Визуализация океанографических данных для отображения долгосрочных изменений в фитопланктоне
Summary
В этой статье мы представляем протокол преобразования микроскопических изображений фитопланктона в векторную графику и повторяющиеся паттерны, позволяющие визуализировать изменения таксонов фитопланктона и биомассы за 60 лет. Этот протокол представляет собой подход, который может быть использован для других временных рядов и наборов данных планктона по всему миру.
Abstract
Океанографические временные ряды дают важную перспективу экологических процессов в экосистемах. Долгосрочные временные ряды планктона залива Наррагансетт (NBPTS) в заливе Наррагансетт, штат Род-Айленд, США, представляют собой один из самых длинных временных рядов планктона (с 1959 г. по настоящее время) в своем роде в мире и предоставляют уникальную возможность визуализировать долгосрочные изменения в водной экосистеме. Фитопланктон представляет собой основу пищевой цепи в большинстве морских систем, включая залив Наррагансетт. Поэтому крайне важно донести их важность до 2,4 миллиарда человек, живущих в прибрежных районах океана. Мы разработали протокол с целью визуализации разнообразия и величины фитопланктона с помощью Adobe Illustrator для преобразования микроскопических изображений фитопланктона, собранных с NBPTS, в векторную графику, которая может быть преобразована в повторяющиеся визуальные шаблоны с течением времени. Для преобразования изображений были отобраны таксоны, численно распространенные или представляющие угрозу для экономики и здоровья, такие как таксоны вредоносного цветения водорослей, Pseudo-nitzschia spp. Затем были созданы закономерности различных изображений фитопланктона на основе их относительной распространенности за выбранные десятилетия собранных данных (1970-е, 1990-е и 2010-е годы). Десятилетние модели биомассы фитопланктона информировали о контурах каждого десятилетия, в то время как цветовой градиент фона от синего до красного использовался для выявления долгосрочного повышения температуры, наблюдаемого в заливе Наррагансетт. Наконец, были напечатаны большие панели размером 96 на 34 дюйма с повторяющимися узорами фитопланктона, чтобы проиллюстрировать потенциальные изменения численности фитопланктона с течением времени. Этот проект позволяет визуализировать буквальные сдвиги в биомассе фитопланктона, которые, как правило, невидимы невооруженным глазом, используя данные рядов в реальном времени (например, биомассу и численность фитопланктона) в самом произведении искусства. Он представляет собой подход, который может быть использован для многих других временных рядов планктона для визуализации данных, коммуникации, образования и информационно-разъяснительной работы.
Introduction
Фитопланктон является первичным продуцентом, представляющим собой основу пищевой цепи в водных экосистемах 1,2. Несмотря на то, что программы мониторинга фитопланктона играют ключевую роль в выявлении текущих и будущих изменений в морских экосистемах, их поддержка со временем снижается3. Из-за относительно короткого времени генерации и ограниченной подвижности фитопланктон особенно чутко реагирует на изменение климата, что делает его важным инструментом в мониторинге временных рядов. Временные ряды фитопланктона также важны для информирования экосистемного управления доступностью ресурсов и обеспечения контекста для эпизодических событий, таких как морские тепловыеволны4. Краткосрочные временные ряды, относящиеся к годам, дают представление о сукцессии фитопланктонных сообществ и сезонной динамике (например, ссылки 5,6), в то время как долгосрочные временные ряды, такие как программы Bermuda Atlantic Time Series (BATS) и Hawaii Ocean Times Series (HOTS), охватывают более двух десятилетий и позволяют выявлять долгосрочные тенденции 7,8. Такие исследования иллюстрируют пользу и важность данных о фитопланктоне с высоким разрешением для полного понимания долгосрочных изменений экосистем в динамичной морской среде. Кроме того, визуализировать и сообщать об этих изменениях в фитопланктоне, которые невозможно увидеть невооруженным глазом, сложнее, чем для организмов, которые являются крупными и хорошо видимыми, такими как рыбы и киты. Компьютерная визуализация предлагает метод исследования сложных наборовданных9, и улучшенная иллюстративная графика становится легкодоступной (например, Integration and Application Network, University of Maryland Center for Environmental Science). Тем не менее, большинство исследований в области экологии фитопланктона, в том числе и те, на которые здесь ссылаются, по-прежнему представляют результаты только в виде графов данных, что снижает их доступность для широкой аудитории. Учитывая, что фитопланктон представляет собой основу пищевой цепи в большинстве морских систем,крайне важно донести его важность до почти 2,4 миллиарда человек, живущих в прибрежной части океана. Здесь мы разработали протокол с целью визуализации разнообразия и величины фитопланктона, собранного программой мониторинга фитопланктона.
Временные ряды планктона залива Наррагансетт (NBPTS) предоставляют долгосрочную перспективу за 60+ лет (с 1959 г. по настоящее время) о влиянии глобальных изменений в климатическом контексте на численность, сезонность и фенологию фитопланктона (историю жизни). Залив Наррагансетт (NBay) – это прибрежный эстуарий, связанный с более широкими системами северо-восточного шельфа США и северо-западной части Атлантического океана, добыча которого имеет важное значение для рыболовства и использования человеком вдоль прибрежной зоны США11. NBay считается высокосезонной системой, испытывающей длительное (1950-2015 гг.) потепление воды в регионе, а также сдвиги в питательных веществах и повышение прозрачности воды12,13. Кроме того, в верховьях Нью-Йорка произошло снижение биомассы фитопланктона, связанное с антропогенным снижением содержания растворенного неорганического азота, что частично связано с модернизацией очистных сооружений12. Сдвиги в таксонах фитопланктона, особенно вредоносное цветение водорослей (ВЦВ), также происходят в NBay. Pseudo-nitzschia spp., которая вызывает повсеместное токсичное цветение в регионах апвеллинга вдоль западного побережья США, впервые в истории NBay привела к заметному закрытию моллюсков в 2016 и 2017 годах 14,15,16. Информирование различных аудиторий об этих изменениях имеет важное значение для повышения научной грамотности и содействия дальнейшей поддержке исследований по мониторингу фитопланктона.
