海洋データを可視化し、植物プランクトンの長期変化を表現
Summary
本稿では、植物プランクトンの顕微鏡画像をベクターグラフィックスと反復パターンに変換し、60年にわたる植物プランクトンの分類群とバイオマスの変化を可視化するためのプロトコルを紹介します。このプロトコルは、世界中の他のプランクトンの時系列やデータセットに利用できるアプローチを表しています。
Abstract
海洋学的時系列は、生態系の環境プロセスに関する重要な視点を提供します。米国ロードアイランド州ナラガンセット湾にあるナラガンセット湾長期プランクトン時系列(NBPTS)は、この種のプランクトン時系列(1959年〜現在)としては世界最長の1つであり、水生生態系内の長期的な変化を視覚化するユニークな機会を提供します。植物プランクトンは、ナラガンセット湾を含むほとんどの海洋システムの食物網の基盤を表しています。そのため、沿岸海域に暮らす24億人の人々にその重要性を伝えることが重要です。Adobe Illustratorを用いて、NBPTSから採取した植物プランクトンの顕微鏡画像をベクターグラフィックスに変換し、経時的な反復的な視覚パターンに適合させることで、植物プランクトンの多様性と大きさを可視化することを目的としたプロトコルを開発しました。数値的に豊富な分類群や、有害な藻類ブルーム分類群である Pseudo-nitzschia spp.など、経済的および健康上の脅威をもたらす分類群を画像変換用に選択しました。次に、さまざまな植物プランクトン画像のパターンを、収集された数十年(1970年代、1990年代、2010年代)の特定のデータに対する相対的な存在量に基づいて作成しました。植物プランクトンバイオマスの10年単位のパターンが各10年のアウトラインを知らせ、背景色の青から赤へのグラデーションを使用して、ナラガンセット湾で観察された長期的な気温上昇を明らかにしました。最後に、96インチ×34インチの大型パネルに植物プランクトンパターンを繰り返し印刷し、植物プランクトンの存在量の経時的な変化の可能性を示しました。このプロジェクトでは、普段は肉眼では見えない植物プランクトンバイオマスの文字通りの変化を可視化しながら、植物プランクトンバイオマスや存在量などのリアルタイムデータを活用します。これは、データの視覚化、コミュニケーション、教育、およびアウトリーチ活動のために、他の多くのプランクトンの時系列に利用できるアプローチを表しています。
Introduction
植物プランクトンは、水生生態系における食物網の基盤となる一次生産者である1,2。植物プランクトンモニタリングプログラムは、海洋生態系の現在および将来の変化を特定するための鍵となりますが、そのサポートは時間の経過とともに減少しています3。植物プランクトンは、世代時間が比較的短く、移動性が限られているため、気候変動に特に敏感であり、時系列モニタリングの重要なツールとなっています。植物プランクトンの時系列は、生態系ベースの資源利用可能性の管理に情報を提供し、海洋熱波などの一時的な事象のコンテキストを提供する上でも重要です4。短期時系列は、年単位で、植物プランクトン群集の継承と季節動態に関する洞察を与える(例えば、文献5,6)が、バミューダ大西洋時系列(BATS)やハワイ海洋時系列(HOTS)プログラムなどの長期時系列は、20年以上にわたり、長期的な傾向の検出を可能にする7,8.このような研究は、ダイナミックな海洋環境における長期的な生態系の変化を完全に理解するために、高度に分解された植物プランクトン記録の利点と重要性を示しています。また、肉眼では見ることのできない植物プランクトンのこうした変化を可視化して伝えることは、魚類やクジラのような大型で容易に見える生物よりも理解が困難です。コンピュータによる可視化は、複雑なデータセットを探索する手法を提供し9、改良された説明的なグラフィックが容易に利用できるようになってきている(例えば、メリーランド大学環境科学センターのIntegration and Application Network)。しかし、植物プランクトン生態学のほとんどの研究は、ここで参照されている多くの研究を含め、依然として結果をデータグラフとしてしか提示しておらず、一般の聴衆へのアクセスが低くなっています。植物プランクトンがほとんどの海洋システムにおける食物網の基盤であることを考えると、沿岸海域に生息する約24億人の人々に植物プランクトンの重要性を伝えることは非常に重要です10。本研究では、植物プランクトンモニタリングプログラムによって収集された植物プランクトンの多様性と大きさを可視化することを目的としたプロトコルを開発しました。
ナラガンセット湾プランクトン時系列(NBPTS)は、植物プランクトンの豊富さ、季節性、およびフェノロジー(生活史)に対する気候コンテキスト内の地球変動の影響に関する長期的な60 +年(1959-現在)の視点を提供します。ナラガンセット湾(NBay)は、米国北東部棚と北西大西洋のより広いシステムに接続されている沿岸河口であり、その生産は米国沿岸の漁業と人間の利用に重要な意味を持っています11。NBayは、この地域で長期的(1950-2015年)の温暖化、栄養素の変化、水の透明度の増加を経験する非常に季節的なシステムと考えられています12,13。さらに、植物プランクトンバイオマスの減少は、溶存無機窒素の人為的な減少に関連してNBay上部で発生しており、これは廃水処理プラントのアップグレードに部分的に起因しています12。植物プランクトン分類群、特に有害な藻類ブルーム(HAB)の変化もNBayで起こっています。米国西海岸の湧昇流域で広範囲に有毒なブルームを発生させる偽ニッツキア属菌は、2016年と2017年にNBayの歴史上初めて顕著な貝類の閉鎖を引き起こしました14,15,16。これらの変化を多様な聴衆に伝えることは、科学リテラシーを高め、植物プランクトンモニタリング研究の継続的な支援を促進するために重要です。
本プロジェクトでは、NBayの植物プランクトンの顕微鏡画像とNBPTSから合成されたデータを用いて、NBayで起きている植物プランクトンの分類群やバイオマスの文字通りの変化を可視化し、植物プランクトンの重要性を一般の人々に伝え、高めることを目標としました。NBPTSは、(https://web.uri.edu/gso/research/plankton/)からのデータを活用するために、60 +年の公開されている毎週の植物プランクトン数とバイオマスを提供します。最終成果物は、時系列データ(植物プランクトンのバイオマスと分類群、気温など)を代表するプランクトンのパターンを描いた大きな壁画でした。この手法は、世界中の他の多くのプランクトン時系列に利用できる可視化手法であり、短期的な季節データを用いたモニタリングプログラムにも適用できます。このプロトコルを実装することの利点には、データの視覚化、科学コミュニケーション、教育、および地域社会との関わりにおける取り組みの増加が含まれます。
Protocol
Representative Results
Discussion
プロトコルの重要なステップには、植物プランクトンの顕微鏡画像を取得し、それらをベクトルグラフィックスに変換することが含まれます。肉眼では目立たない植物プランクトンの画像を、壁画に虫眼鏡なしでも見える大きさにすることで、見る人に生き生きとした印象を与えることができます。この壁画を単なる芸術作品としてではなく、データの可視化手法として実現するためには、?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、米国国立科学財団(OIA-1655221、OCE-1655686)およびロードアイランドシーグラント(NA22-OAR4170123、RISG22-R/2223-95-5-U)の支援を受けました。1970年以来、フィールド支援を提供してくださった複数のキャプテンと、データを収集してくださった多くの学生や研究者に感謝します。プランクトンの壁画を制作したVis-A-Thonプロジェクトの開発に協力してくれたスチュワート・コープランドとジョージア・ローズ、プロジェクト開発中に芸術的な指導をしてくれたロードアイランド・スクール・オブ・デザインのラファエル・アティアスに感謝します。
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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