Visualizzazione di dati oceanografici per rappresentare i cambiamenti a lungo termine nel fitoplancton

Riepilogo

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.

Introduzione

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 costiero^{è 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'acqua^12,13. 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.

Protocollo

1. Conversione di immagini di fitoplancton in grafica vettoriale

1. Selezionare le immagini microscopiche del fitoplancton prese dalla serie temporale del plancton a lungo termine della baia di Narragansett (NBPTS) come file .JPG, .PNG o .PDF (Figura 1A).
   NOTA: I taxa includono Thalassiosira nordenskioeldii, Thalassionema nitzschioides, Tripos spp., Odontella aurita, Skeletonema species complex, Chaetoceros diadema, Eucampia zodiacus, Dinophysis spp. e Pseudo-nitzschia spp. Le immagini sono state scattate con un microscopio ottico.
2. Aprire un software specifico per l'editor di grafica vettoriale o l'illustratore utilizzato per questo studio (vedere la tabella dei materiali). Il software di grafica vettoriale è stato menzionato come illustratore più avanti nel manoscritto.
3. Inserite un'immagine microscopica .JPG o .PNG nell'area di lavoro di Illustrator aprendo un file dal computer o trascinandolo in una nuova area di lavoro.
4. Vai a Visualizza > Mostra griglia di trasparenza per visualizzare lo sfondo a scacchiera che indica la trasparenza.
5. Fare clic su Finestra > Ricalco immagine nel menu a discesa per aprire la finestra Ricalco immagine.
6. Fare clic sullo strumento Selezione (freccia nera) nella barra degli strumenti e fare clic sull'immagine del fitoplancton.
7. Fare clic su Oggetto > Espandi nel menu a discesa.
8. Usa lo strumento selezione diretta (freccia bianca) nella barra degli strumenti per fare clic e selezionare le parti di sfondo dell'immagine da eliminare intorno al fitoplancton. Premere Canc.
9. Ripetere l'operazione per ogni area di sfondo dell'immagine.
10. Fare clic su File > Esporta per salvare il file come file .PNG. Assicurarsi che la casella Sfondo trasparente sia selezionata.
11. Posiziona .PNG'immagine microscopica con lo sfondo rimosso in una nuova area di lavoro in Illustrator aprendo il file dal computer o trascinandolo in una nuova area di lavoro.
12. Fare clic su Finestra > Ricalco immagine nel menu a discesa per aprire la finestra Ricalco immagine.
13. Sotto le opzioni Ricalco immagine, fare clic su Predefinito > Logo in bianco e nero e Modalità > Bianco e nero.
14. Utilizzare le opzioni Soglia e Avanzate (ad esempio, Tracciati, Angoli e Disturbo) per perfezionare l'immagine.
15. In Proprietà, selezionare Espandi per vettorizzarlo.
16. Selezionare Visualizza > Mostra griglia di trasparenza.
17. Fare clic sull'immagine vettoriale, quindi fare clic con il pulsante destro del mouse e selezionare Separa.
18. Scegliete lo strumento selezione diretta (freccia bianca) nella barra degli strumenti. Trascina e disegna un riquadro solo attorno allo spazio bianco. Premere Elimina per rimuoverlo.
19. Ripetere l'operazione fino a rimuovere tutti gli spazi vuoti.
20. Fare clic su File > Salva con nome e selezionare . EPS da salvare come grafica vettoriale.
21. Ripetere per i taxa di fitoplancton da 1.1 (Figura 1B).

