NEON – це екологічна обсерваторія США вартістю 460 мільйонів доларів.

У листопаді 2018 року журнал The New York Times опублікував статтю під назвою Апокаліпсис комах. Це значною мірою ґрунтувалося на дослідженнях чисельності комах у Центральній Європі. Стаття привернула багато уваги, в тому числі доктора Ніко Франца, професора Школи наук про життя Університету штату Арізона. «Я не міг бути єдиним ентомологом — людиною з комахами — який запитував: «Вау, чи є у нас дані про це в США?», — сказав він. Справді не було в минулому, але зараз існує величезний проект, який намагається зібрати таку інформацію для майбутнього.

Національна мережа екологічних обсерваторій (NEON) — це група сайтів у США, де екологи та інструменти збирають величезну кількість даних, щоб спробувати отримати повну картину зміна клімату, біорізноманіття, ресурси прісної води та інші складні екологічні проблеми. Він запрацював на повну силу лише з минулого року, а потім почалася пандемія. Але це далеко не перше завдання, з яким зіткнеться амбітний проект, і точно не останнє. Передбачається, що NEON збиратиме дані ще кілька десятиліть.

Понад два десятиліття в розробці, 30 років у майбутнє

Історія NEON сягає кінця 1990-х і початку 2000-х років, коли екологи та біологи наполягали на створенні міжконтинентальної мережі, щось схоже на мережу датчиків землетрусів, але для екології замість землетрусів. Вони звернулися до Національного наукового фонду (NSF) з ідеєю та вартістю — майже 400 мільйонів доларів на будівництво, плюс мільйони доларів на рік, щоб працювати протягом трьох десятиліть. «Це справді величезні інвестиції Національного наукового фонду, яких насправді не було раніше у цьому масштабі в екології», – сказала д-р Челсі Надь, наземний еколог з Університету Колорадо. Валун.

Останній сайт був запущений і запущений минулого року, і проміжок між першою ідеєю і теперішнім моментом супроводжувався різними головними болями. Там були проблеми фінансування з Конгресом, пішло понад бюджет (у підсумку це коштувало 460 мільйонів доларів), і нагляд за проектом змінив руки. Тоді NSF обрала Battelle, яка керує кількома національними лабораторіями, для нагляду за NEON. Ще минулого року організація звільнив двох високопоставлених співробітників, змушуючи інших піти у відставку. Але потім, через кілька місяців, у травні 2019 року, NEON став повністю робочий.

Однак світло — і датчики — не загорілися відразу. Багато з 81 сайту NEON збирають дані вже роками. Є 81 сайт у 20 доменах, включаючи тундру і тайгу на Алясці, південні рівнини, що охоплюють значну частину Техасу, і великі озера, а також кілька місць у Вісконсині. Ці екокліматичні зони покликані представляти різноманітні місцевості, екосистеми та рослинність США.

На кожній ділянці низка технологій, а також польовий персонал мають збирати спостереження за рослинами, тваринами, погодою, водою, ґрунтом тощо. За допомогою стандартизованих інструментів і вимірювань дані легше порівнювати.

Це може здатися досить простим, але екологія не завжди працює таким чином. «Історично одна з особливостей екології полягає в тому, що ми ставили конкретне запитання в певному місці, використовуючи певний набір методів, а потім ніхто більше ніколи не зробить те саме», — сказав доктор Ітан Уайт, професор кафедри екології та збереження дикої природи Університету Флориди. «І тому, коли висновки, зроблені в одній серії документів, відрізняються від інших, ми не зовсім впевнені, чому ці висновки відрізняються».

«Я зараз роблю мета-аналіз і збираю окремі дослідження», — сказав Надь з Університету Колорадо. «І тому дуже важко аналізувати дані, зібрані багатьма різними людьми різними способами, тому що іноді вони вимірюють різні речі, а іноді вони вимірюють те саме, але використовують інший метод». З NEON, за її словами, все, що збирається на сайтах, виконується за однаковою методологією, що полегшує роботу порівняти.

Дані також просторово інтегровані — це означає, що це набір вимірювань, зібраних з одного сайту. «Те, що він дає досліднику, наприклад, навіть на одному місці, це спосіб просто інтегрувати всі ці дані», — сказала д-р Паула Мейбі, головний науковий співробітник NEON і директор обсерваторії. Незважаючи на понад 8000 датчиків, NEON не призначений для моніторингу всього.

