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 тепловые^волны4. 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 наборов^{данных9}, 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 воды^12,13. 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

1. Преобразование изображений фитопланктона в векторную графику

1. Выберите микроскопические изображения фитопланктона, взятые из долгосрочных временных рядов планктона залива Наррагансетт (NBPTS) в виде файлов .JPG, .PNG или .PDF (рис. 1A).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Таксоны включают Thalassiosira nordenskioeldii, Thalassionema nitzschioides, Tripos spp., Odontella aurita, Skeletonema species complex, Chaetoceros diadema, Eucampia zodiacus, Dinophysis spp. и Pseudo-nitzschia spp. Снимки были сделаны с помощью светового микроскопа.
2. Откройте специальный программный редактор векторной графики или иллюстратор, используемый для этого исследования (см. Таблицу материалов). Векторная графика упоминается в качестве иллюстратора далее в рукописи.
3. Поместите .JPG или .PNG микроскопическое изображение в рабочую среду Illustrator, открыв файл с компьютера или перетащив его в новое рабочее пространство.
4. Перейдите в раздел Просмотр > Показать сетку прозрачности , чтобы отобразить шахматный фон, указывающий на прозрачность.
5. Нажмите на Window > Image Trace в выпадающем меню, чтобы открыть окно Image Trace.
6. Нажмите на инструмент «Выделение» (черная стрелка) на панели инструментов и нажмите на изображение фитопланктона.
7. Нажмите « Объект» > «Развернуть » в выпадающем меню.
8. С помощью инструмента «Прямое выделение» (белая стрелка) на панели инструментов щелкните и выделите фоновые части изображения, от которых нужно избавиться вокруг фитопланктона. Нажмите клавишу delete.
9. Повторите эти действия для каждой фоновой области изображения.
10. Нажмите « Файл» > «Экспорт », чтобы сохранить файл как .PNG файл. Убедитесь, что установлен флажок Прозрачный фон.
11. Поместите микроскопическое изображение с удаленным фоном .PNG новое рабочее пространство в Illustrator, открыв файл с компьютера или перетащив его в новое рабочее пространство.
12. Нажмите на Window > Image Trace в выпадающем меню, чтобы открыть окно Image Trace.
13. В разделе «Параметры трассировки изображения» нажмите « Предустановка > черно-белым логотипом и режимом > черно-белый».
14. Используйте параметры «Порог», а также «Дополнительно» (т. е. «Контуры», «Углы» и «Шум») для уточнения изображения.
15. В разделе «Свойства» выберите «Развернуть », чтобы векторизовать его.
16. Выберите «Просмотр» > «Показать сетку прозрачности».
17. Нажмите на векторное изображение , затем щелкните правой кнопкой мыши и выберите «Разгруппировать».
18. Выберите инструмент «Частичное выделение» (белая стрелка) на панели инструментов. Перетащите и нарисуйте рамку только вокруг пробела. Нажмите клавишу delete , чтобы удалить его.
19. Повторяйте до тех пор, пока не будут удалены все пробелы.
20. Нажмите «Файл» > «Сохранить как» и выберите . EPS для сохранения в виде векторной графики.
21. Повторите то же самое для таксонов фитопланктона из 1.1 (рис. 1Б).

