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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Преобразование изображений фитопланктона в векторную графику
- 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. - Откройте специальный программный редактор векторной графики или иллюстратор, используемый для этого исследования (см. Таблицу материалов). Векторная графика упоминается в качестве иллюстратора далее в рукописи.
- Поместите .JPG или .PNG микроскопическое изображение в рабочую среду Illustrator, открыв файл с компьютера или перетащив его в новое рабочее пространство.
- Перейдите в раздел Просмотр > Показать сетку прозрачности , чтобы отобразить шахматный фон, указывающий на прозрачность.
- Нажмите на Window > Image Trace в выпадающем меню, чтобы открыть окно Image Trace.
- Нажмите на инструмент «Выделение» (черная стрелка) на панели инструментов и нажмите на изображение фитопланктона.
- Нажмите « Объект» > «Развернуть » в выпадающем меню.
- 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.
- Повторите эти действия для каждой фоновой области изображения.
- Нажмите « Файл» > «Экспорт », чтобы сохранить файл как .PNG файл. Убедитесь, что установлен флажок Прозрачный фон.
- Поместите микроскопическое изображение с удаленным фоном .PNG новое рабочее пространство в Illustrator, открыв файл с компьютера или перетащив его в новое рабочее пространство.
- Нажмите на Window > Image Trace в выпадающем меню, чтобы открыть окно Image Trace.
- В разделе «Параметры трассировки изображения» нажмите « Предустановка > черно-белым логотипом и режимом > черно-белый».
- Используйте параметры «Порог», а также «Дополнительно» (т. е. «Контуры», «Углы» и «Шум») для уточнения изображения.
- В разделе «Свойства» выберите «Развернуть », чтобы векторизовать его.
- Выберите «Просмотр» > «Показать сетку прозрачности».
- Нажмите на векторное изображение , затем щелкните правой кнопкой мыши и выберите «Разгруппировать».
- Выберите инструмент «Частичное выделение» (белая стрелка) на панели инструментов. Перетащите и нарисуйте рамку только вокруг пробела. Нажмите клавишу delete , чтобы удалить его.
- Повторяйте до тех пор, пока не будут удалены все пробелы.
- Нажмите «Файл» > «Сохранить как» и выберите . EPS для сохранения в виде векторной графики.
- Повторите то же самое для таксонов фитопланктона из 1.1 (рис. 1Б).
2. Создание паттернов фитопланктона
- 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.).
- Вычислите среднее ± стандартное отклонение для каждого таксона фитопланктона за каждое десятилетие в статистическом программном обеспечении, щелкнув или введя 'mean() и sd()'.
- 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. - 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.
- 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. - Перетащите файл . EPS-файлы различных таксонов фитопланктона на трех монтажных областях.
- Раскрасьте фитопланктон разными цветами, символизирующими десятилетие, используя инструмент «Прямое выделение» (белая стрелка), чтобы нарисовать прямоугольник вокруг отдельного фитопланктона.
- В разделе «Свойства» выберите «Заливка », а затем нажмите на нужный цвет из цветовой палитры. Нажмите enter , чтобы заполнить вектор.
- Используйте Инструмент «Выделение» (черная стрелка), чтобы выделить определенный фитопланктон, затем выберите «Редактировать» > «Копировать» и «Редактировать > вставить».
- 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. - Выберите «Объект > узор» > «Создать», чтобы создать образец цвета фитопланктона для каждой из трех декад.
3. Учет данных о биомассе и температуре фитопланктона
- 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.
- 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».
- Поместите .JPG или .PNG фигурки chl десятилетней биомассы в рабочую среду иллюстратора, открыв файл с компьютера, или перетащите его в новое рабочее пространство.
- Повторите шаги с 1.3 по 1.8 для векторизации каждого из трех сезонных циклов chl a .
- Перейдите в раздел Просмотр > Показать сетку прозрачности , чтобы отобразить фон шахматной доски, указывающий на прозрачность.
- Нажмите на Window > Image Trace в выпадающем меню, чтобы открыть окно Image Trace.
- Нажмите на инструмент «Выделение» (черная стрелка) на панели инструментов и нажмите на изображение.
