תצוגה חזותית של נתונים אוקיינוגרפיים כדי לתאר שינויים ארוכי טווח בפיטופלנקטון
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.
Protocol
Representative Results
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 כש?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
