Visualiser les données océanographiques pour illustrer les changements à long terme du phytoplancton
Summary
Nous présentons ici un protocole de conversion d’images microscopiques de phytoplancton en graphiques vectoriels et en motifs répétitifs pour permettre la visualisation des changements dans les taxons et la biomasse du phytoplancton sur 60 ans. Ce protocole représente une approche qui peut être utilisée pour d’autres séries chronologiques et ensembles de données sur le plancton à l’échelle mondiale.
Abstract
Les séries chronologiques océanographiques offrent une perspective importante sur les processus environnementaux dans les écosystèmes. La série chronologique à long terme sur le plancton de la baie de Narragansett (NBPTS) dans la baie de Narragansett, dans le Rhode Island, aux États-Unis, représente l’une des plus longues séries chronologiques sur le plancton (de 1959 à aujourd’hui) de ce type dans le monde et offre une occasion unique de visualiser les changements à long terme au sein d’un écosystème aquatique. Le phytoplancton représente la base du réseau trophique dans la plupart des systèmes marins, y compris la baie Narragansett. Par conséquent, il est essentiel de communiquer leur importance aux 2,4 milliards de personnes qui vivent dans l’océan côtier. Nous avons développé un protocole dans le but de visualiser la diversité et l’ampleur du phytoplancton en utilisant Adobe Illustrator pour convertir des images microscopiques de phytoplancton recueillies dans le NBPTS en graphiques vectoriels qui pourraient être conformés en motifs visuels répétitifs au fil du temps. Les taxons numériquement abondants ou ceux qui présentaient des menaces économiques et sanitaires, tels que les taxons de prolifération d’algues nuisibles, Pseudo-nitzschia spp., ont été sélectionnés pour la conversion d’images. Des modèles de diverses images de phytoplancton ont ensuite été créés en fonction de leur abondance relative pour certaines décennies de données recueillies (années 1970, 1990 et 2010). Les modèles décennaux de la biomasse phytoplanctonique ont éclairé les contours de chaque décennie, tandis qu’un dégradé de couleur de fond allant du bleu au rouge a été utilisé pour révéler une augmentation de la température à long terme observée dans la baie de Narragansett. Enfin, de grands panneaux de 96 pouces sur 34 pouces ont été imprimés avec des motifs répétitifs de phytoplancton pour illustrer les changements potentiels dans l’abondance du phytoplancton au fil du temps. Ce projet permet de visualiser les changements littéraux de la biomasse du phytoplancton, qui sont généralement invisibles à l’œil nu, tout en exploitant des données de séries en temps réel (par exemple, la biomasse et l’abondance du phytoplancton) dans l’œuvre d’art elle-même. Il s’agit d’une approche qui peut être utilisée pour de nombreuses autres séries chronologiques sur le plancton à des fins de visualisation des données, de communication, d’éducation et de sensibilisation.
Introduction
Le phytoplancton est un producteur primaire qui représente la base du réseau trophique dans les écosystèmes aquatiques 1,2. Bien que les programmes de surveillance du phytoplancton soient essentiels pour identifier les changements actuels et futurs dans les écosystèmes marins, leur soutien diminue au fil du temps 3. En raison de leur durée générationnelle relativement courte et de leur mobilité limitée, le phytoplancton est particulièrement réactif aux changements climatiques, ce qui en fait un outil important pour le suivi des séries chronologiques. Les séries chronologiques sur le phytoplancton sont également importantes pour éclairer la gestion écosystémique de la disponibilité des ressources et fournir un contexte pour les événements épisodiques, tels que les vagues de chaleur marines4. Les séries chronologiques à court terme, sur la question des années, donnent un aperçu de la succession des communautés phytoplanctoniques et de la dynamique saisonnière (par exemple, réf.5,6), tandis que les séries chronologiques à long terme, telles que les programmes Bermuda Atlantic Time Series (BATS) et Hawaii Ocean Times Series (HOTS), s’étendent sur plus de deux décennies et permettent de détecter des tendances à long terme 7,8. De telles études illustrent l’avantage et l’importance d’un enregistrement phytoplanctonique hautement résolu pour une compréhension complète des changements à long terme des écosystèmes dans les environnements marins dynamiques. De plus, la visualisation et la communication de ces changements dans le phytoplancton, qui ne peuvent pas être vus à l’œil nu, sont plus difficiles à comprendre que pour les organismes qui sont grands et facilement visibles, comme les poissons et les baleines. Les visualisations informatiques offrent une technique permettant d’explorer des ensembles de données complexes9 et des graphiques illustratifs améliorés sont de plus en plus disponibles (p. ex., Integration and Application Network, Centre des sciences de l’environnement de l’Université du Maryland). Cependant, la plupart des études sur l’écologie du phytoplancton, y compris beaucoup d’entre elles mentionnées ici, ne présentent encore les résultats que sous forme de graphiques de données, ce qui réduit leur accessibilité au grand public. Étant donné que le phytoplancton représente la base du réseau trophique dans la plupart des systèmes marins, il est essentiel de communiquer son importance aux près de 2,4 milliards de personnes qui vivent dans l’océan côtier10. Ici, nous avons développé un protocole dans le but de visualiser la diversité et l’ampleur du phytoplancton, tel qu’il a été collecté par un programme de surveillance du phytoplancton.