- Нажмите на Object > Expand в выпадающем меню.
- 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.
- Нажмите « Файл» > «Экспорт », чтобы сохранить файл как .PNG файл. Убедитесь, что установлен флажок Прозрачный фон.
- Поместите рисунок с удаленным фоном .PNG новое рабочее пространство конкретного иллюстратора, открыв файл с компьютера или перетащив его в новое рабочее пространство.
- Нажмите на Window > Image Trace в выпадающем меню, чтобы открыть окно Image Trace.
- В разделе «Свойства» выберите «Развернуть », чтобы векторизовать его.
- Выберите «Просмотр» > «Показать сетку прозрачности».
- Нажмите на векторное изображение , затем щелкните правой кнопкой мыши и выберите «Разгруппировать».
- Выберите инструмент «Частичное выделение» (белая стрелка) на панели инструментов. Перетащите и нарисуйте рамку только вокруг пробела. Нажмите клавишу delete , чтобы удалить его.
- Повторяйте до тех пор, пока не будут удалены все пробелы для каждой из строк 1970-х, 1990-х и 2010-х годов.
- Нажмите «Файл» > «Сохранить как» и выберите . EPS для сохранения каждой строки в виде отдельной векторной графики.
- Используйте инструмент «Монтажная область» (квадрат) на панели инструментов, чтобы перетащить и создать новую монтажную область в новом рабочем пространстве Illustrator.
- Создайте три одинаковые монтажные области одинакового размера. Отрегулируйте размер в разделе «Свойства» > «Преобразовать».
ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого проекта размеры были 1224 на 3456 пикселей. - Перетащите один из chl a . EPS на одну из трех монтажных областей соответственно.
- Создайте новый слой, нажав на иконку стикера.
- Создайте прямоугольник в новом слое с помощью инструмента «Прямоугольник» на панели инструментов.
- Заполните прямоугольник светло-голубым градиентом с помощью инструмента «Градиент» на панели инструментов.
- Скопируйте векторизованную линию тренда и добавьте её к слою с прямоугольником.
- Используйте инструмент «Сегмент линии» на панели инструментов, чтобы создать рамку, прикрепленную к линии тренда. Удерживайте клавишу Shift, чтобы сделать линии прямыми и выровненными.
- Нажмите клавишу Control и выделите все компоненты, включая линии, прямоугольник и линию тренда в слое.
- Выберите «Объект > обтравочную маску» > «Создать». Это удалит верхнюю заливку фигуры.
- Заполните фигуру узором фитопланктона, сохраненным в виде образца цвета из версии 2.11.
- Повторите этот процесс для каждой из трех декад.
- 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.
- Щёлкните правой кнопкой мыши по объекту и переместите его обратно за узоры фитопланктона.
4. Детализация панелей фитопланктона
- Чтобы добавить изображения сфотографированного фитопланктона к узорам фитопланктона, выберите « Открыть » и нажмите на файл изображения , чтобы открыть его в используемом здесь иллюстраторе.
- Создайте круг с помощью инструмента «Эллипс» на панели инструментов и наложите его поверх изображения фитопланктона.
- Удерживайте клавишу Shift, чтобы выбрать фигуру и изображение, затем в меню нажмите на Object > Clipping Mask > Make , чтобы заполнить фигуру изображением.
- 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. - Используйте инструмент «Прямоугольник» на панели инструментов, чтобы создать текстовое поле на каждой из монтажных областей декады.
- 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.
- Сохраните рабочее пространство в иллюстраторе.
5. Изготовление фресок
- Импортируйте сохраненный файл Illustrator и выберите импорт только трех завершенных декад. Выберите все и экспортируйте в виде .PDF файла.
- Откройте файл .PDF узора планктона с помощью широкоформатного плоттера, чтобы масштабировать три десятилетние монтажные области в панели размером 96 на 34 дюйма.
- Распечатайте панели на плотной бумаге и установите с подвесным оборудованием.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative 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 зимой была выше, чем летом. Эти результаты отражаются в конечном продукте с помощью различных пиков chl a на панелях, а также с помощью текстовых полей, добавленных для выделения различных компонентов набора данных chl a (рис. 2).
