Visualisering af oceanografiske data for at skildre langsigtede ændringer i fytoplankton
Summary
Her præsenterer vi en protokol til konvertering af fytoplanktonmikroskopiske billeder til vektorgrafik og gentagne mønstre for at muliggøre visualisering af skift i fytoplanktontaxa og biomasse over 60 år. Denne protokol repræsenterer en tilgang, der kan bruges til andre planktontidsserier og datasæt globalt.
Abstract
Oceanografiske tidsserier giver et vigtigt perspektiv på miljøprocesser i økosystemer. Narragansett Bay Long-Term Plankton Time Series (NBPTS) i Narragansett Bay, Rhode Island, USA, repræsenterer en af de længste planktontidsserier (1959-nuværende) af sin art i verden og giver en unik mulighed for at visualisere langsigtede ændringer inden for et akvatisk økosystem. Fytoplankton repræsenterer grundlaget for fødenettet i de fleste marine systemer, herunder Narragansett Bay. Derfor er det afgørende at kommunikere deres betydning til de 2,4 milliarder mennesker, der bor i kysthavet. Vi udviklede en protokol med det formål at visualisere mangfoldigheden og størrelsen af fytoplankton ved at bruge Adobe Illustrator til at konvertere mikroskopiske billeder af fytoplankton indsamlet fra NBPTS til vektorgrafik, der kunne formes til gentagne visuelle mønstre gennem tiden. Numerisk rigelige taxa eller dem, der udgjorde økonomiske og sundhedsmæssige trusler, såsom den skadelige algeblomstringstaxa, Pseudo-nitzschia spp., blev valgt til billedkonvertering. Mønstre af forskellige fytoplanktonbilleder blev derefter skabt baseret på deres relative overflod for udvalgte årtier af indsamlede data (1970’erne, 1990’erne og 2010’erne). Decadal mønstre af fytoplankton biomasse informerede omridset af hvert årti, mens en baggrundsfarvegradient fra blå til rød blev brugt til at afsløre en langsigtet temperaturstigning observeret i Narragansett Bay. Endelig blev store, 96-tommer ved 34-tommer paneler trykt med gentagne fytoplanktonmønstre for at illustrere potentielle ændringer i fytoplanktonoverflod over tid. Dette projekt muliggør visualisering af bogstavelige skift i fytoplanktonbiomasse, der typisk er usynlige for det blotte øje, samtidig med at der udnyttes realtidsseriedata (f.eks. fytoplanktonbiomasse og overflod) inden for selve kunstværket. Det repræsenterer en tilgang, der kan bruges til mange andre planktontidsserier til datavisualisering, kommunikation, uddannelse og opsøgende indsats.
Introduction
Fytoplankton er primærproducenter, der repræsenterer grundlaget for fødenettet på tværs af akvatiske økosystemer 1,2. Mens fytoplanktonovervågningsprogrammer er nøglen til at identificere nuværende og fremtidige ændringer i marine økosystemer, er deres støtte faldende over tid 3. På grund af deres relativt korte generationstider og begrænsede mobilitet er fytoplankton særligt lydhøre over for klimaændringer, hvilket gør dem til et vigtigt værktøj i tidsserieovervågning. Fytoplanktontidsserier er også vigtige for at informere økosystembaseret forvaltning af ressourcetilgængelighed og skabe kontekst for episodiske begivenheder, såsom marine hedebølger4. Kortsigtede tidsserier giver i løbet af år indsigt i fytoplanktonsamfundets succession og sæsondynamik (f.eks. ref.5,6), mens langsigtede tidsserier, såsom Bermuda Atlantic Time Series (BATS) og Hawaii Ocean Times Series (HOTS) -programmerne, spænder over mere end to årtier og muliggør påvisning af langsigtede tendenser 7,8. Sådanne undersøgelser illustrerer fordelen og vigtigheden af en højt opløst fytoplanktonrekord for en fuldstændig forståelse af langsigtede økosystemændringer i dynamiske havmiljøer. Desuden er visualisering og kommunikation af disse ændringer i fytoplankton, som ikke kan ses med det blotte øje, vanskeligere at forstå end for organismer, der er store og let synlige, som fisk og hvaler. Computervisualiseringer tilbyder en teknik til at udforske komplekse datasæt9, og forbedret illustrativ grafik bliver let tilgængelig (f.eks. Integration and Application Network, University of Maryland Center for Environmental Science). Imidlertid præsenterer de fleste undersøgelser inden for fytoplanktonøkologi, herunder mange, der henvises til her, stadig kun resultater som datagrafer, der reducerer deres tilgængelighed for det generelle publikum. I betragtning af at fytoplankton repræsenterer grundlaget for fødenettet i de fleste marine systemer, er det kritisk at kommunikere deres betydning til de næsten 2,4 milliarder mennesker, der bor i kysthavet10. Her udviklede vi en protokol med det formål at visualisere mangfoldigheden og størrelsen af fytoplankton, som indsamlet af et fytoplanktonovervågningsprogram.
