Wizualizacja danych oceanograficznych w celu zobrazowania długoterminowych zmian w fitoplanktonie
28 lipca 2023
Tutaj prezentujemy protokół przekształcania obrazów mikroskopowych fitoplanktonu w grafikę wektorową i powtarzalne wzory, aby umożliwić wizualizację zmian w taksonach fitoplanktonu i biomasie na przestrzeni 60 lat. Protokół ten reprezentuje podejście, które można wykorzystać dla innych szeregów czasowych planktonu i zestawów danych na całym świecie.
Jestem ekologiem planktonu zajmującym się charakteryzowaniem wpływu gwałtownych zmian klimatycznych na ekologię i fizjologię fitoplanktonu i zooplanktonu. Ekologia planktonu wymaga zarówno połączenia tradycyjnego, jak i nowoczesnego podejścia. Ostatnio technologia obrazowania planktonu, oprócz mikroskopii, jest wykorzystywana do ilościowego określania i pomiaru planktonu.
Technologia ta skraca czas potrzebny na ręczne liczenie planktonu, wykorzystując sztuczną inteligencję do liczenia i klasyfikowania planktonu za nas. Badania te wizualizują jeden z najdłuższych szeregów czasowych planktonu na świecie. Te zestawy danych mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia kontekstu dla zrozumienia zmian w zbiorowiskach planktonu i sieciach pokarmowych w regionach dotkniętych gwałtownymi zmianami klimatu.
Moje badania pomogły mi zobrazować mechanizmy leżące u podstaw tych zmian. Biorąc pod uwagę mikroskopijną naturę planktonu, może to być trudne, szczególnie dla naukowców, aby zobrazować i przekazać, jak społeczności planktonu zmieniają się w czasie. Mój protokół ma na celu zapewnienie jasnej metody wizualizacji zmian w zbiorowiskach planktonu, wykorzystując dane naukowe w ramach artystycznych.
Miejmy nadzieję, że ten protokół zachęci innych naukowców do bardziej kreatywnego myślenia o tym, jak wizualizują i prezentują swoje dane, szczególnie odbiorcom niezwiązanym z nauką. Często istnieje rozbieżność między wynikami badań laboratoryjnych a tym, jak są one interpretowane i obecne w społeczeństwie. Mam więc nadzieję, że ten protokół pomoże wypełnić tę lukę.
Moje laboratorium będzie nadal wykorzystywać zestawy danych szeregów czasowych planktonu do identyfikacji czynników środowiskowych wpływających na długoterminowe zmiany w zbiorowiskach planktonu, a także przeprowadzać eksperymenty fizjologiczne w laboratorium, aby zrozumieć mechanizmy fizjologiczne leżące u podstaw tych zmian w społecznościach w północno-wschodnich Stanach Zjednoczonych i poza nimi. Aby rozpocząć, wybierz mikroskopijne obrazy fitoplanktonu wykonane z serii czasowej długoterminowego planktonu w zatoce Narraganset w formacie JPEG, PNG lub PDF. Umieść mikroskopijny obraz w formacie JPEG lub PNG w przestrzeni roboczej programu Illustrator.
Przejdź do pozycji Widok, a następnie kliknij opcję Pokaż siatkę przezroczystości, aby wyświetlić tło szachownicy wskazujące przezroczyste obszary. Następnie kliknij Okno, a następnie Ślad obrazu w menu rozwijanym, aby otworzyć okno Ślad obrazu. W opcjach Obrys obrazu kliknij opcję Preset, następnie Black and White Logo, a następnie Mode (Tryb) i Black and White (Czarno-biały).
Następnie w obszarze Właściwości wybierz pozycję Rozwiń, aby go zwektoryzować. Wybierz narzędzie do zaznaczania bezpośredniego i kliknij białą przestrzeń. Usuń go, a następnie kliknij Plik, a następnie Zapisz jako, a następnie wybierz opcję EPS Aby zapisać jako grafikę wektorową.
Aby utworzyć wzory fitoplanktonu, najpierw utwórz nową tablicę artystyczną w nowym obszarze roboczym, klikając narzędzie kwadratowej tablicy artystycznej na pasku narzędzi. Utwórz trzy identyczne tablice graficzne o tym samym rozmiarze, dostosowując rozmiar w obszarze Właściwości. Przeciągnij i upuść pliki EPS z różnymi taksonami fitoplanktonu na tablicę artystyczną.
Użyj narzędzia do zaznaczania bezpośredniego, aby narysować ramkę wokół pojedynczego fitoplanktonu. W obszarze Właściwości wybierz opcję Osadź, a następnie Wypełnij i pokoloruj fitoplankton żądanym kolorem z palety kolorów, który jest reprezentatywny dla dekady. Następnie użyj narzędzia do zaznaczania czarnej strzałki, aby podświetlić konkretny fitoplankton.
