmer den faktiskt tusentals biologiska prover, både från Arizona State Universitys naturhistoriska samling och NEONs biorepository. Mikrober, skalbaggar, myggor och jordprover kommer alla att lagras i byggnaden under de 30 år som NEON kommer att pågå. De som behöver förvaras kallt förvaras i en kryogen frys, och ASU lägger också till en lagringsanläggning för flytande kväve. ASU: s samling visas också, med lådor med fjärilar, burkar med ryggradsdjur och en björnskinn som hänger på väggen. Arizona State Universitys Franz är chef för samlingen.

“Vi absorberar ungefär 110 00 prover årligen, enligt det arbete som vi för närvarande har med NEON," sa han, "och cirka 70 procent av dessa prover måste förvaras svalt." Under flera månader fick anläggningen dagliga leveranser av prover, ibland flera gånger dag. Några av NEONs webbplatser har samlat in prover så långt tillbaka som 2013. Även om korrekt lagring av dessa prover är en viktig komponent i vad Franzs team gör, måste de också katalogisera och spåra dem. "Vi ska faktiskt inte vara det sista stoppet någonsin för varje prov," sa Franz. "Tvärtom, eller hur. Vi ska vara ungefär som en genomgång för dessa prover, så att ytterligare forskning kan göras."

För att göra NEON's huvuddataportalen användbar för forskare måste biorepository-personalen ange mycket information, baserat på Darwin Core Standard. "Detta är relativt nära något som en lingua franca, som en brett, globalt använd standard för att överföra och kommentera data, i förhållande till naturhistoriska samlingsexemplar”, sa Franz. Det är tänkt att ge forskare allt de behöver veta om ett prov som de inte samlat in själva: Var, när och hur det samlades in; dess taxonomiska namn och hur det identifierades. "Vi kan också registrera relationer mellan prover," sa Franz. "Så, till exempel, om 'A' är en känd parasit av 'B', har vi prover från fästingar som togs från däggdjur."

Några av förfrågningarna Franz har fått kan hjälpa till med en amerikansk version av en insektsapokalypsstudie. University of Oklahoma tittar på förändringar i volymen av ryggradslösa djur på cirka 50 platser, sa han. De använder det som kallas fallgrop-prover. Plastmuggar lämnas i marken i dagar eller veckor och samlar upp spindlar, skalbaggar, daggmaskar och andra ryggradslösa djur. Från dessa prover kan forskare extrapolera om antalet sådana djur på varje plats, såväl som deras kroppsstorlek. Forskarna ser redan skillnader mellan olika regioner. "Det verkar finnas subregionala trender för denna insektsapokalyps som är ganska intressanta," sa Franz.

Pausar för pandemin

Kanske föreställer du dig en ekolog som någon som håller i ett urklipp och bär gummistövlar mitt i en skog. Kanske är din bild av en NEON-plats av sensorer som nynnar med, inga människor i sikte. NEON har 181 dataprodukter — samlingar av mätningar som barometertryck eller infraröd temperatur eller CO2-koncentrationer — som den avger. 108 av dem kräver mänskliga observatörer. "Vi förlitar oss enormt mycket på observationsprovtagning", säger Zoe Gentes, senior kommunikationsspecialist på Battelle, som hanterar NEON. "Men utöver det behöver våra automatiserade system underhåll."

"Det är något som verkligen slog mig under de första veckorna av covid," sa Mabee, NEONs chefsforskare. "Jag hade helt enkelt ingen aning om hur mycket underhållssensorer tog för att uppdateras och få sina batterier utbytta och grejer." Gentes sa att många av sensorerna har hållit sig mycket bra, förutom i fall av strömavbrott eller översvämning. NEONs Airborne Observation Platform är nu begränsad till vissa delar av USA som inte kräver kommersiella flygningar, eftersom NEON inte tillåter sin personal att flyga, sa Mabee. "Det här är inget viktigt jobb", sa hon. "Det är viktigt för oss. Det är vårt jobb. Men det är inget viktigt arbete."