2. Creazione di modelli di fitoplancton

1. Utilizza i dati di conteggio del fitoplancton dal set di dati NBPTS per determinare l'abbondanza media di ciascun taxon dal 1970-1979 (1970), 1990-1999 (1990) e 2010-2019 (2010).
2. Calcola la media ± la deviazione standard per ciascun taxa di fitoplancton per ogni decennio in un programma software statistico facendo clic o digitando "mean() and sd()".
3. Fare clic o digitare 'aov() ' per utilizzare un'ANOVA per testare le differenze significative tra i decenni in un programma software statistico.
   NOTA: Alcune specie (ad esempio, Tripos spp., Chaetoceros diadema) non hanno campioni di dimensioni sufficientemente grandi negli anni '90. In questo caso, fai clic o digita "t.test()" in un programma software statistico per confrontare le abbondanze medie negli anni '70 con quelle del 2010.
4. Usa lo "Strumento Tavola da disegno" (quadrato) nella barra degli strumenti per fare clic e creare una nuova tavola da disegno in una nuova area di lavoro dell'illustratore specifico utilizzato in questo studio.
5. Crea tre tavole da disegno identiche della stessa dimensione. Regolare le dimensioni all'interno di Proprietà > Trasforma.
   NOTA: Per questo progetto, le tavole da disegno per le immagini del fitoplancton erano 1224 px per 545 px.
6. Trascina e rilascia il file . EPS dei diversi taxa di fitoplancton sulle tre tavole da disegno.
7. Colora il fitoplancton con diversi colori rappresentativi del decennio utilizzando lo strumento Selezione diretta (freccia bianca) per disegnare un riquadro attorno a un singolo fitoplancton.
8. In Proprietà, selezionare Riempimento , quindi fare clic sul colore desiderato dalla tavolozza dei colori. Premere Invio per riempire il vettore.
9. Usa lo strumento Selezione (freccia nera) per evidenziare un particolare fitoplancton, quindi seleziona Modifica > Copia e Modifica > Incolla.
10. Incollare qualitativamente ogni vettore di fitoplancton in base alle proporzioni relative di ciascun taxa nel set di dati, come determinato in 2.2 per ciascuna delle tre decadi (Figura 1C).
    NOTA: L'abbondanza di fitoplancton su ciascun pannello è una rappresentazione qualitativa della Tabella 1. Ad esempio, se negli anni 2010 si osserva un'abbondanza maggiore di Pseudo-nitzschia spp. rispetto agli anni '90, copiare più grafica di Pseudo-nitzschia sulla tavola da disegno del 2010 rispetto alla tavola da disegno del 1990.
11. Selezionare Oggetto > Motivo > Crea per creare un modello di fitoplancton campione di colore per ciascuna delle tre decadi.

3. Incorporare i dati sulla biomassa e sulla temperatura del fitoplancton

1. Fai clic su o digita 'mean()' per calcolare la clorofilla media a (chl a, proxy per la biomassa del fitoplancton) per ogni settimana di ogni decennio in un programma software statistico.
2. Fare clic o digitare 'plot()' in un software statistico per rappresentare graficamente la biomassa decennale media (variabile dipendente) per ogni settimana (variabile indipendente) e fare clic su Salva il grafico come .JPG o .PNG.
3. Posiziona una .JPG o .PNG della figura di biomassa decennale nell'area di lavoro di Illustrator aprendo il file dal computer o trascinandolo in una nuova area di lavoro.
4. Ripetere i passaggi da 1.3 a 1.8 per vettorializzare ciascuno dei tre cicli stagionali di chl a .
   1. Vai a Visualizza > Mostra griglia di trasparenza per visualizzare lo sfondo a scacchiera che indica la trasparenza.
   2. Fare clic su Finestra > Ricalco immagine nel menu a discesa per aprire la finestra Ricalco immagine.
   3. Fare clic sullo strumento Selezione (freccia nera) nella barra degli strumenti e fare clic sull'immagine.
   4. Fare clic su Oggetto > Espandi nel menu a discesa.
   5. Usate lo strumento selezione diretta (freccia bianca) nella barra degli strumenti per fare clic e selezionare le parti di sfondo dell'immagine da eliminare intorno alla linea che indica il ciclo stagionale. Premere Canc. Ripetere l'operazione per ogni area di sfondo della figura.
   6. Fare clic su File > Esporta per salvare il file come file .PNG. Assicurarsi che la casella Sfondo trasparente sia selezionata.
   7. Posiziona .PNG figura con lo sfondo rimosso in una nuova area di lavoro dell'illustratore specifico utilizzato aprendo il file dal computer o trascinandolo in una nuova area di lavoro.
   8. Fare clic su Finestra > Ricalco immagine nel menu a discesa per aprire la finestra Ricalco immagine.
   9. In Proprietà, selezionare Espandi per vettorizzarlo.
   10. Selezionare Visualizza > Mostra griglia di trasparenza.
   11. Fare clic sull'immagine vettoriale, quindi fare clic con il pulsante destro del mouse e selezionare Separa.
   12. Scegliete lo strumento selezione diretta (freccia bianca) nella barra degli strumenti. Trascina e disegna un riquadro solo attorno allo spazio bianco. Premere Elimina per rimuoverlo.
   13. Ripeti fino a quando tutti gli spazi bianchi non vengono rimossi per ciascuna delle righe degli anni '70, '90 e 2010.
   14. Fare clic su File > Salva con nome e selezionare . EPS per salvare ogni riga come grafica vettoriale separata.
5. Usa lo "strumento Tavola da disegno" (quadrato) nella barra degli strumenti per fare clic su Trascina e crea una nuova tavola da disegno in una nuova area di lavoro di Illustrator.
6. Crea tre tavole da disegno identiche della stessa dimensione. Regolare le dimensioni all'interno di Proprietà > Trasforma.
   NOTA: Per questo progetto, le dimensioni erano 1224 px per 3456 px.
7. Trascina e rilascia uno dei chl a . EPS su una delle tre tavole da disegno, rispettivamente.
8. Crea un nuovo livello facendo clic sull'icona della nota adesiva.
9. Crea un rettangolo all'interno del nuovo livello con lo strumento Rettangolo dalla barra degli strumenti.
10. Riempi il rettangolo con una sfumatura azzurra utilizzando lo strumento Sfumatura dalla barra degli strumenti.
11. Copiare la linea di tendenza vettorizzata e aggiungerla al livello con il rettangolo al suo interno.
12. Usa lo strumento "Segmento di linea" dalla barra degli strumenti per creare un riquadro collegato alla linea di tendenza. Tieni premuto Maiusc per rendere le linee dritte e allineate.
13. Premere il tasto Ctrl e selezionare tutti i componenti, comprese le linee, il rettangolo e la linea di tendenza all'interno del livello.
14. Selezionare Oggetto > maschera di ritaglio > creare. Questo rimuoverà il riempimento superiore della forma.
15. Riempi la forma con il motivo di fitoplancton salvato come campione di colore dalla versione 2.11.
16. Ripeti questo processo per ciascuna delle tre decadi.
17. Ripetere i passaggi 3.9 e 3.10 per creare un rettangolo colorato con una sfumatura di colore da rosso a blu per rappresentare la temperatura dell'acqua calda nei tre pannelli decennali.
18. Fare clic con il pulsante destro del mouse sull'oggetto e spostarlo di nuovo dietro i modelli di fitoplancton.