Wybierz Edytuj, następnie Kopiuj, a następnie Edytuj i kliknij Wklej. Wklej każdy wektor fitoplanktonu jakościowo w oparciu o względne proporcje każdego taksonu w zestawie danych dla każdej z trzech dekad. Wybierz Obiekt, następnie Wzór i Utwórz, aby utworzyć wzór fitoplanktonu z próbką koloru dla każdej z trzech dekad.
Zacznij od otwarcia figury JPEG lub PNG przedstawiającej chlorofil, dziesięcioletnią biomasę, w przestrzeni roboczej programu Illustrator. Następnie zwektoryzuj każdy z trzech cykli sezonowych chlorofilu, usuwając tło i zapisując obraz jako plik EPS. Następnie utwórz nową tablicę artystyczną w nowej przestrzeni roboczej programu Illustrator, klikając i przeciągając narzędzie kwadratowej tablicy artystycznej na pasku narzędzi.
Dostosuj rozmiar, klikając Właściwości i Przekształć, aby utworzyć trzy identyczne tablice artystyczne o tym samym rozmiarze. Przeciągnij i upuść pliki EPS z chlorofilem na trzy tablice artystyczne. Przejdź do sekcji Właściwości i Osadź, aby dodać ją do nowej tablicy graficznej.
Utwórz nową warstwę, wybierając ikonę notatki samoprzylepnej. Następnie utwórz prostokąt w nowej warstwie za pomocą narzędzia prostokąt z paska narzędzi. Wypełnij prostokąt jasnoniebieskim gradientem za pomocą narzędzia gradientu z paska narzędzi.
Użyj narzędzia Segment linii z paska narzędzi, aby utworzyć ramkę dołączoną do linii trendu. Ustaw linię prosto i wyrównaj, przytrzymując przycisk Shift. Następnie naciśnij Control i zaznacz wszystkie komponenty, w tym linie i linię trendu w warstwie.
Następnie wybierz Obiekt, a następnie Ścieżka i Dołącz. Powtórz tworzenie prostokąta i wypełnij go gradientem koloru od niebieskiego do czerwonego, aby przedstawić ocieplającą się temperaturę wody w trzech panelach dekadowych. Utwórz trzeci prostokąt o równej wielkości i wypełnij go wzorem próbki fitoplanktonu odpowiadającym tej dekadzie.
Umieść zgrupowane segmenty linii w warstwie prostokątów. Następnie zaznacz dwa mniejsze prostokąty i zgrupowane segmenty linii. Wybierz Obiekt, następnie Maska przycinająca, a następnie Utwórz.
Spowoduje to usunięcie górnego wypełnienia kształtu. Powtórz tworzenie prostokąta i wypełnij go gradientem koloru od czerwonego do niebieskiego, aby przedstawić ocieplającą się temperaturę wody w trzech dziesięcioletnich panelach. Aby dodać obrazy mikroskopijnego fitoplanktonu do wzorów fitoplanktonu, wybierz opcję Otwórz i kliknij plik obrazu, aby otworzyć go w programie Illustrator.
Następnie utwórz okrąg za pomocą narzędzia elipsy z paska narzędzi i nałóż go na obraz fitoplanktonu. Przytrzymaj Shift, aby zaznaczyć zarówno kształt, jak i obraz. Następnie w menu kliknij Obiekt, następnie Maska przycinająca, a następnie Utwórz, aby wypełnić kształt obrazem.
Powtórz te czynności dla wybranych obrazów fitoplanktonu i rozprowadź na przestrzeni trzech dekad, aby wyglądały jak szkło powiększające przybliżające ilustracyjny fitoplankton. Teraz użyj narzędzia prostokąt z paska narzędzi, aby utworzyć pole tekstowe na każdej z dziesięcioletnich tablic artystycznych. Użyj narzędzia Tekst, aby kliknąć i wpisać informacje o każdej dekadzie.
Dodaj tekst u góry każdej dekady z nazwą dekady i dodaj nazwy odpowiednich pór roku u dołu każdego z trzech paneli. Zaimportuj zapisany plik programu Illustrator i wybierz, aby zaimportować tylko trzy ukończone dekady. Zaznacz opcję Wszystko i wyeksportuj jako plik PDF.
Wydrukuj panele na matowym papierze o dużej gramaturze lub papierze i zainstaluj za pomocą wiszących elementów. Wizualizacja danych dotyczących fitoplanktonu wykazała spadek biomasy fitoplanktonu od lat 1970. do 1990 do 2000 dziesiątek. Wszystkie dekady wykazywały bimodalny pik stężenia chlorofilu a, przy czym pierwszy pik występował zimą, a drugi latem.
Również gatunki Thalassiosira i Skeletonema wzrosły od 1970 do 1990 roku. Inne taksony, takie jak Eucampia, oscylowały liczebnie, o czym świadczy zwiększona obecność większej liczby obrazów zodiacus Eucampia w latach 2010. w porównaniu z latami 70. i 90.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia protokół konwersji mikroskopowych obrazów fitoplanktonu na grafikę wektorową, co ułatwia wizualizację zmian w taksonach i biomasie fitoplanktonu na przestrzeni 60 lat. Podejście to może zostać zastosowane do innych globalnych serii czasowych i zbiorów danych dotyczących planktonu.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Ekologia planktonu
- Wpływ zmian klimatu
- Analiza obrazu
Wprowadzenie
- Plankton odgrywają kluczową rolę w ekosystemach wodnych i sieciach troficznych.
