Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול להמרת תמונות מיקרוסקופיות של פיטופלנקטון לגרפיקה וקטורית ודפוסים חוזרים כדי לאפשר הדמיה של שינויים בטקסי פיטופלנקטון ובביומסה במשך 60 שנה. פרוטוקול זה מייצג גישה שניתן להשתמש בה עבור סדרות זמן פלנקטון אחרות ומערכי נתונים ברחבי העולם.
Abstract
סדרות זמן אוקיינוגרפיות מספקות נקודת מבט חשובה על תהליכים סביבתיים במערכות אקולוגיות. סדרת זמן הפלנקטון לטווח ארוך של מפרץ נרגנסט (NBPTS) במפרץ נרגנסט, רוד איילנד, ארה"ב, מייצגת את אחת מסדרות הזמן הפלנקטון הארוכות ביותר מסוגה בעולם (1959-היום) ומציגה הזדמנות ייחודית לדמיין שינוי ארוך טווח במערכת אקולוגית מימית. פיטופלנקטון מייצגים את בסיס מארג המזון ברוב המערכות הימיות, כולל מפרץ נראגנסט. לכן, העברת חשיבותם ל-2.4 מיליארד בני האדם החיים באוקיינוס החופי היא קריטית. פיתחנו פרוטוקול במטרה להמחיש את המגוון והגודל של פיטופלנקטון על ידי שימוש ב-Adobe Illustrator כדי להמיר תמונות מיקרוסקופיות של פיטופלנקטון שנאספו מה-NBPTS לגרפיקה וקטורית שניתן להתאים לדפוסים חזותיים שחוזרים על עצמם לאורך זמן. טקסים שופעים מספרית או כאלה שהיוו איומים כלכליים ובריאותיים, כגון טקסי פריחת האצות המזיקה, Pseudo-nitzschia spp., נבחרו להמרת תמונות. לאחר מכן נוצרו דפוסים של תמונות פיטופלנקטון שונות בהתבסס על השפע היחסי שלהן במשך עשורים נבחרים של נתונים שנאספו (שנות ה-70, ה-90 וה-2010). דפוסים דקדליים של ביומסה של פיטופלנקטון השפיעו על קווי המתאר של כל עשור, בעוד ששיפוע צבע רקע מכחול לאדום שימש כדי לחשוף עליית טמפרטורה ארוכת טווח שנצפתה במפרץ נרגנסט. לבסוף, הודפסו לוחות גדולים בגודל 96 אינץ' על 34 אינץ' עם תבניות פיטופלנקטון חוזרות ונשנות כדי להמחיש שינויים אפשריים בשפע הפיטופלנקטון לאורך זמן. פרויקט זה מאפשר הדמיה של שינויים מילוליים בביומסה של פיטופלנקטון, שהם בדרך כלל בלתי נראים לעין בלתי, תוך מינוף נתוני סדרות בזמן אמת (למשל, ביומסה של פיטופלנקטון ושפע) בתוך יצירת האמנות עצמה. הוא מייצג גישה שניתן להשתמש בה עבור סדרות זמן פלנקטון רבות אחרות עבור הדמיית נתונים, תקשורת, חינוך ומאמצי יישוג.