2. Создание паттернов фитопланктона

1. Используйте данные о подсчете фитопланктона из набора данных NBPTS для определения средней численности каждого таксона за 1970-1979 гг. (1970-е гг.), 1990-1999 гг. (1990-е гг.) и 2010-2019 гг. (2010-е гг.).
2. Вычислите среднее ± стандартное отклонение для каждого таксона фитопланктона за каждое десятилетие в статистическом программном обеспечении, щелкнув или введя 'mean() и sd()'.
3. Нажмите на кнопку или введите 'aov() ', чтобы использовать ANOVA для проверки существенных различий между десятилетиями в статистической программе.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Некоторые виды (например, Tripos spp., Chaetoceros diadema) в 1990-х годах не имели достаточно больших размеров выборки. В этом случае нажмите или введите «t.test()» в статистической программе, чтобы сравнить среднюю численность в 1970-х и 2010-х годах.
4. Используйте инструмент «Монтажная область» (квадрат) на панели инструментов, чтобы щелкнуть и создать новую монтажную область в новом рабочем пространстве конкретного иллюстратора, используемого в этом исследовании.
5. Создайте три одинаковые монтажные области одинакового размера. Отрегулируйте размер в разделе «Свойства» > «Преобразовать».
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого проекта монтажные области для изображений фитопланктона были размером 1224 на 545 пикселей.
6. Перетащите файл . EPS-файлы различных таксонов фитопланктона на трех монтажных областях.
7. Раскрасьте фитопланктон разными цветами, символизирующими десятилетие, используя инструмент «Прямое выделение» (белая стрелка), чтобы нарисовать прямоугольник вокруг отдельного фитопланктона.
8. В разделе «Свойства» выберите «Заливка », а затем нажмите на нужный цвет из цветовой палитры. Нажмите enter , чтобы заполнить вектор.
9. Используйте Инструмент «Выделение» (черная стрелка), чтобы выделить определенный фитопланктон, затем выберите «Редактировать» > «Копировать» и «Редактировать > вставить».
10. Вставьте каждый вектор фитопланктона качественно на основе относительных пропорций каждого таксона в наборе данных, как определено в пункте 2.2 для каждого из трех десятилетий (рис. 1C).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Обилие фитопланктона на каждой панели является качественным представлением таблицы 1. Например, если в 2010-х годах наблюдается более высокое содержание Pseudo-nitzschia spp., чем в 1990-х, то скопируйте больше графики Pseudo-nitzschia на монтажную область 2010 года, чем на монтажную область 1990 года.
11. Выберите «Объект > узор» > «Создать», чтобы создать образец цвета фитопланктона для каждой из трех декад.

3. Учет данных о биомассе и температуре фитопланктона

1. Нажмите или введите 'mean()', чтобы рассчитать среднее содержание хлорофилла a (chl a, прокси для биомассы фитопланктона) для каждой недели каждого десятилетия в статистическом программном обеспечении.
2. Нажмите или введите «plot()» в статистической программе, чтобы построить график средней десятилетней биомассы (зависимая переменная) по каждой неделе (независимая переменная) и нажмите « Сохранить график как .JPG или .PNG».
3. Поместите .JPG или .PNG фигурки chl десятилетней биомассы в рабочую среду иллюстратора, открыв файл с компьютера, или перетащите его в новое рабочее пространство.
4. Повторите шаги с 1.3 по 1.8 для векторизации каждого из трех сезонных циклов chl a .
   1. Перейдите в раздел Просмотр > Показать сетку прозрачности , чтобы отобразить фон шахматной доски, указывающий на прозрачность.
   2. Нажмите на Window > Image Trace в выпадающем меню, чтобы открыть окно Image Trace.
   3. Нажмите на инструмент «Выделение» (черная стрелка) на панели инструментов и нажмите на изображение.
   4. Нажмите на Object > Expand в выпадающем меню.
   5. С помощью инструмента «Частичное выделение» (белая стрелка) на панели инструментов щелкните и выделите фоновые части изображения, от которых нужно избавиться вокруг линии, обозначающей сезонный цикл. Нажмите клавишу delete. Повторите то же самое для каждой фоновой области фигуры.
   6. Нажмите « Файл» > «Экспорт », чтобы сохранить файл как .PNG файл. Убедитесь, что установлен флажок Прозрачный фон.
   7. Поместите рисунок с удаленным фоном .PNG новое рабочее пространство конкретного иллюстратора, открыв файл с компьютера или перетащив его в новое рабочее пространство.
   8. Нажмите на Window > Image Trace в выпадающем меню, чтобы открыть окно Image Trace.
   9. В разделе «Свойства» выберите «Развернуть », чтобы векторизовать его.
   10. Выберите «Просмотр» > «Показать сетку прозрачности».
   11. Нажмите на векторное изображение , затем щелкните правой кнопкой мыши и выберите «Разгруппировать».
   12. Выберите инструмент «Частичное выделение» (белая стрелка) на панели инструментов. Перетащите и нарисуйте рамку только вокруг пробела. Нажмите клавишу delete , чтобы удалить его.
   13. Повторяйте до тех пор, пока не будут удалены все пробелы для каждой из строк 1970-х, 1990-х и 2010-х годов.
   14. Нажмите «Файл» > «Сохранить как» и выберите . EPS для сохранения каждой строки в виде отдельной векторной графики.
5. Используйте инструмент «Монтажная область» (квадрат) на панели инструментов, чтобы перетащить и создать новую монтажную область в новом рабочем пространстве Illustrator.
6. Создайте три одинаковые монтажные области одинакового размера. Отрегулируйте размер в разделе «Свойства» > «Преобразовать».
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого проекта размеры были 1224 на 3456 пикселей.
7. Перетащите один из chl a . EPS на одну из трех монтажных областей соответственно.
8. Создайте новый слой, нажав на иконку стикера.
9. Создайте прямоугольник в новом слое с помощью инструмента «Прямоугольник» на панели инструментов.
10. Заполните прямоугольник светло-голубым градиентом с помощью инструмента «Градиент» на панели инструментов.
11. Скопируйте векторизованную линию тренда и добавьте её к слою с прямоугольником.
12. Используйте инструмент «Сегмент линии» на панели инструментов, чтобы создать рамку, прикрепленную к линии тренда. Удерживайте клавишу Shift, чтобы сделать линии прямыми и выровненными.
13. Нажмите клавишу Control и выделите все компоненты, включая линии, прямоугольник и линию тренда в слое.
14. Выберите «Объект > обтравочную маску» > «Создать». Это удалит верхнюю заливку фигуры.
15. Заполните фигуру узором фитопланктона, сохраненным в виде образца цвета из версии 2.11.
16. Повторите этот процесс для каждой из трех декад.
17. Повторите шаги 3.9 и 3.10, чтобы создать прямоугольник, окрашенный в красный и синий цвет, чтобы представить температуру нагревающейся воды на трех десятилетних панелях.
18. Щёлкните правой кнопкой мыши по объекту и переместите его обратно за узоры фитопланктона.

