Visualización de datos oceanográficos para representar los cambios a largo plazo en el fitoplancton
概要
Aquí, presentamos un protocolo para convertir imágenes microscópicas de fitoplancton en gráficos vectoriales y patrones repetitivos para permitir la visualización de cambios en los taxones y la biomasa del fitoplancton a lo largo de 60 años. Este protocolo representa un enfoque que se puede utilizar para otras series temporales y conjuntos de datos de plancton a nivel mundial.
Abstract
Las series temporales oceanográficas proporcionan una perspectiva importante sobre los procesos ambientales en los ecosistemas. La Serie de Tiempo de Plancton a Largo Plazo de la Bahía de Narragansett (NBPTS) en la Bahía de Narragansett, Rhode Island, EE. UU., representa una de las series de tiempo de plancton más largas (1959-presente) de su tipo en el mundo y presenta una oportunidad única para visualizar el cambio a largo plazo dentro de un ecosistema acuático. El fitoplancton representa la base de la red trófica en la mayoría de los sistemas marinos, incluida la bahía de Narragansett. Por lo tanto, es fundamental comunicar su importancia a los 2.400 millones de personas que viven en el océano costero. Desarrollamos un protocolo con el objetivo de visualizar la diversidad y magnitud del fitoplancton utilizando Adobe Illustrator para convertir imágenes microscópicas de fitoplancton recolectadas del NBPTS en gráficos vectoriales que podrían conformarse en patrones visuales repetitivos a lo largo del tiempo. Se seleccionaron taxones numéricamente abundantes o que representaban amenazas económicas y sanitarias, como los taxones de floración de algas nocivas, Pseudo-nitzschia spp., para la conversión de imágenes. A continuación, se crearon patrones de varias imágenes de fitoplancton en función de su abundancia relativa para décadas seleccionadas de datos recopilados (décadas de 1970, 1990 y 2010). Los patrones decenales de la biomasa de fitoplancton informaron el contorno de cada década, mientras que se utilizó un gradiente de color de fondo de azul a rojo para revelar un aumento de temperatura a largo plazo observado en la bahía de Narragansett. Finalmente, se imprimieron grandes paneles de 96 pulgadas por 34 pulgadas con patrones repetitivos de fitoplancton para ilustrar los posibles cambios en la abundancia de fitoplancton a lo largo del tiempo. Este proyecto permite la visualización de cambios literales en la biomasa de fitoplancton, que suelen ser invisibles a simple vista, al tiempo que aprovecha los datos de series en tiempo real (por ejemplo, biomasa y abundancia de fitoplancton) dentro de la propia obra de arte. Representa un enfoque que se puede utilizar para muchas otras series temporales de plancton para la visualización de datos, la comunicación, la educación y los esfuerzos de divulgación.
Introduction
El fitoplancton es un productor primario que representa la base de la red trófica en los ecosistemas acuáticos 1,2. Si bien los programas de monitoreo del fitoplancton son clave para identificar los cambios actuales y futuros en los ecosistemas marinos, su apoyo está disminuyendo con el tiempo. Debido a sus tiempos de generación relativamente cortos y su movilidad limitada, el fitoplancton es particularmente sensible al cambio climático, lo que lo convierte en una herramienta importante en el monitoreo de series temporales. Las series temporales del fitoplancton también son importantes para informar sobre la gestión de la disponibilidad de recursos basada en los ecosistemas y proporcionar contexto para eventos episódicos, como las olas de calor marinas4. Las series temporales a corto plazo, en cuestión de años, proporcionan información sobre la sucesión de las comunidades de fitoplancton y la dinámica estacional (por ejemplo, ref.5,6), mientras que las series temporales a largo plazo, como los programas Bermuda Atlantic Time Series (BATS) y Hawaii Ocean Times Series (HOTS), abarcan más de dos décadas y permiten la detección de tendencias a largo plazo 7,8. Estos estudios ilustran el beneficio y la importancia de un registro de fitoplancton altamente resuelto para una comprensión completa de los cambios a largo plazo en los ecosistemas en entornos marinos dinámicos. Además, visualizar y comunicar estos cambios en el fitoplancton, que no se pueden ver a simple vista, son más difíciles de comprender que para los organismos que son grandes y fácilmente visibles, como los peces y las ballenas. Las visualizaciones por computadora ofrecen una técnica para explorar conjuntos de datos complejos9 y los gráficos ilustrativos mejorados están cada vez más disponibles (por ejemplo, Integration and Application Network, University of Maryland Center for Environmental Science). Sin embargo, la mayoría de los estudios sobre ecología del fitoplancton, incluidos muchos a los que se hace referencia aquí, todavía solo presentan los resultados como gráficos de datos, lo que reduce su accesibilidad para el público en general. Dado que el fitoplancton representa la base de la red trófica en la mayoría de los sistemas marinos,es fundamental comunicar su importancia a los casi 2.400 millones de personas que viven en el océano costero. Aquí, desarrollamos un protocolo con el objetivo de visualizar la diversidad y magnitud del fitoplancton, tal como se recolecta mediante un programa de monitoreo de fitoplancton.