Introduction
פיטופלנקטון הם יצרנים ראשוניים המייצגים את בסיס מארג המזון במערכות אקולוגיות ימיות 1,2. בעוד שתוכניות ניטור פיטופלנקטון הן המפתח לזיהוי שינויים נוכחיים ועתידיים במערכות אקולוגיות ימיות, התמיכה בהן פוחתת עם הזמן 3. בשל זמני הייצור הקצרים יחסית שלהם והניידות המוגבלת שלהם, פיטופלנקטון מגיבים במיוחד לשינויי אקלים, מה שהופך אותם לכלי חשוב בניטור סדרות זמן. סדרות הזמן של פיטופלנקטון חשובות גם לניהול מבוסס מערכות אקולוגיות של זמינות משאבים ומתן הקשר לאירועים אפיזודיים, כגון גלי חום ימיים4. סדרות זמן קצרות טווח, בעניין של שנים, מספקות תובנות לגבי רצף קהילתי של פיטופלנקטון ודינמיקה עונתית (למשל, ref.5,6), בעוד שסדרות זמן ארוכות טווח, כגון סדרות הזמן האטלנטי של ברמודה (BATS) וסדרות הוואי אושן טיימס (HOTS), משתרעות על פני יותר משני עשורים ומאפשרות לזהות מגמות ארוכות טווח 7,8. מחקרים כאלה ממחישים את התועלת והחשיבות של תיעוד פיטופלנקטון פתור, להבנה מלאה של שינויים ארוכי טווח במערכות אקולוגיות בסביבות ימיות דינמיות. יתר על כן, הדמיה ותקשורת של השינויים האלה בפיטופלנקטון, שלא ניתן לראותם בעין בלתי, קשים יותר להבנה מאשר עבור אורגניזמים גדולים ונראים בקלות, כמו דגים ולווייתנים. הדמיות ממוחשבות מציעות טכניקה לחקור מערכי נתונים מורכבים9 וגרפיקה משופרת להמחשה הופכת לזמינה (למשל, רשת אינטגרציה ויישומים, המרכז למדעי הסביבה באוניברסיטת מרילנד). עם זאת, רוב המחקרים באקולוגיה של פיטופלנקטון, כולל רבים המוזכרים כאן, עדיין מציגים תוצאות רק כגרפים של נתונים המפחיתים את נגישותם לקהל הרחב. בהתחשב בכך שפיטופלנקטון מייצגים את הבסיס של מארג המזון ברוב המערכות הימיות, העברת חשיבותם לכמעט 2.4 מיליארד בני אדם החיים באוקיינוס החופי היא קריטית10. כאן, פיתחנו פרוטוקול במטרה להמחיש את המגוון והגודל של פיטופלנקטון, כפי שנאסף על ידי תוכנית ניטור פיטופלנקטון.
סדרת זמן הפלנקטון של מפרץ נרגנסט (NBPTS) מספקת פרספקטיבה ארוכת טווח של 60+ שנה (1959-הווה) על ההשפעות של שינוי גלובלי בהקשר אקלימי על שפע פיטופלנקטון, עונתיות ופנולוגיה (תולדות חיים). מפרץ נרגנסט (באנגלית: Narragansett Bay) הוא שפך חוף המחובר למערכות הרחבות יותר של המדף הצפון-מזרחי של ארצות הברית וצפון-מערב האוקיינוס האטלנטי, אשר לייצורו השלכות חשובות על דיג ושימוש אנושי לאורך חופי ארצות הברית.11. NBay נחשבת למערכת עונתית מאוד החווה התחממות מים ארוכת טווח (1950-2015) באזור, כמו גם שינויים בחומרים מזינים ועלייה בצלילות המים12,13. בנוסף, חלה ירידה בביומסה של פיטופלנקטון ב-NBay העליון הקשורה לירידה אנתרופוגנית בחנקן אנאורגני מומס, המיוחסת בחלקה לשדרוגים במתקני טיהור שפכים12. שינויים בטקסי פיטופלנקטון, במיוחד פריחות אצות מזיקות (HABs), מתרחשים גם ב-NBay. Pseudo-nitzschia spp., המייצרת פריחות רעילות נרחבות באזורים מתפתחים לאורך החוף המערבי של ארה"ב, הובילה לסגירת רכיכות בולטות לראשונה בהיסטוריה של NBay בשנים 2016 ו-2017 14,15,16. העברת שינויים אלה לקהלים מגוונים חשובה להגברת האוריינות המדעית ולקידום תמיכה מתמשכת במחקרי ניטור פיטופלנקטון.
מטרת הפרויקט הייתה להשתמש בתמונות מיקרוסקופיות של פיטופלנקטון מ-NBay, כמו גם בנתונים שסונתזו מ-NBPTS, כדי להמחיש את השינויים המילוליים בטקסי פיטופלנקטון ובביומסה המתרחשים ב-NBay כדי לתקשר ולהגביר את חשיבות הפיטופלנקטון לקהל הרחב. NBPTS מספק 60+ שנים של ספירות פיטופלנקטון שבועיות זמינות לציבור וביומסה כדי למנף נתונים מ (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/). התוצר הסופי היה ציור קיר גדול של תבניות פלנקטון המייצגות את נתוני סדרות הזמן (למשל, ביומסה של פיטופלנקטון וטקסה, טמפרטורה) בתוך יצירת האמנות עצמה. גישה זו מייצגת שיטת ויזואליזציה שניתן להשתמש בה עבור סדרות זמן פלנקטון רבות אחרות ברחבי העולם וניתן להתאים אותה לתוכניות ניטור עם נתונים עונתיים קצרי טווח גם כן. היתרונות של יישום פרוטוקול זה כוללים הגדלת המאמצים בהדמיית נתונים, תקשורת מדעית, חינוך ומעורבות עם קהילות מקומיות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. המרת תמונות פיטופלנקטון לגרפיקה וקטורית
- בחרו תמונות מיקרוסקופיות של פיטופלנקטון שנלקחו מסדרת זמן הפלנקטון לטווח ארוך של מפרץ נראגנסט (NBPTS) כקבצים .JPG, .PNG או .PDF (איור 1A).
