식물성 플랑크톤의 장기적인 변화를 묘사하기 위한 해양학적 데이터 시각화
Summary
여기에서는 식물성 플랑크톤 현미경 이미지를 벡터 그래픽과 반복적인 패턴으로 변환하여 60년 동안 식물성 플랑크톤 분류군과 바이오매스의 변화를 시각화할 수 있는 프로토콜을 제시합니다. 이 프로토콜은 전 세계적으로 다른 플랑크톤 시계열 및 데이터 세트에 활용할 수 있는 접근 방식을 나타냅니다.
Abstract
해양학 시계열은 생태계의 환경 과정에 대한 중요한 관점을 제공합니다. 미국 로드아일랜드주 내러갠섯 베이에 있는 내러갠섯 베이 장기 플랑크톤 시계열(NBPTS)은 세계에서 가장 긴 플랑크톤 시계열(1959-현재) 중 하나이며 수중 생태계 내의 장기적인 변화를 시각화할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다. 식물성 플랑크톤은 Narragansett Bay를 포함한 대부분의 해양 시스템에서 먹이 그물의 기초를 나타냅니다. 따라서 연안 바다에 살고 있는 24억 명의 사람들에게 그 중요성을 알리는 것이 중요합니다. 우리는 어도비 일러스트레이터(Adobe Illustrator)를 활용하여 NBPTS에서 수집한 식물성 플랑크톤의 현미경 이미지를 벡터 그래픽으로 변환하여 시간이 지남에 따라 반복적인 시각적 패턴으로 일치시킬 수 있는 식물성 플랑크톤의 다양성과 규모를 시각화하는 것을 목표로 프로토콜을 개발했습니다. 수적으로 풍부한 분류군 또는 유해한 조류 번성 분류군( Pseudo-nitzschia spp.)과 같이 경제적 및 건강적 위협이 되는 분류군이 이미지 변환을 위해 선택되었습니다. 그런 다음 수집된 수십 년(1970년대, 1990년대 및 2010년대)의 데이터에 대한 상대적 풍부도를 기반으로 다양한 식물성 플랑크톤 이미지의 패턴을 생성했습니다. 식물성 플랑크톤 바이오매스의 데카달 패턴은 각 10년의 윤곽을 알려주었고, 파란색에서 빨간색까지의 배경색 그라데이션을 사용하여 Narragansett Bay에서 관찰된 장기적인 온도 상승을 나타냈습니다. 마지막으로, 96인치 x 34인치의 대형 패널에 반복되는 식물성 플랑크톤 패턴으로 인쇄하여 시간 경과에 따른 식물성 플랑크톤 풍부도의 잠재적인 변화를 설명했습니다. 이 프로젝트를 통해 일반적으로 육안으로는 보이지 않는 식물성 플랑크톤 바이오매스의 문자 그대로의 변화를 시각화하는 동시에 예술 작품 자체의 실시간 시리즈 데이터(예: 식물성 플랑크톤 바이오매스 및 풍부도)를 활용할 수 있습니다. 이는 데이터 시각화, 커뮤니케이션, 교육 및 봉사 활동을 위해 다른 많은 플랑크톤 시계열에 활용할 수 있는 접근 방식을 나타냅니다.
Introduction
식물성 플랑크톤은 수생 생태계 전반에 걸쳐 먹이 그물의 기초를 대표하는 주요 생산자이다 1,2. 식물성 플랑크톤 모니터링 프로그램은 해양 생태계의 현재와 미래의 변화를 식별하는 데 중요하지만, 시간이 지남에 따라 그 지원은 감소하고 있다 3. 상대적으로 짧은 생성 시간과 제한된 이동성으로 인해 식물성 플랑크톤은 기후 변화에 특히 민감하게 반응하므로 시계열 모니터링에서 중요한 도구가 됩니다. 식물성 플랑크톤 시계열은 생태계 기반 자원 가용성 관리를 알리고 해양 열파와 같은 일시적인 사건에 대한 맥락을 제공하는 데에도 중요하다4. 단기 시계열은 식물성 플랑크톤 군집 계승 및 계절 역학에 대한 통찰력을 제공하는 반면(예: ref.5,6), 버뮤다 대서양 시계열(BATS) 및 하와이 해양 시계열(HOTS) 프로그램과 같은 장기 시계열은 20년 이상에 걸쳐 장기 추세를 감지할 수 있습니다 7,8. 이러한 연구는 역동적인 해양 환경에서 장기적인 생태계 변화를 완전히 이해하기 위한 고분해능 식물성 플랑크톤 기록의 이점과 중요성을 보여줍니다. 또한 육안으로 볼 수 없는 식물성 플랑크톤의 이러한 변화를 시각화하고 전달하는 것은 물고기나 고래와 같이 크고 쉽게 볼 수 있는 유기체보다 이해하기가 더 어렵습니다. 컴퓨터 시각화는 복잡한 데이터 세트9를 탐색하는 기술을 제공하며, 개선된 예시 그래픽이 쉽게 이용 가능해지고 있다(예: Integration and Application Network, University of Maryland Center for Environmental Science). 그러나 여기에 언급된 많은 연구를 포함하여 식물성 플랑크톤 생태학에 대한 대부분의 연구는 여전히 결과를 데이터 그래프로만 제시하여 일반 청중에 대한 접근성을 떨어뜨립니다. 식물성 플랑크톤이 대부분의 해양 시스템에서 먹이 그물의 기초를 대표한다는 점을 감안할 때, 연안 바다에 살고 있는 약 24억 명의 사람들에게 식물성 플랑크톤의 중요성을 전달하는 것은 매우 중요하다10. 여기에서 우리는 식물성 플랑크톤 모니터링 프로그램에 의해 수집된 식물성 플랑크톤의 다양성과 규모를 시각화하는 것을 목표로 프로토콜을 개발했습니다.