Se detta inlägg på Instagram

Det är en #TowerTuesday-soluppgång vid NEONs LAJA fluxtorn i Puerto Rico (2019).⠀ ⠀ Lajas Experimental Station (LAJA) ligger vid Lajas forsknings- och utvecklingscenter, en av sex jordbruksexperimentstationer i Puerto Rico. Det är en del av NEONs Atlantic Neotropical Domain (D04). Majoriteten av marken ägs av University of Puerto Rico Mayaguez Campus. Beläget i det sydvästra hörnet av ön, där det är relativt torrt, ger fältplatsen en utmärkt kontrast till de orörda skogsförhållandena på Guánicafältet (GUAN). Data som samlas in vid LAJA kommer att hjälpa forskare att utvärdera effekten av jordbruk och mänsklig aktivitet på det lokala ekosystemet och övervaka dessa effekter över tid.⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #PuertoRico #soluppgång #forskning #NEONvetenskap #NEONdata #opendata #ekologi #ekovetenskap #vetenskap #fluxtorn

Ett inlägg som delas av NEON Vetenskap (@neon.sci) på 11 augusti 2020 kl. 9:30 PDT

Medan NEON har tittat på sätt att göra fältekologi säker att utföra under pandemin, tror Mabee att dess utövare kan ta en andra titt på projektet nu. "Visst i covid-tider tror jag att folk har satt sig vid sina datorer och inte kommit ut på fältet för mycket," sa hon. "Och så det har verkligen riktat strålkastarljuset på dessa typer av data."

I början av NEON fanns det en rädsla bland vissa forskare att det försökte helt ersätta fältarbete. "Jag tror att de missmärkte NEON från början eftersom de säger "åh, nu kan du göra ekologi från ditt skrivbord", säger Cramer, som har studerat möss i Wisconsin. "Och det finns en stor del av ekologer som sa:" Ja, det var inte därför vi började med ekologi. Vi vill gå ut.”

Annan kritik mot NEON var att det kunde leda till gör vetenskap "baklänges,” skapa data och sedan söka efter en hypotes. Det fanns oro för att NSF: s Långsiktigt nätverk för ekologisk forskning skulle förlora finansiering till förmån för NEON. "Det hjälper inte att NEON har kommit vid en tidpunkt då det har funnits en fruktansvärt mycket ångest över att minska finansieringen av vetenskap", säger Clark, från Duke University.

Det tog så lång tid för projektet att komma igång fullt ut, att under tiden kom en helt ny generation ekologer in i disciplinen. På förra året Ecological Society of Americas årsmöte, Dr Kyla Dahlin twittrade: ”Trött på att höra griniga gubbar klaga på @NEON_sci? Kom och hör från verkliga NEON-användare..."

Terrestra ekologen Nagy har varit involverad i en del utbildning för att se till att ingen ekolog blir kvar. "Jag tror att det är en av de första utmaningarna, det är bara att se till att ekologer i allmänhet har de färdigheter som krävs för att använda data som denna," sa hon. "Det är en riktigt cool resurs eftersom den är fritt, öppet tillgänglig för alla, men du måste ha den här kunskapen om hur man använder data för att göra den användbar."

Ett ekosystem av ekologer

"Jag tror att en av de mest, om inte den mest, spännande sakerna med NEON är potentialen för att främja gemenskap och bredare samarbete inom ekologi mer generellt," sa White. Hans grupp arbetar med forskare från skolans datavetenskaps- och skogsavdelningar med hans trädprojekt. Han arbetar med att kombinera NEON-data med några från U.S. Forest Services Forest Inventory and Analysis-program. Precis som att integrera två datamängder kräver att skapa ett team från olika vetenskapliga bakgrunder att skapa ett gemensamt ordförråd.

Även utanför NEON har ekologin expanderat för att passa större data och större frågor. White märkte det för ett decennium sedan när han började undervisa i datavetenskap. "Det finns många, många labb nu som inte samlar in någon fältdata själva, utan bara arbetar med data som kan erhållas från fjärravkänningsprodukter eller andra nätverksprodukter," sa Clark. Desai upprepar det. "Vi kan ha studenter som arbetar på fältplatser som de aldrig har sett," sa han. "Och det är kanske lite annorlunda - obekvämt - för vissa människor inom ekologi."

Desai har sett NEONs utveckling från insidan och utsidan. Tidigare var han medlem i dess rådgivande kommitté för vetenskap, teknik och utbildning. Hans känslor för projektet är blandade. Han berömmer forskarna som arbetar där men säger att dess ledning har haft sina upp- och nedgångar. NEON har hjälpt till att skapa välbehövlig standardisering av verktyg och mätningar som är avgörande för att svara på några av ekologins stora frågor. Många ekologer tror att NEONs data kommer att hjälpa dig att börja svara på några av dessa frågor.

"Om du pratar med National Science Foundation, säger de alltid," NEON är inte grejen. Makrosystembiologi är grejen”, sa Desai. "Neon är verktyget för att få den vetenskapen att hända. Och om det visar sig att vi behöver ett annat verktyg om 10 år, så är det så."