- Szybkie zmiany klimatu wpływają na zbiorowiska planktonu.
- Długoterminowe zestawy danych są niezbędne do zrozumienia zmian ekologicznych.
- Nowoczesna technologia obrazowania usprawnia kwantyfikację planktonu.
Cel badania
- W celu wizualizacji zmian w społecznościach fitoplanktonu w czasie.
- W celu opracowania protokołu możliwego do zastosowania w różnych zbiorach danych.
- W celu lepszego zrozumienia wpływów ekologicznych wynikających ze zmian klimatu.
Zastosowane metody
- Obrazowanie mikroskopowe fitoplanktonu.
- Konwersja obrazów na grafikę wektorową.
- Wykorzystanie sztucznej inteligencji do klasyfikacji.
- Analiza długoterminowej serii czasowej planktonu.
Główne wyniki
- Skuteczna konwersja obrazów mikroskopowych na grafikę wektorową.
- Identyfikacja istotnych zmian w taksonach fitoplanktonu.
- Wykazanie możliwości zastosowania protokołu w odniesieniu do innych zbiorów danych.
- Wnioski dotyczące ekologicznego wpływu zmian klimatu na plankton.
Wnioski
- Protokół ten usprawnia wizualizację danych dotyczących planktonu.
- Stanowi on ramy dla analizy zmian ekologicznych.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tej metodologii w celu szerszego zastosowania.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla Przemysłu
Długoterminowa wizualizacja zmian w społecznościach fitoplanktonu dostarcza kluczowych informacji na temat czynników środowiskowych wpływających na podstawowe sieci pokarmowe w środowiskach wodnych. Ilościowe procesy analizy obrazu umożliwiają niezawodną detekcję zmian ekologicznych, co zwiększa pewność predykcyjną w ocenie ryzyka środowiskowego i zarządzaniu zasobami. Integracja danych z szeregów czasowych z zaawansowaną wizualizacją poprawia ciągłość translacyjną od surowych danych do praktycznych wniosków dotyczących ekosystemów.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wspiera testowanie hipotez dotyczących wpływu czynników środowiskowych na systemy biologiczne.
- Umożliwia ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez wyjaśnienie czynników sterujących zmianami w strukturze zespołów organizmów.
- Ułatwia funkcjonalną walidację celów ekologicznych dzięki wizualizacji ilościowej.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Przygotowuje zwalidowane zestawy danych obrazowych dla dalszych procesów analitycznych.
- Standaryzuje wyniki wizualizacji w celu zapewnienia powtarzalności oraz możliwości porównywania badań.
- Umożliwia skalowalne rozpoznawanie wzorców i ilościową ocenę obfitości.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Koreluje dane ekologiczne z translacyjnym odkrywaniem biomarkerów dla zdrowia środowiskowego.
- Zapewnia ciągłość przejścia od danych obserwacyjnych do predykcyjnego modelowania ekosystemów.
- Wspiera dostosowane do ryzyka wdrażanie strategii interwencji środowiskowych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół wizualizacji łączy surowe dane ekologiczne z interpretacją analityczną, wspierając procesy badawcze od biologii odkrywczej po badania translacyjne.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia analizę długoterminowych trendów środowiskowych i odpowiedzi biologicznych w oparciu o postawione hipotezy.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalne, ilościowe wyniki wizualne do badań porównawczych.
- Analityka: Zapewnia mierzalne odczyty zmian w obfitości i różnorodności na przestrzeni dziesięcioleci.
- Badania translacyjne: Łączy dane z serii czasowych ze stanem zdrowia ekosystemu oraz potencjalną identyfikacją biomarkerów.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje przenośne ramy wizualizacji dla różnorodnych zbiorów danych o planktonie oraz programów monitoringu środowiska.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w analizie trendów ekosystemowych i walidacji celów.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje wizualizację danych w celu zapewnienia powtarzalności i skalowalności w różnych badaniach.
- Wartość strategiczna: Dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu interwencji środowiskowych oraz alokacji zasobów.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację projektów monitoringu ekologicznego i interwencyjnego z uwzględnieniem ryzyka.
Wskazówki dotyczące implementacji
- Wymaga wiedzy z zakresu analizy obrazu i interpretacji danych ekologicznych.
- Wymaga dostępu do technologii obrazowania i oprogramowania do grafiki wektorowej.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w celu zapewnienia spójności przetwarzania danych.
- Można dostosować do różnych serii czasowych planktonu i wodnych systemów modelowych.
- Zależy od jakości i ciągłości długoterminowych zbiorów danych ekologicznych.