«Багато ділянок NEON знаходяться в місцях, де активно видаляються інвазивні види. Тож вони точно не допоможуть нам із цим», — сказав доктор Джеймс Кларк, еколог з Університету Дьюка. Наді цікавить, як лісові пожежі впливають на інвазивні види, але оскільки сайти NEON не горіли, вона не може включити їх у своє дослідження.

Регулярний збір даних від Гаваїв до Пуерто-Ріко має на меті відповісти на шість «великі виклики в науках про навколишнє середовище”, наприклад про те, як люди впливають на біорізноманіття та як запобігти інфекційним захворюванням різноманітних видів. На кожному місці встановлені камери, пастки та тисячі датчиків. Дослідники можуть вивчати біогеохімію, ґрунтові мікроби, інформацію дистанційного зондування та дані про водні організми, щоб отримати відчуття того, як вони взаємодіють, а також як зміни проявляються в ссавцях, мінералах і мікроби.

«Хоча Neon — це не експеримент — ми не маніпулюємо лісами чи системами, виконуючи довгострокові вимірювання — ви починаєте сприймати екосистеми як складну систему», – сказав доктор Анкур Десаї, професор Університету Вісконсін-Медісон. «Усі ці різні частини — кругообіг води, вуглецевий цикл, види, які взаємодіють — усі змінюються. І це надія на те, що ми отримаємо достатньо інформації в достатньо різних місцях, щоб зрозуміти світ навколо нас».

Чудове виявлення миші

Якщо ви зіткнетеся з маленькою мишкою з коричневим хутром; білий живіт і великі темні очі, ймовірно, це не відразу буде помітно, якщо ви дивитеся на білоногу мишу-оленя або лісову мишу-оленя. Хитрість полягає в довжині вуха. Обидва види зустрічаються у верхній частині Середнього Заходу і є вирішальними для досліджень доктора Майкла Дж. Крамер, помічник директора Центру екологічних досліджень університету Нотр-Дам у Вісконсіні.

«Вони служать модельною системою, яка допомагає зрозуміти, як природні популяції реагують на зміни навколишнього середовища, тому я їх вивчаю», — сказав він. Сови, яструби, ласки та лисиці полюють на мишей, які їдять самі рослини та насіння. «Ці миші знаходяться прямо в центрі харчової мережі», — сказав Крамер. Їх присутність впливає не лише на тварин, які їх їдять, але й на види дерев, які залежать від них, щоб поширювати своє насіння. Крім того, є конкуренція, як-от білки та бурундуки, які їдять ті самі ресурси.

«Якщо у вас є здорова популяція мишей, це загалом свідчить про добре функціонуючу систему з точки зору динаміки лісу», — сказав Крамер. Він ловить мишей, позначає їх, відпускає та знову відловлює, щоб зрозуміти, скільки їх у лісах, що простягаються через вершину Вісконсіна до Верхнього півострова Мічигану.

Місцевість досить віддалена, що, ймовірно, дуже приємно для мишей, але не обов’язково настільки корисно для всіх запитань, на які Крамер сподівається відповісти. «З трьох сторін ми оточені національним лісом, тому ми не є системою, де домінує людина», — сказав він. Але NEON також ловить і випускає цих мишей на іншому місці під назвою Treehaven, приблизно за півтори години їзди звідси. «Я можу переглянути їхні дані на основі спостережень, які я зробив у відносно незайманому середовищі, а потім порівняти їх із даними NEON, які зібрані в недоторканному середовищі, і спробуйте зробити деякі висновки про те, як, на мій погляд, миші реагують на видовому рівні», – сказав він. сказав.

Незважаючи на те, що це лісові миші — не той тип, який зазвичай зустрічається в будинку, сказав Крамер, — все одно важливо стежити за ними для здоров’я людини. Вони є резервуарами хвороби Лайма. «Вони не поширюють хворобу Лайма, але вони підтримують її серед цієї популяції», — сказав він. І ці миші зустрічаються в багатьох штатах США, якби Крамер захотів провести деякі порівняння між Юпер мишей та інших регіонів, йому знадобиться величезний грант і ціла армія аспірантів, сказав він.

Натомість «я можу використовувати дані з інших сайтів та інших типів середовища існування та інших біомів, а також спробувати порівняти те, що, на мою думку, роблять миші, використовуючи дані NEON», — сказав він. «Це дозволяє мені поширити мої висновки на набагато більші масштаби».