הערה: טקסים כוללים Thalassiosira nordenskioeldii, Thalassionema nitzschioides, Tripos spp., Odontella aurita, קומפלקס מיני שלד, Chaetoceros diadema, Eucampia zodiacus, Dinophysis spp. ו - Pseudo-nitzschia spp. התמונות צולמו במיקרוסקופ אור. - פתח עורך גרפי וקטורי ספציפי או את המאייר המשמש למחקר זה (ראה טבלת חומרים). תוכנת גרפיקה וקטורית הוזכרה כמאיירת בהמשך כתב היד.
- מקם תמונה .JPG או .PNG מיקרוסקופית בסביבת העבודה של Illustrator באמצעות פתיחת קובץ מהמחשב או גרירה ושחרור שלו בסביבת עבודה חדשה.
- עבור אל תצוגה > הצג רשת שקיפות כדי לחשוף את רקע לוח המשבצות המציין שקיפות.
- לחץ על Window > Image Trace בתפריט הנפתח כדי לפתוח את החלון Image Trace.
- לחץ על הכלי בחירה (חץ שחור) בסרגל הכלים ולחץ על תמונת הפיטופלנקטון.
- לחץ על אובייקט > הרחב בתפריט הנפתח.
- השתמשו בכלי בחירה ישירה (חץ לבן) בסרגל הכלים כדי ללחוץ ולבחור בחלקי הרקע של התמונה כדי להיפטר מהם מסביב לפיטופלנקטון. הקש delete.
- חזרו על הפעולה לכל אחד מאזורי הרקע בתמונה.
- לחץ על File > Export כדי לשמור את הקובץ כקובץ .PNG. ודא שהתיבה שקוף רקע נבחרה.
- מקם .PNG תמונה מיקרוסקופית עם רקע שהוסר למרחב עבודה חדש ב- Illustrator על-ידי פתיחת הקובץ מהמחשב או גרור ושחרר אותו לסביבת עבודה חדשה.
- לחץ על Window > Image Trace בתפריט הנפתח כדי לפתוח את החלון Image Trace.
- תחת האפשרויות 'מעקב אחר תמונות', לחצו על 'קביעה מוגדרת מראש > סמל ומצב בשחור-לבן ' >'-לבן'.
- השתמשו ב'סף' וכן באפשרויות 'מתקדם' (כלומר, נתיבים, פינות ורעש) כדי למקד את התמונה.
- תחת מאפיינים, בחר הרחב כדי להפוך אותו לווקטורי.
- בחר View > Show Transparency Grid.
- לחץ על התמונה הווקטורית ולאחר מכן לחץ לחיצה ימנית ובחר פרק קבוצה.
- בחרו בכלי בחירה ישירה (חץ לבן) בסרגל הכלים. גרור וצייר תיבה מסביב לרווח הלבן בלבד. הקש Delete כדי להסיר אותו.
- חזור על הפעולה עד להסרת כל הרווח הלבן.
- לחץ על קובץ > שמירה בשם ובחר . EPS לשמירה כגרפיקה וקטורית.
- חזרו על הפעולה עבור טקסי פיטופלנקטון מ-1.1 (איור 1B).
2. יצירת תבניות פיטופלנקטון
- השתמש בנתוני ספירת פיטופלנקטון ממערך הנתונים NBPTS כדי לקבוע את השפע הממוצע של כל טקסון בין השנים 1970-1979 (שנות ה-70), 1990-1999 (שנות ה-90) ו-2010-2019 (שנות ה-2010).
- חשב ממוצע ± סטיית תקן עבור כל טקסה פיטופלנקטון עבור כל עשור בתוכנה סטטיסטית על ידי לחיצה או הקלדה 'mean() ו- sd()'.