Narragansett Bay Plankton Time Series (NBPTS) giver et langsigtet 60+ år (1959-nuværende) perspektiv på virkningerne af globale ændringer inden for en klimakontekst på fytoplanktonoverflod, sæsonbestemthed og fænologi (livshistorie). Narragansett Bay (NBay) er en kystmunding forbundet med de bredere systemer i USA’s nordøstlige sokkel og nordvestlige Atlanterhav, hvis produktion har vigtige konsekvenser for fiskeri og menneskelig brug langs kystnære U.S.A.11. NBay betragtes som et meget sæsonbestemt system, der oplever langsigtet (1950-2015) opvarmning af vand i regionen samt skift i næringsstoffer og en stigning i vandets klarhed12,13. Derudover er der sket et fald i fytoplanktonbiomassen i øvre NBay relateret til menneskeskabte fald i opløst uorganisk kvælstof, hvilket delvis tilskrives opgraderinger i spildevandsrensningsanlæg12. Skift i fytoplanktontaxa, især skadelige algeopblomstringer (HAB’er), forekommer også i NBay. Pseudo-nitzschia spp., der producerer gennemgribende giftige blomster i upwelling regioner langs den amerikanske vestkyst, førte til bemærkelsesværdige skaldyrslukninger for første gang i NBays historie i 2016 og 2017 14,15,16. Det er vigtigt at kommunikere disse ændringer til forskellige målgrupper for at øge den videnskabelige kompetence og for at fremme fortsat støtte til fytoplanktonovervågningsundersøgelser.
Målet med dette projekt var at udnytte mikroskopiske billeder af fytoplankton fra NBay samt data syntetiseret fra NBPTS til at visualisere de bogstavelige skift i fytoplanktontaxa og biomasse, der forekommer i NBay for at kommunikere og øge betydningen af fytoplankton til det generelle publikum. NBPTS leverer 60+ års offentligt tilgængelige ugentlige fytoplanktontællinger og biomasse til at udnytte data fra (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/). Det endelige produkt var et stort vægmaleri af planktonmønstre, der var repræsentative for tidsseriedataene (f.eks. fytoplanktonbiomasse og taxa, temperatur) inden for selve kunstværket. Denne tilgang repræsenterer en visualiseringsmetode, der kan bruges til mange andre planktontidsserier over hele verden og kan også tilpasses til overvågningsprogrammer med kortsigtede, sæsonbestemte data. Fordelene ved at implementere denne protokol omfatter øget indsats inden for datavisualisering, videnskabskommunikation, uddannelse og engagement i lokalsamfund.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske trin i protokollen omfatter opnåelse af mikroskopiske billeder af fytoplankton og konvertering af dem til vektorgrafik. At gøre billederne af fytoplankton, som ikke er mærkbare for det blotte øje, store nok til at blive set uden et forstørrelsesglas på vægmaleriet, hjælper med at bringe dem til live for seeren. For at opnå dette vægmaleri som ikke kun et kunstværk, men også en datavisualiseringsmetode, er det vigtigt at indarbejde observerede data i projektet. I tilfælde af fytoplanktonmaleriet repr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) og Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Vi takker de mange kaptajner for at yde feltassistance og de mange studerende og forskere, der indsamlede data siden 1970. Vi takker Stewart Copeland og Georgia Rhodes for at udvikle Vis-A-Thon-projektet, der producerede planktonmaleriet, samt Rafael Attias fra Rhode Island School of Design for hans kunstneriske vejledning under projektudviklingen.
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).