Хоча підхід Крамера є досить низькотехнологічним — «У мене немає грошей, щоб купувати стільки маленьких крихітних радіонашийників для кожної миші», — сказав він, — на сайтах NEON є багато інструментів.

Наскільки зелена ця долина?

Через регулярні проміжки часу NEON літає на літаку над численними місцями. На борту літака є камери, лідар і спектрометри. Спектрометри забезпечують гіперспектральні зображення, які мають високу роздільну здатність і вловлюють світло, яке не бачить людське око. Це схоже на встановлення кольорового фільтра на камеру, але для сотень кольорів. Ітан Уайт намагається визначити породу дерев на основі цих гіперспектральних зображень.

Залежно від свого кольору листя відбиватимуть і поглинатимуть світло з різною довжиною хвилі. Якщо нанести на карту коефіцієнт відбиття від усіх кольорів світла, ви отримаєте спектр. Вимірювання цього спектру на кожному пікселі зображення виявляє різні властивості листя, як-от кількість азоту чи фосфору. Ваша звичайна камера вловлюватиме світло у видимій частині спектру або червоному, зеленому та синьому. Гіперспектральне зображення надходить від пристрою, який записує 426 спектральних смуг. «Це може дозволити нам побачити відмінності між рослинами, зокрема, зверху», — сказав Уайт з Університету Флориди. «Це було б важко зрозуміти, чи все виглядає зеленим, але ми могли б побачити великі відмінності між двома речами, які були зеленими, використовуючи різну інформацію з цього гіперспектрального зображення».

Для того, щоб побачити детальну різницю кольорів між листям індичого дуба та піщаного живого дуба, потрібні величезні файли зображень. «Ми працюємо з терабайтами і терабайтами зображень, — сказав Вайт. «Ми виконуємо велику кількість дуже інтенсивних обчислень у високопродуктивному обчислювальному центрі Університету Флориди, який вони називають HiPerGator, тому що нам тут дуже подобаються алігатори».

Переглянути цю публікацію в Instagram

Це не просто красиво – це інформативно! Зображення з бортової спостережної платформи NEON (AOP) над полем Йеллоустоун (YELL).⠀ ⠀ Лідар, або «Світло» Виявлення та визначення дальності" — це активна система дистанційного зондування, в якій світло випромінюється від швидкого лазера на борту літак. Це світло потрапляє на землю і відбивається від поверхонь, таких як гілки дерев. Потім відбита світлова енергія повертається до датчика, де вона реєструється – лідар вимірює час, потрібний випромінюваному світлу, щоб подолати землю та назад. Вчені можуть використовувати такі дані дистанційного зондування, щоб вивчати структуру рослинності в регіонах.⠀ ⠀ Дізнайтеся більше про дистанційне керування NEON можливості зондування, AOP та всі наші дані на нашому веб-сайті!⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #дистанційне зондування #лідар #NEONdata #opendata #NEONscience #дослідження #польова робота

Публікацією поділився NEON Science (@neon.sci) на 13 серпня 2020 р. о 9:30 за тихоокеанським літнім часом

Хоча Уайт викладає вступний курс з інформатики для біологів близько десяти років, він сказав, що на ширшому рівні його сфера все ще потребує надолуження. «Взаємодія з даними в такому масштабі, які зараз створює NEON, є чимось незнайомим для більшості екологів», — сказав він. Однак типи питань, які розглядає Вайт, вимагають такої кількості даних.

«Одна з речей, яка нас справді цікавить, полягає в тому, що процеси, які керують екологічними системами, змінюються залежно від масштабу, на який ви дивитеся», — сказав він. Що впливає на окреме дерево — кількість сонячного світла, яке воно отримує залежно від висоти сусідів приклад — ставайте менш важливими, коли ви все більше і більше віддаляєтеся, також дивіться на акр, ліс або екосистему дерева. Порівняння дерев у Флориді з деревами в Нью-Йорку набуває більшого значення більшої кількості опадів і температурних коливань. «Ми розуміємо, що ці процеси змінюються з масштабом, але насправді у нас не було наборів даних, які б дозволяли нам думати про це досить безперервно», — сказав він.