Анализ экологически значимых таксонов фитопланктона из залива Наррагансетт выявил широкий диапазон численности с течением времени. Эта изменчивость часто маскировала какие-либо статистически значимые различия в таксонах в течение трех десятилетий, хотя таксоны ВЦВ, Dinophysis spp. и Tripos spp. (ранее называвшиеся Ceratium) уменьшились (табл. 1). В отличие от них, Thalassiosira nordenskioeldii и Skeletonema spp. увеличились (табл. 1). Другие таксоны, такие как Eucampia zodiacus , колебались в численности (табл. 1). Эти результаты были проиллюстрированы в конечном продукте увеличением количества изображений E. zodiacus в 2010-х годах по сравнению с 1970-ми и 1990-ми годами, а также наложенным микроскопическим изображением E. zodiacus , чтобы сделать фактический вид «реальным» для аудитории (рис. 2 и 3).
| Название таксона | Тип | 1970-79 Среднее ± SD (ячейки L-1) | 1990-99 Среднее ± SD (ячейки L-1) | 2010-19 Среднее ± SD (ячейки L-1) | p-значение |
| Pseudo-nitzschia spp. | Диатомовые водоросли | 3701 ± 18235 | 5123 ± 24396 | 12919 ± 58632 | > 0,05 |
| Thalassionema nitzschioides | Диатомовые водоросли | 81797 ± 245710 | 22909 ± 59246 | 62656 ± 292940 | > 0,05 |
| Tripos spp. | Динофлагелляты | 1933 ± 703 | 500 ± 706 | 841 ± 353 | < 0,001 |
| Эукампия зодиака (Eucampia zodiacus) | Диатомовые водоросли | 27266 ± 27675 | 7500 ± 2121 | 90764 ± 181415 | > 0,05 |
| Thalassiosira nordenskioeldii | Диатомовые водоросли | 76800 ± 150545 | 27000 ± 28284 | 362411 ± 376064 | 0.008 |
| Odontella aurita | Диатомовые водоросли | 5571 ± 8541 | 5000 ± 2645 | 17750 ± 23485 | > 0,05 |
| Chaetoceros diadema | Диатомовые водоросли | 103027 ± 239802 | 18000 ± 0 | 40402 ± 46128 | > 0,05 |
| Skeletonema spp. | Диатомовые водоросли | 2457847 ± 7814228 | 1884674 ± 4888589 | 1349184 ± 3732765 | 0.003 |
| Динофиз (Dinophysis spp.) | Динофлагелляты | 5166 ± 8983 | 1978 ± 1840 гг. | 2331 ± 2504 | < 0,001 |
Таблица 1: Подсчет фитопланктона. Среднее (клетки L-1) и стандартное отклонение концентраций фитопланктона для каждого таксона за каждое десятилетие. Тип определяет, классифицируется ли фитопланктон как диатомовые водоросли или динофлагелляты. ANOVA или t-критерий был проведен для проверки статистически значимых различий в средней численности в течение трех десятилетий (ANOVA) или двух (t-критерий), когда в 1990-х годах присутствовал небольшой размер выборки (например, Tripos spp., Eucampia zodiacus, Thalassiosira nordenskioeldii, Odontella aurita и Chaetoceros diadema). Значимые p-значения определяются при α = 0,05 и выделяются жирным шрифтом.
