Fitoplanktondaki Uzun Vadeli Değişiklikleri Göstermek için Oşinografik Verileri Görselleştirme
Summary
Burada, 60 yıl boyunca fitoplankton taksonlarında ve biyokütlede meydana gelen değişimlerin görselleştirilmesini sağlamak için fitoplankton mikroskobik görüntülerini vektör grafiklerine ve tekrarlayan desenlere dönüştürmek için bir protokol sunuyoruz. Bu protokol, küresel olarak diğer plankton zaman serileri ve veri kümeleri için kullanılabilecek bir yaklaşımı temsil eder.
Abstract
Oşinografik zaman serileri, ekosistemlerdeki çevresel süreçler hakkında önemli bir bakış açısı sağlar. Narragansett Körfezi, Rhode Island, ABD’deki Narragansett Körfezi Uzun Vadeli Plankton Zaman Serisi (NBPTS), dünyadaki türünün en uzun plankton zaman serilerinden birini (1959’dan günümüze) temsil ediyor ve bir su ekosistemi içindeki uzun vadeli değişimi görselleştirmek için eşsiz bir fırsat sunuyor. Fitoplankton, Narragansett Körfezi de dahil olmak üzere çoğu deniz sisteminde besin ağının temelini temsil eder. Bu nedenle, kıyı okyanusunda yaşayan 2,4 milyar insana önemlerini iletmek çok önemlidir. NBPTS’den toplanan fitoplanktonun mikroskobik görüntülerini zaman içinde tekrarlayan görsel desenlere uydurulabilecek vektör grafiklerine dönüştürmek için Adobe Illustrator’ı kullanarak fitoplanktonun çeşitliliğini ve büyüklüğünü görselleştirmek amacıyla bir protokol geliştirdik. Sayısal olarak bol olan taksonlar veya zararlı alg patlaması taksonları, Pseudo-nitzschia spp. gibi ekonomik ve sağlık tehditleri oluşturanlar görüntü dönüştürme için seçildi. Daha sonra, toplanan onlarca yıllık veriler (1970’ler, 1990’lar ve 2010’lar) için göreceli bolluklarına dayalı olarak çeşitli fitoplankton görüntülerinin kalıpları oluşturuldu. Fitoplankton biyokütlesinin on yıllık modelleri, her on yılın ana hatlarını bilgilendirirken, Narragansett Körfezi’nde gözlemlenen uzun vadeli bir sıcaklık artışını ortaya çıkarmak için maviden kırmızıya bir arka plan renk gradyanı kullanıldı. Son olarak, zaman içinde fitoplankton bolluğundaki potansiyel değişiklikleri göstermek için tekrar eden fitoplankton desenleriyle büyük, 96 inç x 34 inç paneller basıldı. Bu proje, sanat eserinin kendisindeki gerçek zamanlı seri verilerinden (örneğin, fitoplankton biyokütlesi ve bolluğu) yararlanırken, tipik olarak çıplak gözle görülemeyen fitoplankton biyokütlesindeki gerçek değişimlerin görselleştirilmesini sağlar. Veri görselleştirme, iletişim, eğitim ve sosyal yardım çabaları için diğer birçok plankton zaman serisi için kullanılabilecek bir yaklaşımı temsil eder.
Introduction
Fitoplanktonlar, sucul ekosistemlerdebesin ağının tabanını temsil eden birincil üreticilerdir 1,2. Fitoplankton izleme programları, deniz ekosistemlerindeki mevcut ve gelecekteki değişiklikleri belirlemenin anahtarı olsa da, destekleri zamanla azalmaktadır 3. Nispeten kısa üretim süreleri ve sınırlı hareketlilikleri nedeniyle, fitoplanktonlar iklim değişikliğine özellikle duyarlıdır ve bu da onları zaman serisi izlemede önemli bir araç haline getirir. Fitoplankton zaman serileri, kaynak mevcudiyetinin ekosistem tabanlı yönetimini bilgilendirmek ve deniz ısı dalgaları gibi epizodik olaylar için bağlam sağlamak için de önemlidir4. Kısa vadeli zaman serileri, yıllar konusunda, fitoplankton topluluğu ardıllığı ve mevsimsel dinamikler hakkında fikir verirken (örneğin, ref.5,6), Bermuda Atlantik Zaman Serisi (BATS) ve Hawaii Okyanus Zaman Serisi (HOTS) Programları gibi uzun vadeli zaman serileri, yirmi yıldan fazla bir süreyi kapsar ve uzun vadeli eğilimlerin tespit edilmesini sağlar 7,8. Bu tür çalışmalar, dinamik deniz ortamlarında uzun vadeli ekosistem değişiminin tam olarak anlaşılması için yüksek oranda çözülmüş bir fitoplankton kaydının yararını ve önemini göstermektedir. Ayrıca, çıplak gözle görülemeyen fitoplanktondaki bu değişiklikleri görselleştirmek ve iletmek, balık ve balinalar gibi büyük ve kolayca görülebilen organizmalara göre daha zordur. Bilgisayar görselleştirmeleri, karmaşık veri kümelerini keşfetmek için bir teknik sunar9 ve geliştirilmiş açıklayıcı grafikler hazır hale gelmektedir (örneğin, Entegrasyon ve Uygulama Ağı, Maryland Üniversitesi Çevre Bilimleri Merkezi). Bununla birlikte, burada atıfta bulunulanlar da dahil olmak üzere, fitoplankton ekolojisindeki çoğu çalışma, sonuçları yalnızca genel izleyicilere erişilebilirliklerini azaltan veri grafikleri olarak sunmaktadır. Fitoplanktonların çoğu deniz sisteminde besin ağının temelini temsil ettiği göz önüne alındığında, kıyı okyanusunda yaşayan yaklaşık 2,4 milyar insana önemlerini iletmek kritik öneme sahiptir10. Burada, bir fitoplankton izleme programı tarafından toplanan fitoplanktonun çeşitliliğini ve büyüklüğünü görselleştirmek amacıyla bir protokol geliştirdik.