4. Детализация панелей фитопланктона

1. Чтобы добавить изображения сфотографированного фитопланктона к узорам фитопланктона, выберите « Открыть » и нажмите на файл изображения , чтобы открыть его в используемом здесь иллюстраторе.
2. Создайте круг с помощью инструмента «Эллипс» на панели инструментов и наложите его поверх изображения фитопланктона.
3. Удерживайте клавишу Shift, чтобы выбрать фигуру и изображение, затем в меню нажмите на Object > Clipping Mask > Make , чтобы заполнить фигуру изображением.
4. Повторите эти действия для выбранных изображений фитопланктона и распределите по трем декадам, чтобы они выглядели как увеличительное стекло, увеличивающее иллюстративный фитопланктон (рис. 1D).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Шаги с 1.3 по 1.8 можно повторить, чтобы добавить художественные элементы лодок и птиц на панели, чтобы сезонные циклы были похожи на океанские волны.
5. Используйте инструмент «Прямоугольник» на панели инструментов, чтобы создать текстовое поле на каждой из монтажных областей декады.
6. Используйте инструмент «Текст» (Т), чтобы щелкнуть и ввести информационный текст о каждом десятилетии. Добавьте текст в верхней части каждой декады с названием десятилетия и добавьте названия соответствующих времен года в нижней части каждой из трех панелей.
7. Сохраните рабочее пространство в иллюстраторе.

5. Изготовление фресок

1. Импортируйте сохраненный файл Illustrator и выберите импорт только трех завершенных декад. Выберите все и экспортируйте в виде .PDF файла.
2. Откройте файл .PDF узора планктона с помощью широкоформатного плоттера, чтобы масштабировать три десятилетние монтажные области в панели размером 96 на 34 дюйма.
3. Распечатайте панели на плотной бумаге и установите с подвесным оборудованием.

Results

Результаты свидетельствуют о снижении биомассы фитопланктона с 1970-х до 1990-х и 2010-х годов (рис. 1). Во всех десятилетиях наблюдался бимодальный пик концентрации хлорофилла а (chl a), причем первый пик приходился на зиму, а второй — на лето. В 1970-х годах зимой наблюдался более высокий средний показатель chl a , чем летом. И наоборот, в 1990-е годы зимой уровень заболеваемости был ниже, чем летом. В 2010-х годах средняя концентрация chl a зим...

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 оживить их для зрителя. Чтобы сделать эту фреску не только произведением искусства, но и методом визуализации данных, важно включить в проект наблюдаемые данные. В случае с фресками фитопланктона годовые циклы хлорофилла а (chl a...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Adobe Illustrator	Adobe	версии 23.0.6	Бесплатные альтернативы включают: Inkscape, GIMP, Vectr, Vectornator
Eclipse E800	Nikon	ECLIPSE Ni/Ci Вертикальный микроскоп	Теперь за ним Eclipse Ni-U
Epson Wide Format Printer	Epson	SCT5475SR
Плотная матовая бумага	Epson	S041596
RStudio	Rstudio, PBC	версия 2022.07.1	Достаточно любого статистического программного инструмента