Narragansett Bay Plankton Time Series(NBPTS)는 식물 플랑크톤 풍부도, 계절성 및 현상학(생활사)에 대한 기후 맥락 내에서 지구 변화의 영향에 대한 장기적인 60+년(1959-현재) 관점을 제공합니다. 내러갠섯 베이(NBay)는 미국 북동부 붕 및 북서 대서양의 광범위한 시스템과 연결된 해안 강어귀로, 이 해안의 생산은 미국 해안을 따라 어업과 인간의 사용에 중요한 영향을 미칩니다.11. NBay는 이 지역의 장기적(1950-2015) 온난화와 영양염류의 변화 및 물의 투명도 증가를 경험하는 매우 계절적인 시스템으로 간주됩니다12,13. 또한, 식물성 플랑크톤 바이오매스의 감소는 용존 무기 질소의 인위적 감소와 관련하여 NBay 상류에서 발생했으며, 이는 부분적으로 폐수 처리장의 업그레이드에 기인한다12. 식물성 플랑크톤 분류군, 특히 해로운 녹조(HAB)의 이동도 NBay에서 발생하고 있습니다. 미국 서부 해안을 따라 용솟는 지역에서 만연한 독성 꽃을 일으키는 Pseudo-nitzschia spp.는 2016년과 2017년에 NBay 역사상 처음으로 주목할만한 조개 폐쇄를 초래했습니다 14,15,16. 이러한 변화를 다양한 청중에게 전달하는 것은 과학 소양을 높이고 식물성 플랑크톤 모니터링 연구에 대한 지속적인 지원을 촉진하는 데 중요합니다.
이 프로젝트의 목표는 NBay에서 발생한 식물성 플랑크톤의 현미경 이미지와 NBPTS에서 합성된 데이터를 활용하여 NBay에서 발생하는 식물성 플랑크톤 분류군 및 바이오매스의 문자 그대로의 변화를 시각화하여 일반 대중에게 식물성 플랑크톤의 중요성을 알리고 강조하는 것이었습니다. NBPTS는 (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/)의 데이터를 활용하기 위해 공개적으로 사용 가능한 주간 식물성 플랑크톤 수와 바이오매스를 60+ 년 동안 제공합니다. 최종 결과물은 예술 작품 자체의 시계열 데이터(예: 식물성 플랑크톤 바이오매스 및 분류군, 온도)를 대표하는 플랑크톤 패턴의 대형 벽화였습니다. 이 접근 방식은 전 세계의 다른 많은 플랑크톤 시계열에 활용할 수 있는 시각화 방법을 나타내며 단기 계절 데이터가 있는 모니터링 프로그램에도 적용할 수 있습니다. 이 프로토콜을 구현하면 데이터 시각화, 과학 커뮤니케이션, 교육 및 지역 사회 참여에 대한 노력이 증가한다는 이점이 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
프로토콜의 중요한 단계에는 식물성 플랑크톤의 현미경 이미지를 획득하고 벡터 그래픽으로 변환하는 것이 포함됩니다. 육안으로는 눈에 띄지 않는 식물성 플랑크톤의 이미지를 벽화에 돋보기 없이도 볼 수 있을 만큼 크게 만드는 것은 보는 사람에게 생동감을 불어넣는 데 도움이 됩니다. 이 벽화를 예술 작품일 뿐만 아니라 데이터 시각화 방법으로 구현하기 위해서는 관찰된 데이터를 프로젝트…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 미국 국립과학재단(National Science Foundation, OIA-1655221, OCE-1655686)과 로드아일랜드 시 그랜트(Rhode Island Sea Grant, NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U)의 지원을 받았다. 1970년 이래 자료를 수집해 주신 여러 분들과 현장 지원을 아끼지 않으신 많은 분들께 감사드립니다. 플랑크톤 벽화를 제작한 Vis-A-Thon 프로젝트를 개발한 Stewart Copeland와 Georgia Rhodes, 그리고 프로젝트 개발 과정에서 예술적 지도를 해준 Rhode Island School of Design의 Rafael Attias에게 감사드립니다.
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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