Бібліотека абонементу Лишайник

У промисловому районі Темпі, штат Арізона, є невисока будівля білого кольору. Незважаючи на свій невибагливий зовнішній вигляд, він фактично зберігає тисячі біологічних зразків, як із природничої колекції університету штату Арізона, так і Біосховище NEON. Мікроби, жуки, комарі та зразки ґрунту зберігатимуться в будівлі протягом 30 років роботи NEON. Ті, які потрібно зберігати в холоді, зберігаються в кріогенній морозильній камері, а ASU також додає сховище рідкого азоту. Також виставлена ​​колекція ASU з футлярами для метеликів, баночками з хребетними та шкура ведмедя висить на стіні. Директором колекції є Франц з Університету штату Арізона.

“Ми поглинаємо приблизно 110 000 зразків на рік відповідно до технічного завдання, яке ми маємо наразі з NEON, – сказав він, – і близько 70 відсотків цих зразків потрібно зберігати в прохолоді». Протягом кількох місяців установа щодня отримувала зразки, іноді кілька разів день. Деякі сайти NEON збирали зразки ще в 2013 році. Хоча правильне зберігання цих зразків є важливим компонентом того, чим займається команда Франца, вони також повинні каталогізувати та відстежувати їх. «Насправді ми не повинні бути кінцевою зупинкою для кожного зразка», — сказав Франц. «Навпаки, правильно. Ми маємо бути на кшталт проходу для цих зразків, щоб можна було провести додаткові дослідження».

Для того, щоб зробити NEON головний портал даних корисно для дослідників, співробітники біосховища повинні вводити багато інформації на основі базового стандарту Дарвіна. «Це відносно близько до чогось на зразок a Французька мова, як широко застосовуваний у всьому світі стандарт для передачі та анотування даних щодо колекцій природничих зразків», – сказав Франц. Це має на меті надати дослідникам усе, що їм потрібно знати про зразок, який вони не збирали самі: де, коли та як він був зібраний; його таксономічну назву та спосіб ідентифікації. «Ми також можемо записувати зв’язки між зразками», — сказав Франц. «Отже, наприклад, якщо «А» є відомим паразитом «Б», ми маємо зразки кліщів, взятих у ссавців».

Деякі запити, які отримав Франц, можуть допомогти в американській версії дослідження апокаліпсису комах. За його словами, Університет Оклахоми вивчає зміни в кількості безхребетних приблизно в 50 місцях. Вони використовують так звані зразки пасток. Пластикові стаканчики залишають у землі на кілька днів або тижнів, збираючи павуків, жуків, дощових черв’яків та інших безхребетних. З цих зразків дослідники можуть екстраполювати кількість таких тварин у кожному місці, а також розмір їх тіла. Дослідники вже бачать відмінності в різних регіонах. «Схоже, є субрегіональні тенденції цього апокаліпсису комах, які є досить цікавими», — сказав Франц.

Пауза через пандемію

Можливо, ви уявляєте собі еколога як людину, яка тримає планшет у гумових чоботях посеред лісу. Можливо, ваше зображення сайту NEON – це гудіння датчиків, а людей немає. NEON має 181 продукт даних — колекції вимірювань, таких як барометричний тиск або інфрачервона температура або концентрація CO2, які він видає; 108 із них потребують спостерігачів. «Ми значною мірою покладаємося на вибірку спостережень», — сказала Зої Гентес, старший спеціаліст із комунікацій у Battelle, яка керує NEON. «Але крім цього наші автоматизовані системи потребують обслуговування».

«Це те, що мене справді вразило в перші кілька тижнів COVID», — сказав Мейбі, головний науковий співробітник NEON. «Я просто не уявляв, скільки знадобилося технічне обслуговування датчиків, щоб оновити їх і замінити їхні батареї речі». Гентес сказав, що багато датчиків працювали дуже добре, за винятком випадків відключення електроенергії або затоплення. Повітряна спостережна платформа NEON тепер обмежена певними частинами США, де не потрібні комерційні рейси, оскільки NEON не дозволяє своєму персоналу літати, сказав Мейбі. «Це не обов’язкова робота», — сказала вона. «Для нас це важливо. Це наша робота. Але це не обов’язкова робота».