4. Aggiunta di dettagli ai pannelli di fitoplancton

1. Per aggiungere immagini di fitoplancton fotografato ai modelli di fitoplancton, selezionare Apri e fare clic sul file immagine per aprirlo nell'illustratore utilizzato qui.
2. Crea un cerchio con lo strumento Ellisse dalla barra degli strumenti e sovrapponilo all'immagine del fitoplancton.
3. Tieni premuto il tasto Maiusc per selezionare sia la forma che l'immagine, quindi nel menu fai clic su Oggetto > Maschera di ritaglio > Crea per riempire la forma con l'immagine.
4. Ripetere l'operazione per selezionare le immagini del fitoplancton e distribuirle nei tre decenni in modo da sembrare una lente d'ingrandimento che ingrandisce il fitoplancton illustrativo (Figura 1D).
   NOTA: I passaggi da 1.3 a 1.8 possono essere ripetuti per aggiungere elementi artistici di barche e uccelli ai pannelli per rendere i cicli stagionali simili alle onde dell'oceano.
5. Usa lo strumento "Rettangolo" dalla barra degli strumenti per creare una casella di testo su ciascuna delle tavole da disegno del decennio.
6. Usa lo "Strumento Testo" (T) per fare clic e digitare il testo informativo su ogni decennio. Aggiungi il testo all'inizio di ogni decennio con il nome del decennio e aggiungi i nomi delle stagioni corrispondenti nella parte inferiore di ciascuno dei tre pannelli.
7. Salvate l'area di lavoro nell'illustratore.

5. Produzione murale

1. Importate il file Illustrator salvato e selezionate questa opzione per importare solo le tre decadi completate. Seleziona tutto ed esporta come file .PDF.
2. Aprite il file .PDF del motivo del plancton con un plotter di grande formato per ridimensionare le tre tavole da disegno decennali in pannelli da 96 pollici per 34 pollici.
3. Stampare i pannelli su carta pesante e installarli con la ferramenta sospesa.

Risultati

I risultati documentano un declino della biomassa di fitoplancton dagli anni '70 agli anni '90 e agli anni 2010 (Figura 1). Tutti i decenni hanno mostrato un picco bimodale nella concentrazione di clorofilla a (chl a) con il primo picco che si verifica in inverno e il secondo che si verifica in estate. Gli anni '70 hanno mostrato una media di chl a più alta in inverno che in estate. Al contrario, gli anni '90 hanno mostrato una minore chla in inverno risp...

Discussione

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...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
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