Цель этого проекта состояла в том, чтобы использовать микроскопические изображения фитопланктона из NBay, а также данные, синтезированные из NBPTS, для визуализации буквальных сдвигов в таксонах фитопланктона и биомассе, которые происходят в NBay, чтобы донести и повысить важность фитопланктона для широкой аудитории. NBPTS предоставляет общедоступные еженедельные данные о подсчетах фитопланктона и биомассе за 60+ лет для использования данных (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/). Конечным продуктом стала большая фреска с планктонными узорами, представляющими данные временных рядов (например, биомасса и таксоны фитопланктона, температура) внутри самого произведения искусства. Этот подход представляет собой метод визуализации, который может быть использован для многих других временных рядов планктона по всему миру, а также может быть адаптирован для программ мониторинга с краткосрочными сезонными данными. Преимущества внедрения этого протокола включают в себя увеличение усилий в области визуализации данных, научной коммуникации, образования и взаимодействия с местными сообществами.
Protocol
Representative Results
Discussion
Важнейшие этапы протокола включают получение микроскопических изображений фитопланктона и преобразование их в векторную графику. Сделать изображения фитопланктона, не заметные невооруженным глазом, достаточно большими, чтобы их можно было разглядеть без лупы на фреске, помогает ожи…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Национальным научным фондом (OIA-1655221, OCE-1655686) и Морским грантом Род-Айленда (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Мы благодарим многочисленных капитанов за оказанную помощь в полевых условиях, а также многих студентов и исследователей, которые собирали данные с 1970 года. Мы благодарим Стюарта Коупленда и Джорджию Роудс за разработку проекта Vis-A-Thon, в рамках которого была создана фреска из планктона, а также Рафаэля Аттиаса из Школы дизайна Род-Айленда за его художественное руководство во время разработки проекта.
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 |
References
- Cloern, J. E., Jassby, A. D. Complex seasonal patterns of primary producers at the land-sea interface. Ecology Letters. 11 (12), 1294-1303 (2008).
- Cloern, J. E., Jassby, A. D. Patterns and Scales of Phytoplankton Variability in Estuarine-Coastal Ecosystems. Estuaries and Coasts. 33 (2), 230-241 (2010).
- Hays, G. C., Richardson, A. J., Robinson, C. Climate change and marine plankton. Trends in Ecology & Evolution. 20 (6), 337-344 (2005).
- Harvey, C. J., et al. The importance of long-term ecological time series for integrated ecosystem assessment and ecosystem-based management. Progress in Oceanography. 188, 102418 (2020).
- Leeuwe, M. A., et al. Annual patterns in phytoplankton phenology in Antarctic coastal waters explained by environmental drivers. Limnology and Oceanography. 65 (7), 1651-1668 (2020).
- Hunter-Cevera, K. R., et al. Physiological and ecological drivers of early spring blooms of a coastal phytoplankter. Science. 354 (6310), 326-329 (2016).
- Church, M. J., Lomas, M. W., Muller-Karger, F. Sea change: Charting the course for biogeochemical ocean time-series research in a new millennium. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 93, 2-15 (2013).
- Bates, N. R., Johnson, R. J. Acceleration of ocean warming, salinification, deoxygenation and acidification in the surface subtropical North Atlantic Ocean. Communications Earth & Environment. 1 (1), 33 (2020).
- Wolanski, E., Spagnol, S., Gentien, P., Spaulding, M., Prandle, D. Visualization in Marine Science. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 50 (1), 7-9 (2000).
- United Nations. Factsheet: People and Oceans (2017). , (2017).
- Oviatt, C. A. The changing ecology of temperate coastal waters during a warming trend. Estuaries. 27 (6), 895-904 (2004).
- Oviatt, C., et al. Managed nutrient reduction impacts on nutrient concentrations, water clarity, primary production, and hypoxia in a north temperate estuary. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 199, 25-34 (2017).
- Fulweiler, R. W., Oczkowski, A. J., Miller, K. M., Oviatt, C. A., Pilson, M. E. Q. Whole truths vs. half truths – And a search for clarity in long-term water temperature records. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 157, A1-A6 (2015).
- Trainer, V. L., et al. Pseudo-nitzschia physiological ecology, phylogeny, toxicity, monitoring and impacts on ecosystem health. Harmful Algae. 14, 271-300 (2012).
- Sterling, A. R., et al. Emerging harmful algal blooms caused by distinct seasonal assemblages of a toxic diatom. Limnology and Oceanography. 67 (11), 2341-2359 (2022).
- Roche, K. M., Sterling, A. R., Rynearson, T. A., Bertin, M. J., Jenkins, B. D. A Decade of Time Series Sampling Reveals Thermal Variation and Shifts in Pseudo-nitzschia Species Composition That Contribute to Harmful Algal Blooms in an Eastern US Estuary. Frontiers in Marine Science. 9, 889840 (2022).
- Li, . Qi Data visualization as creative art practice. Visual Communication. 17 (3), 299-2222312 (2018).
- Cloern, J. E., et al. Projected Evolution of California’s San Francisco Bay-Delta-River System in a Century of Climate Change. PLoS ONE. 6 (9), e24465 (2011).
- Bashevkin, S. M., et al. Five decades (1972-2020) of zooplankton monitoring in the upper San Francisco Estuary. PLOS ONE. 17 (3), e0265402 (2022).