- לחץ או הקלד 'aov() ' כדי להשתמש ב- ANOVA כדי לבדוק הבדלים משמעותיים בין עשרות שנים בתוכנה סטטיסטית.
הערה: לחלק מהמינים (למשל, Tripos spp., Chaetoceros diadema) אין מדגם גדול מספיק בשנות התשעים. במקרה זה, לחץ או הקלד 't.test()' בתוכנה סטטיסטית כדי להשוות את השפע הממוצע בשנות השבעים לשנות ה -2010. - השתמשו בכלי 'משטח יצירה' (ריבוע) בסרגל הכלים כדי ללחוץ וליצור משטח יצירה חדש בסביבת עבודה חדשה של המאייר הספציפי ששימש במחקר זה.
- צרו שלושה משטחי יצירה זהים באותו גודל. התאם את הגודל בתוך מאפיינים > שינוי צורה.
הערה: עבור פרויקט זה, משטחי יצירה עבור תמונות פיטופלנקטון היו בגודל 1224 פיקסלים על 545 פיקסלים. - גרור ושחרר את הסמל . קובצי EPS של טקסי הפיטופלנקטון השונים על שלושת משטחי היצירה.
- צבעו את הפיטופלנקטון בצבעים שונים המייצגים את העשור על ידי שימוש בכלי בחירה ישירה (חץ לבן) כדי לצייר תיבה סביב פיטופלנקטון בודד.
- תחת מאפיינים, בחר מילוי ולאחר מכן לחץ על הצבע הרצוי מלוח הצבעים. הקש Enter כדי למלא את הווקטור.
- השתמשו בכלי הבחירה (חץ שחור) לסימון פיטופלנקטון מסוים ולאחר מכן בחרו 'עריכה' >'העתקה ועריכה > הדבק'.
- הדביקו כל וקטור פיטופלנקטון באופן איכותי בהתבסס על הפרופורציות היחסיות של כל טקסה במערך הנתונים, כפי שנקבע ב-2.2 עבור כל אחד משלושת העשורים (איור 1C).
הערה: שפע הפיטופלנקטון בכל פאנל הוא ייצוג איכותי של טבלה 1. לדוגמה, אם נצפה שפע גבוה יותר של Pseudo-nitzschia spp. בשנות ה-2010 מאשר בשנות ה-90, העתיקו יותר גרפיקה פסאודו-ניצשיה למשטח היצירה של 2010 מאשר למשטח היצירה של 1990. - בחרו 'עצם' > 'דוגמת מילוי' > 'צור' ליצירת דוגמית צבע של דוגמת מילוי פיטופלנקטון לכל אחד משלושת העשורים.
3. שילוב ביומסה של פיטופלנקטון ונתוני טמפרטורה
- לחץ או הקלד 'mean()' כדי לחשב את ממוצע הכלורופיל a (chl a, פרוקסי לביומסה של פיטופלנקטון) עבור כל שבוע בכל עשור בתוכנה סטטיסטית.
- לחץ או הקלד 'plot()' בתוכנה סטטיסטית כדי לגרף את הביומסה הדקדלית הממוצעת (משתנה תלוי) בכל שבוע (משתנה בלתי תלוי) ולחץ על שמור את הגרף כ.JPG או .PNG.
- מקם .JPG או .PNG של ה- chl דמות ביומסה דקדלית בסביבת העבודה של illustrator על-ידי פתיחת הקובץ מהמחשב או גרור ושחרר אותו לסביבת עבודה חדשה.
- חזור על שלבים 1.3 עד 1.8 כדי לבצע וקטוריזציה של כל אחד משלושת המחזורים העונתיים של chl a .
- עבור אל הצג > הצג רשת שקיפות כדי לחשוף את רקע לוח המשבצות המציין שקיפות.
- לחץ על Window > Image Trace בתפריט הנפתח כדי לפתוח את החלון Image Trace.
- לחץ על הכלי בחירה (חץ שחור) בסרגל הכלים ולחץ על התמונה.
- לחץ על אובייקט > הרחב בתפריט הנפתח.
- השתמשו בכלי בחירה ישירה (חץ לבן) בסרגל הכלים כדי ללחוץ ולבחור בחלקי הרקע של התמונה כדי להיפטר מהם מסביב לקו המציין את המחזור העונתי. הקש delete. חזור על הפעולה עבור כל אזור רקע באיור.