Рисунок 1: Схема методики. А) Преобразование микроскопического изображения в векторную иллюстративную графику, Б) Создание повторяющегося паттерна для каждого десятилетия (1970-е, 1990-е, 2010-е годы), В) Использование десятилетних данных хлорофилла А для информирования о формах узоров. Заполните фон синей или красной цветовой схемой, чтобы представить повышение температуры воды, и D) Завершите продукт, добавив текст, чтобы сообщить о различных особенностях узоров и микроскопических изображений фитопланктона, используемых для создания иллюстративной графики. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Завершенная визуализация. Доработана визуализация фитопланктона, сделанная в иллюстраторе. Таксоны включают Thalassiosira nordenskioeldii, Thalassionema nitzschioides, Tripos spp., Odontella aurita, Skeletonema species complex, Chaetoceros diadema, Eucampia zodiacus, Dinophysis spp. и Pseudo-nitzschia spp. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Завершенное произведение искусства. Окончательная визуализация фитопланктона, сделанная в иллюстраторе вместе с печатной версией для А) 1970-х, Б) 1990-х и В) 2010-х годов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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), усредненные по десятилетиям, представляют собой фактические данные и показывают, как chl a снижался на десятилетие на различных панелях. Что касается численности фитопланктона, то средние концентрации определенных таксонов варьировались в зависимости от десятилетия, поэтому более высокая численность таксонов, наблюдаемая в конкретном десятилетии, будет иметь больше графиков этих таксонов, скопированных на десятилетнюю панель, по сравнению с другой панелью с более низкой средней численностью. Использование наблюдаемых данных для информирования художественных элементов, таких как градиент цвета от синего до красного для представления повышения температуры, также помогает визуализировать эти научные данные.
Модификации метода могут включать в себя получение микроскопических изображений фитопланктона из репозиториев изображений открытого доступа, а также использование других систем визуализации фитопланктона для фотографических изображений, помимо микроскопа (например, Imaging Flow-Cytobot). Кроме того, микроскопические изображения и научные данные могут включать ежедневные подсчеты фитопланктона и изображения, а не десятилетия, для более коротких наборов данных временных рядов, а также изображения зоопланктона для выявления взаимодействий пищевой сети. Наконец, средние температуры, зарегистрированные за каждое десятилетие, могут быть включены в панели для количественной оценки изменений температуры или линия тренда, нарисованная в нижней части панелей, в дополнение к иллюстративным изменениям, показанным через градиентный фон. Ограничения включают в себя устранение неполадок с этими научными данными для масштабирования в пределах физического произведения искусства, а также получение инструментов для печати на больших панелях. Также важно убедиться, что цвет фона достаточно прозрачен, чтобы отчетливо выявлять изменения численности фитопланктона с течением времени, которые может быть трудно различить до печати. Наконец, Adobe Illustrator является проприетарным программным обеспечением, которое может ограничивать доступность для определенных пользователей, но доступны бесплатные программы для иллюстраций (например, Inkscape, GIMP, Vectr, Vectornator). Адаптация протокола для создания фресок фитопланктона в этих бесплатных программах представляет собой полезную будущую работу по повышению доступности.
Учитывая, что фитопланктон представляет собой основу пищевой цепи почти во всех морских системах, информирование об их важности имеет решающее значение; Тем не менее, большинство исследований в области экологии фитопланктона представляют результаты только в виде графов данных, что снижает их доступность для широкой аудитории. Представленный здесь протокол разработки фрески фитопланктона демонстрирует влияние визуализации научных данных через художественную призму17. Проанализировав эту фреску, зритель может увидеть, что биомасса фитопланктона в заливе Наррагансетт (NBay) уменьшилась с 1970-х годов. Это снижение происходит в течение периода, когда наблюдалось долгосрочное повышение температуры морской воды в NBay13. Аналогичные сдвиги в планктонных сообществах (т.е. зоопланктоне) с повышением температуры морской воды наблюдались также в эстуарии залива Сан-Франциско, который, как и NBay, поддерживает большую человеческую популяцию18,19. Этот подход представляет собой метод визуализации, который может быть использован для многих других временных рядов планктона, таких как эстуарий залива Сан-Франциско, по всему миру.
На первый взгляд, форма и цвет панелей со временем меняются. При более внимательном рассмотрении панелей можно заметить, что закономерности фитопланктона отражают сдвиги в численности и биомассе различных таксонов. Именно здесь сталкиваются миры искусства и науки, поскольку научные закономерности являются буквальными узорами, изображенными на фреске. Очевидно, что NBay — это гораздо больше, чем то, что появляется на поверхности воды, визуализируя данные о фитопланктоне с помощью искусства.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
У авторов нет конфликта интересов, о котором можно было бы заявлять.
Acknowledgments
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
| 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).