La Serie Temporal de Plancton de la Bahía de Narragansett (NBPTS) proporciona una perspectiva a largo plazo de 60+ años (1959-presente) sobre los efectos del cambio global dentro de un contexto climático en la abundancia, estacionalidad y fenología (historia de vida) del fitoplancton. La bahía de Narragansett (NBay) es un estuario costero conectado a los sistemas más amplios de la plataforma noreste de los EE. UU. y el Atlántico noroccidental cuya producción tiene importantes implicaciones para la pesca y el uso humano a lo largo de la costa de los EE. UU.11. NBay se considera un sistema altamente estacional que experimenta un calentamiento de las aguas a largo plazo (1950-2015) en la región, así como cambios en los nutrientes y un aumento en la claridad del agua12,13. Además, se ha producido una disminución de la biomasa de fitoplancton en la parte superior de la NBay relacionada con la disminución antropogénica del nitrógeno inorgánico disuelto, que se atribuye en parte a las mejoras en las plantas de tratamiento de aguas residuales12. Los cambios en los taxones de fitoplancton, en particular las floraciones de algas nocivas (FAN), también están ocurriendo en NBay. Pseudo-nitzschia spp., que produce floraciones tóxicas generalizadas en las regiones de surgencia a lo largo de la costa oeste de los EE. UU., condujo a cierres notables de mariscos por primera vez en la historia de NBay en 2016 y 2017 14,15,16. Comunicar estos cambios a audiencias diversas es importante para aumentar la alfabetización científica y para promover el apoyo continuo a los estudios de monitoreo del fitoplancton.
El objetivo de este proyecto fue utilizar imágenes microscópicas de fitoplancton de NBay, así como datos sintetizados de NBPTS, para visualizar los cambios literales en los taxones y la biomasa de fitoplancton que están ocurriendo en NBay para comunicar y mejorar la importancia del fitoplancton para el público en general. NBPTS proporciona 60+ años de recuentos semanales de fitoplancton y biomasa disponibles públicamente para aprovechar los datos de (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/). El producto final fue un gran mural de patrones de plancton representativos de los datos de series temporales (por ejemplo, biomasa y taxones de fitoplancton, temperatura) dentro de la propia obra de arte. Este enfoque representa un método de visualización que se puede utilizar para muchas otras series temporales de plancton en todo el mundo y también se puede adaptar para programas de monitoreo con datos estacionales a corto plazo. Los beneficios de implementar este protocolo incluyen el aumento de los esfuerzos en la visualización de datos, la comunicación científica, la educación y el compromiso con las comunidades locales.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los pasos críticos del protocolo incluyen la obtención de imágenes microscópicas del fitoplancton y su conversión en gráficos vectoriales. Hacer que las imágenes de fitoplancton, que no son perceptibles a simple vista, sean lo suficientemente grandes como para ser vistas sin lupa en el mural, ayuda a darles vida para el espectador. Para lograr que este mural no solo sea una obra de arte, sino también un método de visualización de datos, es importante incorporar los datos observados en el proyecto. En el caso de…
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias (OIA-1655221, OCE-1655686) y Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Agradecemos a los múltiples capitanes por brindar asistencia de campo y a los muchos estudiantes e investigadores que recopilaron datos desde 1970. Agradecemos a Stewart Copeland y Georgia Rhodes por desarrollar el proyecto Vis-A-Thon que produjo el mural de plancton, así como a Rafael Attias de la Escuela de Diseño de Rhode Island por su orientación artística durante el desarrollo del proyecto.
Materials
| Adobe Illustrator | Adobe | version 23.0.6 | Free alternatives include: Inkscape, GIMP, Vectr, Vectornator |
| Eclipse E800 | Nikon | ECLIPSE Ni/Ci Upright Microscope | Now succeeded by Eclipse Ni-U |
| Epson Large Format Printer | Epson | SCT5475SR | |
| Heavy Matte Paper | Epson | S041596 | |
| RStudio | Rstudio, PBC | version 2022.07.1 | Any statistical software tool will suffice |
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