- לחץ על File > Export כדי לשמור את הקובץ כקובץ .PNG. ודא שהתיבה שקוף רקע נבחרה.
- מקם דמות .PNG עם רקע שהוסר לסביבת עבודה חדשה של המאייר הספציפי שנעשה בו שימוש על-ידי פתיחת הקובץ מהמחשב או גרירה ושחרור שלו לסביבת עבודה חדשה.
- לחץ על חלון > מעקב אחר תמונות בתפריט הנפתח כדי לפתוח את חלון מעקב אחר תמונות.
- תחת מאפיינים, בחר הרחב כדי להפוך אותו לווקטורי.
- בחר View > Show Transparency Grid.
- לחץ על התמונה הווקטורית ולאחר מכן לחץ לחיצה ימנית ובחר פרק קבוצה.
- בחרו בכלי בחירה ישירה (חץ לבן) בסרגל הכלים. גרור וצייר תיבה מסביב לרווח הלבן בלבד. הקש Delete כדי להסיר אותו.
- חזור על הפעולה עד שכל הרווח הלבן יוסר עבור כל אחת מהשורות משנות השבעים, התשעים וה-2010.
- לחץ על קובץ > שמירה בשם ובחר . EPS כדי לשמור כל שורה כגרפיקה וקטורית נפרדת.
- השתמשו בכלי 'משטח יצירה' (ריבוע) בסרגל הכלים כדי ללחוץ על גרירה וליצור משטח יצירה חדש בסביבת עבודה חדשה של Illustrator.
- צרו שלושה משטחי יצירה זהים באותו גודל. התאם את הגודל בתוך מאפיינים > שינוי צורה.
הערה: עבור פרויקט זה, הממדים היו 1224 פיקסלים על 3456 פיקסלים. - גרור ושחרר אחד מה- chl a . קובצי EPS באחד משלושת משטחי היצירה, בהתאמה.
- צרו שכבה חדשה על ידי לחיצה על 'סמל הפתק הנדבק'.
- צרו מלבן בתוך השכבה החדשה בעזרת הכלי מלבן מסרגל הכלים.
- מלאו את המלבן במעבר צבע כחול בהיר בעזרת הכלי מעבר צבע מסרגל הכלים.
- העתק את קו המגמה הווקטורי והוסף אותו לשכבה עם המלבן בתוכו.
- השתמש בכלי 'מקטע קו' מסרגל הכלים כדי ליצור תיבה המחוברת לקו המגמה. החזק את מקש Shift לחוץ כדי להפוך את הקווים לישרים ומיושרים.
- הקש על מקש הבקרה ובחר את כל הרכיבים, כולל הקווים, המלבן וקו המגמה בתוך השכבה.
- בחרו 'עצם' > 'נתיב מסיכה' > 'צור'. פעולה זו תסיר את המילוי העליון של הצורה.
- מלא את הצורה בתבנית פיטופלנקטון שנשמרה כדוגמית צבע מ- 2.11.
- חזור על תהליך זה עבור כל אחד משלושת העשורים.
- חזור על שלבים 3.9 ו- 3.10 כדי ליצור מלבן בצבע עם שיפוע צבע אדום לכחול כדי לייצג את טמפרטורת המים המתחממת על פני שלושת לוחות הדקדל.
- לחץ לחיצה ימנית על האובייקט והזז אותו בחזרה מאחורי תבניות הפיטופלנקטון.
4. הוספת פרטים ללוחות פיטופלנקטון
- להוספת תמונות של פיטופלנקטון מצולם לתבניות הפיטופלנקטון, בחרו 'פתח ' ולחצו על קובץ התמונה כדי לפתוח אותו במאייר המשמש כאן.
- צרו עיגול בעזרת הכלי אליפסה מסרגל הכלים וכיסו אותו על גבי תמונת הפיטופלנקטון.
- החזק את מקש Shift כדי לבחור הן את הצורה והן את התמונה, ולאחר מכן בתפריט לחץ על אובייקט > נתיב מסיכה > לעשות כדי למלא את הצורה עם התמונה.
- חזור על תמונות פיטופלנקטון נבחרות ופזר על פני שלושת העשורים כדי להיראות כמו זכוכית מגדלת שמתקרבת לפיטופלנקטון הממחיש (איור 1D).
