Visualizzazione di dati oceanografici per rappresentare i cambiamenti a lungo termine nel fitoplancton
Summary
Qui, presentiamo un protocollo per convertire le immagini microscopiche del fitoplancton in grafica vettoriale e modelli ripetitivi per consentire la visualizzazione dei cambiamenti nei taxa e nella biomassa del fitoplancton nell’arco di 60 anni. Questo protocollo rappresenta un approccio che può essere utilizzato per altre serie temporali e set di dati sul plancton a livello globale.
Abstract
Le serie temporali oceanografiche forniscono un’importante prospettiva sui processi ambientali negli ecosistemi. La Narragansett Bay Long-Term Plankton Time Series (NBPTS) a Narragansett Bay, Rhode Island, USA, rappresenta una delle più lunghe serie temporali del plancton (1959-oggi) del suo genere al mondo e rappresenta un’opportunità unica per visualizzare i cambiamenti a lungo termine all’interno di un ecosistema acquatico. Il fitoplancton rappresenta la base della rete alimentare nella maggior parte dei sistemi marini, compresa la baia di Narragansett. Pertanto, comunicare la loro importanza ai 2,4 miliardi di persone che vivono all’interno dell’oceano costiero è fondamentale. Abbiamo sviluppato un protocollo con l’obiettivo di visualizzare la diversità e l’entità del fitoplancton utilizzando Adobe Illustrator per convertire le immagini microscopiche del fitoplancton raccolte dall’NBPTS in grafica vettoriale che potrebbe essere conformata in modelli visivi ripetitivi nel tempo. Per la conversione dell’immagine sono stati selezionati taxa numericamente abbondanti o che rappresentavano una minaccia economica e sanitaria, come i taxa di fioritura algale dannosi, Pseudo-nitzschia spp.. Sono stati quindi creati modelli di varie immagini di fitoplancton in base alla loro abbondanza relativa per decenni selezionati di dati raccolti (1970, 1990 e 2010). I modelli decennali della biomassa del fitoplancton hanno informato il contorno di ogni decennio, mentre un gradiente di colore di sfondo dal blu al rosso è stato utilizzato per rivelare un aumento della temperatura a lungo termine osservato nella baia di Narragansett. Infine, grandi pannelli di 96 pollici per 34 pollici sono stati stampati con modelli ripetuti di fitoplancton per illustrare i potenziali cambiamenti nell’abbondanza di fitoplancton nel tempo. Questo progetto consente la visualizzazione di cambiamenti letterali nella biomassa del fitoplancton, che sono tipicamente invisibili ad occhio nudo, sfruttando i dati delle serie in tempo reale (ad esempio, la biomassa e l’abbondanza del fitoplancton) all’interno dell’opera d’arte stessa. Rappresenta un approccio che può essere utilizzato per molte altre serie temporali del plancton per la visualizzazione dei dati, la comunicazione, l’educazione e gli sforzi di sensibilizzazione.
Introduction
Il fitoplancton è un produttore primario che rappresenta la base della rete alimentare negli ecosistemi acquatici 1,2. Sebbene i programmi di monitoraggio del fitoplancton siano fondamentali per identificare i cambiamenti attuali e futuri negli ecosistemi marini, il loro supporto sta diminuendo nel tempo 3. A causa dei loro tempi di generazione relativamente brevi e della mobilità limitata, i fitoplancton sono particolarmente sensibili ai cambiamenti climatici, il che li rende uno strumento importante nel monitoraggio delle serie temporali. Le serie temporali del fitoplancton sono importanti anche per informare la gestione ecosistemica della disponibilità delle risorse e fornire un contesto per eventi episodici, come le ondate di calore marine4. Le serie temporali a breve termine, in termini di anni, forniscono informazioni sulla successione delle comunità di fitoplancton e sulle dinamiche stagionali (ad esempio, ref.5,6), mentre le serie temporali a lungo termine, come i programmi Bermuda Atlantic Time Series (BATS) e Hawaii Ocean Times Series (HOTS), coprono più di due decenni e consentono di rilevare tendenze a lungo termine 7,8. Tali studi illustrano il beneficio e l’importanza di un record di fitoplancton ad alta risoluzione per una comprensione completa del cambiamento a lungo termine dell’ecosistema in ambienti marini dinamici. Inoltre, la visualizzazione e la comunicazione di questi cambiamenti nel fitoplancton, che non possono essere visti ad occhio nudo, sono più difficili da comprendere rispetto agli organismi che sono grandi e facilmente visibili, come pesci e balene. Le visualizzazioni computerizzate offrono una tecnica per esplorare set di dati complessi9 e grafici illustrativi migliorati stanno diventando prontamente disponibili (ad esempio, Integration and Application Network, University of Maryland Center for Environmental Science). Tuttavia, la maggior parte degli studi sull’ecologia del fitoplancton, compresi molti a cui si fa riferimento qui, presentano ancora i risultati solo come grafici di dati che riducono la loro accessibilità al pubblico generale. Dato che il fitoplancton rappresenta la base della catena alimentare nella maggior parte dei sistemi marini, comunicare la loro importanza ai quasi 2,4 miliardi di persone che vivono all’interno dell’oceano costieroè fondamentale 10. Qui, abbiamo sviluppato un protocollo con l’obiettivo di visualizzare la diversità e l’entità del fitoplancton, come raccolto da un programma di monitoraggio del fitoplancton.