Переглянути цю публікацію в Instagram

Це #TowerTuesday схід сонця на вежі LAJA flux від NEON у Пуерто-Ріко (2019).⠀ ⠀ Експериментальна станція Lajas (LAJA) розташована в Центрі досліджень і розвитку Lajas, одній із шести сільськогосподарських експериментальних станцій у Пуерто Ріко. Це частина Атлантичного неотропічного домену NEON (D04). Більша частина землі належить Кампусу Маягуес університету Пуерто-Ріко. Розташоване в південно-західній частині острова, де відносно посушливо, поле створює чудовий контраст із незайманими лісовими умовами на полі Гуаніка (GUAN). Дані, зібрані в LAJA, допоможуть дослідникам оцінити вплив сільського господарства та діяльності людини на місцеву екосистему та контролювати ці впливи з часом.⠀ .⠀ .⠀ .⠀ #PuertoRico #sunrise #дослідження #NEONscience #NEONdata #opendata #ecology #ecoscience #science #fluxtower

Публікацією поділився NEON Science (@neon.sci) на 11 серпня 2020 р. о 9:30 за тихоокеанським літнім часом

У той час як NEON шукає способи зробити польову екологію безпечною для роботи під час пандемії, Mabee вважає, що її практики можуть зараз ще раз поглянути на проект. «Звичайно, у часи COVID, я думаю, люди сіли за свої комп’ютери і не надто виходили на поле», – сказала вона. «І тому цей тип даних дійсно привернув увагу».

На початку існування NEON деякі вчені побоювалися, що він намагається повністю замінити польову роботу. «Мені здається, що спочатку вони неправильно назвали NEON, тому що вони казали: «О, тепер ви можете займатися екологією зі свого робочого столу», — сказав Крамер, який вивчав мишей у Вісконсині. «І є велика частина екологів, які сказали: «Так, не тому ми почали займатися екологією». Ми хочемо вийти на вулицю».

Інші критики NEON полягали в тому, що це може призвести до робити науку «назад».”, створення даних, а потім пошук гіпотези. Були побоювання, що NSF Мережа довгострокових екологічних досліджень втратить фінансування на користь NEON. «Це не допомагає, що NEON з’явився в той час, коли було дуже багато тривоги щодо скорочення фінансування науки», — сказав Кларк з Університету Дьюка.

На повний запуск проекту знадобилося стільки часу, що тим часом ціле нове покоління екологів прийшло в цю дисципліну. У минулому році Екологічне товариство Америкищорічні збори, доктор Кайла Далін твітнув: «Набридло слухати нарікання сварливих старих @NEON_sci? Почуйте реальних користувачів NEON..."

Наземний еколог Надь брав участь у тренінгах, щоб переконатися, що жоден еколог не залишиться позаду. «Я думаю, що це одна з першочергових проблем — просто переконатися, що екологи загалом мають навички, необхідні для використання таких даних», — сказала вона. «Це дійсно чудовий ресурс, оскільки він вільно доступний для всіх, але ви повинні мати знання про те, як використовувати дані, щоб зробити їх корисними».

Екосистема екологів

«Я вважаю, що одна з найбільш, якщо не найбільш захоплюючих речей у NEON — це потенціал сприяння спільноті та ширшій співпраці в екології в цілому», — сказав Вайт. Його група працює з дослідниками зі шкільного факультету інформатики та лісового господарства над проектами дерев. Він працює над поєднанням даних NEON з деякими з програми інвентаризації та аналізу лісів Служби лісів США. Подібно до інтеграції двох наборів даних, створення команди з різним науковим досвідом вимагає створення спільного словника.

Навіть за межами NEON екологія розширюється, щоб відповідати більшим даним і великим питанням. Уайт помітив це десять років тому, коли почав викладати уроки інформатики. «Зараз існує багато, багато лабораторій, які самі не збирають польові дані, а просто працюють над даними, які можна отримати з продуктів дистанційного зондування або інших мережевих продуктів», — сказав Кларк. Десаї повторює це. «У нас можуть бути студенти, які працюють на польових майданчиках, яких вони ніколи не бачили», — сказав він. «І це, можливо, трохи по-іншому — незручно — для деяких людей в екології».

Десай спостерігав за розвитком NEON зсередини та ззовні. Раніше він був членом Консультативного комітету з науки, технологій та освіти. Його почуття щодо проекту неоднозначні. Він хвалить вчених, які там працюють, але каже, що в його менеджменті були як злети, так і падіння. NEON допоміг забезпечити таку необхідну стандартизацію інструментів і вимірювань, які мають вирішальне значення для відповідей на деякі важливі питання екології. Багато екологів вважають, що дані NEON допоможуть відповісти на деякі з цих питань.

«Якщо ви спілкуєтеся з Національним науковим фондом, вони завжди кажуть: «НЕОН — це не те». Макросистемна біологія — це головне», — сказав Десаї. «Неон — це інструмент для реалізації цієї науки. І якщо через 10 років виявиться, що нам потрібен інший інструмент, нехай буде так».