הערה: ניתן לחזור על שלבים 1.3 עד 1.8 כדי להוסיף אלמנטים אמנותיים של סירות וציפורים לפאנלים כדי לגרום ל- CHL מחזורים עונתיים להיראות כמו גלי אוקיינוס. - השתמשו בכלי 'מלבן' מסרגל הכלים כדי ליצור תיבת מלל בכל אחד ממשטחי היצירה של העשור.
- השתמש בכלי 'סוג' (T) כדי ללחוץ ולהקליד טקסט אינפורמטיבי על כל עשור. הוסף טקסט בראש כל עשור עם שם העשור והוסף את שמות העונות המתאימות בתחתית כל אחד משלושת הלוחות.
- שמור את מרחב העבודה ב- Illustrator.
5. הפקת ציורי קיר
- ייבא את קובץ illustrator שנשמר ובחר לייבא רק את שלושת העשורים שהושלמו. בחר הכל וייצא כקובץ .PDF.
- פתחו את דוגמת הפלנקטון .PDF הקובץ בעזרת פלוטר בפורמט גדול כדי לשנות את קנה המידה של שלושת משטחי היצירה הדקדליים לחלוניות בגודל 96 אינץ' על 34 אינץ'.
- הדפס לוחות על נייר חומר כבד והתקן עם חומרה תלויה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
התוצאות מתעדות ירידה בביומסה של פיטופלנקטון משנות ה-70 עד שנות ה-90 עד שנות ה-2010 (איור 1). כל העשורים הציגו שיא בימודאלי בריכוז כלורופיל A (chl a), כאשר השיא הראשון התרחש בחורף והשני התרחש בקיץ. שנות השבעים הציגו ממוצע גבוה יותר של chl a בחורף מאשר בקיץ. לעומת זאת, שנות ה-90 הראו chl a נמוך יותר בחורף מאשר בקיץ. שנות ה-2010 חזרו לריכוז ממוצע גבוה יותר בחורף מאשר בקיץ. תוצאות אלה משתקפות בתוצר הסופי באמצעות פסגות chl a שונות בחלוניות, כמו גם באמצעות תיבות הטקסט שנוספו כדי להדגיש רכיבים שונים של chl a dataset (איור 2).
ניתוח של טקסי פיטופלנקטון רלוונטיים מבחינה אקולוגית ממפרץ נרגנסט גילה מגוון רחב של שפע לאורך זמן. שונות זו הסתירה לעתים קרובות הבדלים מובהקים סטטיסטית בטקסה בין שלושת העשורים, אם כי טקסי HAB, Dinophysis spp. ו - Tripos spp. (שנקראו בעבר Ceratium) ירדו (טבלה 1). לעומת זאת, Thalassiosira nordenskioeldii ו - Skeletonema spp. גדלו (טבלה 1). טקסות אחרות התנודדו בשפע, כגון Eucampia zodiacus (טבלה 1). התוצאות האלה הודגמו במוצר הסופי על-ידי נוכחות מוגברת של יותר תמונות של E. zodiacus בשנות ה-2010 בהשוואה לשנות ה-70 וה-90 של המאה ה-20, כמו גם תמונה מיקרוסקופית של E. zodiacus כדי להביא את המין האמיתי ל"חיים אמיתיים" עבור הקהל (איור 2 ו-3).
| שם טקסה | סוג | 1970-79 ממוצע ± SD (תאים L-1) | 1990-99 ממוצע ± SD (תאים L-1) | 2010-19 ממוצע ± SD (תאים L-1) | ערך p |
| Pseudo-nitzschia spp. | דיאטום | 3701 ± 18235 | 5123 ± 24396 | 12919 ± 58632 | > 0.05 |
| תלאסיונמה ניצקיואידים | דיאטום | 81797 ± 245710 | 22909 ± 59246 | 62656 ± 292940 | > 0.05 |
| Tripos spp. | דינופלגלאט | 1933 ± 703 | 500 ± 706 | 841 ± 353 | < 0.001 |
| Eucampia גלגל המזלות | דיאטום | 27266 ± 27675 | 7500 ± 2121 | 90764 ± 181415 | > 0.05 |
| Thalassiosira nordenskioeldii | דיאטום | 76800 ± 150545 | 27000 ± 28284 | 362411 ± 376064 | 0.008 |
| אודונטלה אוריטה | דיאטום | 5571 ± 8541 | 5000 ± 2645 | 17750 ± 23485 | > 0.05 |
| Chaetoceros diadema | דיאטום | 103027 ± 239802 | 18000 ± 0 | 40402 ± 46128 | > 0.05 |
| שלד spp. | דיאטום | 2457847 ± 7814228 | 1884674 ± 4888589 | 1349184 ± 3732765 | 0.003 |
| Dinophysis spp. | דינופלגלאט | 5166 ± 8983 | 1978 ± 1840 | 2331 ± 2504 | < 0.001 |
טבלה 1: ספירת פיטופלנקטון. ממוצע (תאים L-1) וסטיית תקן של ריכוזי פיטופלנקטון עבור כל טקסה עבור כל עשור. סוג מציין אם הפיטופלנקטון מסווג כדיאטום או דינופלגלאט. ANOVA או t-test בוצע כדי לבדוק הבדלים מובהקים סטטיסטית בשפע הממוצע בין שלושת העשורים (ANOVA) או שניים (t-test) כאשר גודל מדגם נמוך היה נוכח בשנות התשעים (כלומר, Tripos spp., Eucampia zodiacus, Thalassiosira nordenskioeldii, Odontella aurita, ו Chaetoceros diadema). ערכי p משמעותיים נקבעים ב- α = 0.05 ומצוינים בגופן מודגש.