La serie temporale del plancton della baia di Narragansett (NBPTS) fornisce una prospettiva a lungo termine di 60+ anni (1959-oggi) sugli effetti del cambiamento globale all’interno di un contesto climatico sull’abbondanza del fitoplancton, sulla stagionalità e sulla fenologia (storia della vita). La baia di Narragansett (NBay) è un estuario costiero collegato ai più ampi sistemi della piattaforma nord-orientale degli Stati Uniti e dell’Atlantico nord-occidentale, la cui produzione ha importanti implicazioni per la pesca e l’uso umano lungo la costa degli Stati Uniti. NBay è considerato un sistema altamente stagionale che sperimenta un riscaldamento a lungo termine (1950-2015) delle acque nella regione, nonché cambiamenti nei nutrienti e un aumento della limpidezza dell’acqua12,13. Inoltre, si è verificato un declino della biomassa di fitoplancton nell’alto NBay correlato alla diminuzione antropica dell’azoto inorganico disciolto, che è in parte attribuito agli aggiornamenti negli impianti di trattamento delle acque reflue12. Cambiamenti nei taxa di fitoplancton, in particolare nelle fioriture algali dannose (HAB), si stanno verificando anche in NBay. Pseudo-nitzschia spp., che produce fioriture tossiche pervasive nelle regioni di upwelling lungo la costa occidentale degli Stati Uniti, ha portato a notevoli chiusure di molluschi per la prima volta nella storia di NBay nel 2016 e nel 2017 14,15,16. Comunicare questi cambiamenti a un pubblico eterogeneo è importante per aumentare l’alfabetizzazione scientifica e per promuovere il supporto continuo agli studi di monitoraggio del fitoplancton.
L’obiettivo di questo progetto è stato quello di utilizzare immagini microscopiche del fitoplancton da NBay, nonché i dati sintetizzati da NBPTS, per visualizzare i cambiamenti letterali nei taxa di fitoplancton e nella biomassa che si stanno verificando in NBay per comunicare e migliorare l’importanza del fitoplancton al pubblico generale. NBPTS fornisce 60+ anni di conteggi settimanali del fitoplancton e biomassa pubblicamente disponibili per sfruttare i dati di (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/). Il prodotto finale è stato un grande murale di modelli di plancton rappresentativi dei dati delle serie temporali (ad esempio, biomassa e taxa di fitoplancton, temperatura) all’interno dell’opera d’arte stessa. Questo approccio rappresenta un metodo di visualizzazione che può essere utilizzato per molte altre serie temporali di plancton in tutto il mondo e può essere adattato anche per programmi di monitoraggio con dati stagionali a breve termine. I vantaggi dell’implementazione di questo protocollo includono l’aumento degli sforzi nella visualizzazione dei dati, nella comunicazione scientifica, nell’istruzione e nell’impegno con le comunità locali.
Protocol
Representative Results
Discussion
I passaggi critici del protocollo includono l’ottenimento di immagini microscopiche del fitoplancton e la loro conversione in grafica vettoriale. Rendere le immagini di fitoplancton, che non sono evidenti ad occhio nudo, abbastanza grandi da essere viste senza una lente d’ingrandimento sul murale, aiuta a farle vivere per lo spettatore. Per realizzare questo murale non solo come un’opera d’arte, ma anche come un metodo di visualizzazione dei dati, è importante incorporare i dati osservati nel progetto. Nel caso del mura…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata supportata dalla National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) e dal Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Ringraziamo i numerosi capitani per aver fornito assistenza sul campo e i numerosi studenti e ricercatori che hanno raccolto dati dal 1970. Ringraziamo Stewart Copeland e Georgia Rhodes per aver sviluppato il progetto Vis-A-Thon che ha prodotto il murale sul plancton e Rafael Attias della Rhode Island School of Design per la sua guida artistica durante lo sviluppo del progetto.
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 |
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