La série chronologique sur le plancton de la baie de Narragansett (NBPTS) fournit une perspective à long terme de 60+ ans (1959 à aujourd’hui) sur les effets du changement global dans un contexte climatique sur l’abondance, la saisonnalité et la phénologie du phytoplancton (cycle vital). La baie de Narragansett (NBay) est un estuaire côtier relié aux systèmes plus larges du plateau nord-est et de l’Atlantique Nord-Ouest des États-Unis, dont la production a d’importantes répercussions sur les pêches et l’utilisation humaine le long de la côte des États-Unis11. NBay est considéré comme un système hautement saisonnier qui connaît un réchauffement à long terme (1950-2015) des eaux dans la région, ainsi que des changements dans les nutriments et une augmentation de la clarté de l’eau12,13. De plus, une diminution de la biomasse phytoplanctonique s’est produite dans la partie supérieure du Nouveau-Brunswick en raison d’une diminution anthropique de l’azote inorganique dissous, qui est en partie attribuable à la modernisation des usines de traitement des eaux usées12. Des changements dans les taxons de phytoplancton, en particulier des proliférations d’algues nuisibles (HAB), se produisent également au Nouveau-Brunswick. Les pseudo-nitzschia spp., qui produisent des proliférations toxiques omniprésentes dans les régions de remontée d’eau le long de la côte ouest des États-Unis, ont entraîné des fermetures notables de mollusques et de crustacés pour la première fois dans l’histoire de NBay en 2016 et 2017 14,15,16. Il est important de communiquer ces changements à divers publics afin d’accroître la culture scientifique et de promouvoir le soutien continu des études de surveillance du phytoplancton.
L’objectif de ce projet était d’utiliser des images microscopiques du phytoplancton du Nouveau-Brunswick, ainsi que des données synthétisées à partir du NBPTS, afin de visualiser les changements littéraux dans les taxons et la biomasse du phytoplancton qui se produisent au Nouveau-Brunswick afin de communiquer et de renforcer l’importance du phytoplancton pour le grand public. Le NBPTS fournit 60+ ans de dénombrements hebdomadaires de phytoplancton et de biomasse accessibles au public pour exploiter les données de (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/). Le produit final était une grande fresque de motifs planctoniques représentatifs des données de la série chronologique (p. ex., biomasse et taxons du phytoplancton, température) à l’intérieur de l’œuvre d’art elle-même. Cette approche représente une méthode de visualisation qui peut être utilisée pour de nombreuses autres séries chronologiques sur le plancton à travers le monde et qui peut également être adaptée aux programmes de surveillance avec des données saisonnières à court terme. Les avantages de la mise en œuvre de ce protocole comprennent des efforts accrus en matière de visualisation des données, de communication scientifique, d’éducation et d’engagement auprès des communautés locales.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les étapes critiques du protocole comprennent l’obtention d’images microscopiques du phytoplancton et leur conversion en graphiques vectoriels. Rendre les images de phytoplancton, qui ne sont pas perceptibles à l’œil nu, suffisamment grandes pour être vues sans loupe sur la fresque, aide à leur donner vie pour le spectateur. Pour réaliser cette murale non seulement en tant qu’œuvre d’art, mais aussi en tant que méthode de visualisation de données, il est important d’intégrer les données observées …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été financée par la National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) et Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Nous remercions les nombreux capitaines d’avoir fourni leur aide sur le terrain ainsi que les nombreux étudiants et chercheurs qui ont recueilli des données depuis 1970. Nous remercions Stewart Copeland et Georgia Rhodes d’avoir développé le projet Vis-A-Thon qui a produit la murale planctonique, ainsi que Rafael Attias de la Rhode Island School of Design pour ses conseils artistiques pendant le développement du projet.
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).