איור 1: סכמטיות של מתודולוגיה. א) המרת תמונה מיקרוסקופית לגרפיקה להמחשה וקטורית, ב) יצירת תבנית חוזרת לכל עשור (שנות השבעים, שנות התשעים, שנות ה-2010), ג) שימוש בנתוני כלורופיל דקדלי כדי ליצור צורות של תבניות. מלא את הרקע בערכת צבעים של כחול עד אדום כדי לייצג את עליית טמפרטורת המים, וכן D) סיים את המוצר על-ידי הוספת טקסט כדי ליצור תכונות ברורות בתבניות ובתמונות מיקרוסקופיות של פיטופלנקטון המשמשות ליצירת גרפיקה להמחשה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תצוגה חזותית שהושלמה. הדמיה סופית של פיטופלנקטון שנעשתה במאייר. הטקסים כוללים Thalassiosira nordenskioeldii, Thalassionema nitzschioides, Tripos spp., Odontella aurita, Skeletonema species complex, Chaetoceros diadema, Eucampia zodiacus, Dinophysis spp. ו-Pseudo-nitzschia spp. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: יצירת אמנות שהושלמה. הדמיה סופית של פיטופלנקטון שנעשתה במאייר לצד גרסה מודפסת עבור א) שנות השבעים, ב) שנות התשעים ו-ג) שנות ה-2010. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
שלבים קריטיים של הפרוטוקול כוללים השגת תמונות מיקרוסקופיות של פיטופלנקטון והמרתן לגרפיקה וקטורית. הפיכת התמונות של phytoplankton, אשר אינם מורגשים לעין בלתי, גדול מספיק כדי להיראות ללא זכוכית מגדלת על ציור הקיר, עוזר להביא אותם לחיים עבור הצופה. כדי להשיג ציור קיר זה לא רק כיצירת אמנות אלא גם כשיטת הדמיית נתונים, חשוב לשלב נתונים שנצפו בפרויקט. במקרה של ציור הקיר של פיטופלנקטון, המחזורים השנתיים של כלורופיל a (chl a) שהיו ממוצעים לפי עשור מייצגים את הנתונים בפועל ומראים כיצד chl a ירד בעשור בלוחות השונים. עבור שפע פיטופלנקטון, הריכוזים הממוצעים של טקסים מסוימים השתנו בין העשורים, ולכן, שפע גבוה יותר של טקסה שנצפתה בעשור מסוים יגרום ליותר גרפיקה של טקסה זו להיות מועתקת ללוח הדקדאלי בהשוואה לפאנל אחר עם שפע ממוצע נמוך יותר. שימוש בנתונים נצפים כדי ליידע את האלמנטים האמנותיים, כגון שיפוע של צבע מכחול לאדום כדי לייצג את עליית הטמפרטורה, מסייע גם בהדמיה של נתונים מדעיים אלה.