Narragansett Körfezi Plankton Zaman Serisi (NBPTS), iklim bağlamında küresel değişimin fitoplankton bolluğu, mevsimsellik ve fenoloji (yaşam öyküsü) üzerindeki etkileri hakkında uzun vadeli 60+ yıllık (1959’dan günümüze) bir bakış açısı sağlar. Narragansett Körfezi (NBay), ABD Kuzeydoğu Sahanlığı ve Kuzeybatı Atlantik’in daha geniş sistemlerine bağlı bir kıyı halicidir ve üretimi, kıyı ABD boyunca balıkçılık ve insan kullanımı için önemli etkilere sahiptir.11. NBay, bölgede uzun süreli (1950-2015) ısınma sularının yanı sıra besin maddelerindeki değişimler ve su berraklığında artış yaşayan oldukça mevsimsel bir sistem olarak kabul edilir12,13. Ek olarak, kısmen atık su arıtma tesislerindeki yükseltmelere atfedilen çözünmüş inorganik nitrojendeki antropojenik düşüşlerle ilgili olarak üst NBay’de fitoplankton biyokütlesinde bir düşüş meydana gelmiştir12. Fitoplankton taksonlarındaki değişimler, özellikle zararlı alg patlamaları (HAB’ler) da NBay’de meydana gelmektedir. ABD’nin batı kıyısı boyunca yükselen bölgelerde yaygın toksik çiçekler üreten Pseudo-nitzschia spp., 2016 ve 2017’de NBay tarihinde ilk kez kayda değer kabuklu deniz hayvanlarının kapanmasına yol açtı 14,15,16. Bu değişiklikleri farklı kitlelere iletmek, bilim okuryazarlığını artırmak ve fitoplankton izleme çalışmalarının sürekli desteğini teşvik etmek için önemlidir.
Bu projenin amacı, fitoplanktonun önemini genel izleyicilere iletmek ve geliştirmek için NBay’de meydana gelen fitoplankton taksonlarında ve biyokütlede meydana gelen gerçek değişimleri görselleştirmek için NBay’den fitoplanktonun mikroskobik görüntülerini ve NBPTS’den sentezlenen verileri kullanmaktı. NBPTS, (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/) verilerinden yararlanmak için 60+ yıllık halka açık haftalık fitoplankton sayımları ve biyokütle sağlar. Nihai ürün, sanat eserinin içindeki zaman serisi verilerini (örneğin, fitoplankton biyokütlesi ve taksonları, sıcaklık) temsil eden plankton desenlerinden oluşan büyük bir duvar resmiydi. Bu yaklaşım, dünyadaki diğer birçok plankton zaman serisi için kullanılabilecek ve kısa vadeli, mevsimsel verilerle izleme programları için de uyarlanabilen bir görselleştirme yöntemini temsil eder. Bu protokolün uygulanmasının faydaları arasında veri görselleştirme, bilim iletişimi, eğitim ve yerel topluluklarla etkileşim çabalarının artırılması yer alıyor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokolün kritik adımları, fitoplanktonların mikroskobik görüntülerinin elde edilmesini ve bunların vektör grafiklerine dönüştürülmesini içerir. Çıplak gözle fark edilemeyen fitoplankton görüntülerinin duvar üzerinde büyüteç olmadan görülebilecek büyüklükte yapılması, izleyici için hayata geçirilmesine yardımcı olur. Bu duvar resmini sadece bir sanat eseri olarak değil, aynı zamanda bir veri görselleştirme yöntemi olarak gerçekleştirmek için, gözlemlenen verileri projeye dahi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma Ulusal Bilim Vakfı (OIA-1655221, OCE-1655686) ve Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U) tarafından desteklenmiştir. Saha yardımı sağlayan çok sayıda kaptana ve 1970’ten beri veri toplayan birçok öğrenci ve araştırmacıya teşekkür ederiz. Plankton duvar resmini üreten Vis-A-Thon projesini geliştirdikleri için Stewart Copeland ve Georgia Rhodes’a ve proje geliştirme sırasındaki sanatsal rehberliği için Rhode Island Tasarım Okulu’ndan Rafael Attias’a teşekkür ederiz.
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).