שינויים בשיטה יכולים לכלול קבלת תמונות מיקרוסקופיות של פיטופלנקטון ממאגרי תמונות בגישה פתוחה, כמו גם שימוש במערכות הדמיה אחרות של פיטופלנקטון לתמונות מצולמות מלבד מיקרוסקופ (למשל, Imaging Flow-Cytobot). יתר על כן, תמונות מיקרוסקופיות ונתונים מדעיים יכולים לכלול ספירות ותמונות פיטופלנקטון יומיות, במקום עשרות שנים, עבור סדרות נתונים קצרות יותר, כמו גם תמונות זואופלנקטון כדי לחשוף אינטראקציות ברשת מזון. לבסוף, ניתן לכלול את הטמפרטורות הממוצעות שתועדו בכל עשור על הלוחות כדי לכמת את השינויים בטמפרטורה, או קו מגמה המשורטט בסמוך לתחתית הלוחות, בנוסף לשינויים הממחישים המוצגים דרך רקע השיפוע. המגבלות כוללות פתרון בעיות בנתונים מדעיים אלה כדי להתאים את קנה המידה לגבולות יצירת האמנות הפיזית, כמו גם השגת מכשור להדפסה על לוחות גדולים. חשוב גם לוודא שצבע הרקע שקוף מספיק כדי לחשוף את השינויים בשפע הפיטופלנקטון באופן ברור לאורך זמן, דבר שיכול להיות קשה להבחין בו עד להדפסה. לבסוף, Adobe Illustrator היא תוכנה קניינית, אשר עשויה להגביל את הנגישות עבור משתמשים מסוימים, אך תוכנות איור חופשיות זמינות (למשל, Inkscape, GIMP, Vectr, Vectornator). התאמת הפרוטוקול להפקת ציורי הקיר של פיטופלנקטון בתוכניות חופשיות אלה מייצגת עבודה עתידית שימושית להגברת הנגישות.
בהתחשב בכך שפיטופלנקטון מייצגים את הבסיס של מארג המזון כמעט בכל המערכות הימיות, הסברת חשיבותם היא קריטית; עם זאת, רוב המחקרים באקולוגיה של פיטופלנקטון מציגים תוצאות רק כגרפים של נתונים המפחיתים את נגישותם לקהלים כלליים. הפרוטוקול המוצג כאן של פיתוח ציור הקיר של פיטופלנקטון מראה את ההשפעה של הדמיה של נתונים מדעיים דרך עדשה אמנותית17. באמצעות ניתוח של ציור קיר זה, הצופה יכול לראות כי ביומסה phytoplankton ירד במפרץ Narragansett (NBay) מאז 1970. ירידה זו מתרחשת על פני תקופה שבה היו עליות ארוכות טווח בטמפרטורת מי הים ב- NBay13. שינויים דומים בקהילות פלנקטון (כלומר, זואופלנקטון) עם התחממות טמפרטורת מי הים נצפו גם בשפך מפרץ סן פרנסיסקו, אשר, כמו NBay, תומך באוכלוסייה אנושית גדולה18,19. גישה זו מייצגת שיטת ויזואליזציה שניתן להשתמש בה עבור סדרות זמן פלנקטון רבות אחרות, כמו שפך מפרץ סן פרנסיסקו, ברחבי העולם.
במבט רחוק, הצורה והצבע של הלוחות משתנים עם הזמן. כשמסתכלים על הלוחות מקרוב, הדפוסים של פיטופלנקטון משקפים שינויים בשפע ובביומסה של טקסים שונים. כאן מתנגשים עולמות האמנות והמדע בכך שהדפוסים המדעיים הם הדפוסים המילוליים המוצגים על ציור הקיר. ניכר כי יש ב-NBay הרבה יותר ממה שמופיע על פני המים על ידי הדמיה של נתוני פיטופלנקטון באמצעות אמנות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין ניגודי עניינים להצהיר.
Acknowledgments
מחקר זה נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע (OIA-1655221, OCE-1655686) ורוד איילנד סי גרנט (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). אנו מודים לקברניטים הרבים על הסיוע בשטח ולסטודנטים ולחוקרים הרבים שאספו נתונים מאז 1970. אנו מודים לסטיוארט קופלנד וג'ורג'יה רודס על פיתוח פרויקט Vis-A-Thon שהפיק את ציור הקיר פלנקטון, כמו גם לרפאל אטיאס מבית הספר לעיצוב רוד איילנד על הליווי האמנותי שלו במהלך פיתוח הפרויקט.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- United Nations. Factsheet: People and Oceans (2017). , The Ocean Conference. New York. https://www.un.org/sustainabledevelopment/wp-content/uploads/2017/05/Ocean-fact-sheet-package.pdf (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).
