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要約

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。

要約

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。

概要

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。

プロトコル

1. 植物プランクトン画像のベクター画像化

  1. ナラガンセット湾の長期プランクトン時系列(NBPTS)から撮影した植物プランクトンの顕微鏡画像を、.JPGファイル、.PNGファイル、または.PDFファイルとして選択します(図1A)。
    注:分類群には、Thalassiosira nordenskioeldii、Thalassionema nitzschioides、Tripos spp.、Odontella aurita、Skeletonema species complex、Chaetoceros diadema、Eucampia zodiacus、Dinophysis spp.、およびPseudo-nitzschia spp.が含まれます。画像は光学顕微鏡で撮影しました。
  2. 特定のソフトウェア、ベクターグラフィックエディタ、またはこの研究に使用したイラストレーターを開きます( 材料表を参照)。ベクターグラフィックソフトウェアは、原稿でさらにイラストレーターとして言及されています。
  3. .JPGまたは.PNG微細な画像を Illustrator のワークスペースに配置するには、コンピューターからファイルを開くか、新しいワークスペースにドラッグ&ドロップします。
  4. [表示] > [透明グリッドの表示] に移動して、透明度を示すチェッカーボードの背景を表示します。
  5. ドロップダウンメニューの 「ウィンドウ」>「画像トレース 」をクリックして、「画像トレース」ウィンドウを開きます。
  6. ツールバーの選択ツール(黒い矢印)をクリックし、 植物プランクトンの画像をクリックします。
  7. ドロップダウンメニューの[ オブジェクト]>[展開 ]をクリックします。
  8. ツールバーのダイレクト選択ツール(白い矢印)を使用して、植物プランクトンの周囲を取り除く画像の背景部分をクリックして選択します。 Delete キーを押します。
  9. 画像の背景領域ごとに繰り返します。
  10. [ ファイル] > [エクスポート ] をクリックして、ファイルを.PNGファイルとして保存します。[背景の透明化] ボックスが選択されていることを確認します。
  11. 背景.PNG除去した微細な画像を、コンピューターからファイルを開くか、新しいワークスペースにドラッグ&ドロップして、Illustrator の新しいワークスペースに配置します。
  12. ドロップダウンメニューの [Window > Image Trace ]をクリックして、[Image Trace]ウィンドウを開きます。
  13. [Image Trace] オプションで、[ Preset > Black and White Logo and Mode > Black and White] をクリックします。
  14. Threshold(しきい値)とAdvanced(詳細)オプション(パス、コーナー、ノイズ)を使用して、画像を微調整します。
  15. [プロパティ] で [展開 ] を選択してベクトル化します。
  16. [ 表示] > [透明グリッドを表示] を選択します。
  17. ベクター画像をクリックし、右クリックして[グループ解除]を選択します。
  18. ツールバーのダイレクト選択ツール(白い矢印)を選択します。ドラッグして、空白のみを囲むようにボックスを描画します。 削除 を押すと削除されます。
  19. すべての空白が削除されるまで繰り返します。
  20. 「 ファイル」(File) > 「名前を付けて保存」(Save As) の 順にクリックし、 を選択します。ベクターグラフィックとして保存するEPS。
  21. 1.1の植物プランクトン分類群についても繰り返します(図1B)。

2. 植物プランクトンパターンの作成

  1. 1970-1979年(1970年代)、1990-1999年(1990年代)、2010-2019年(2010年代)の各分類群の平均存在量を求めるために、NBPTSデータセットの植物プランクトン数データを利用します。
  2. 統計ソフトウェアプログラムで、各植物プランクトン分類群の平均±標準偏差を「mean()およびsd()」とクリックまたは入力して計算します。
  3. 「aov()」をクリックまたはタイプして、ANOVAを使用して、統計ソフトウェアプログラムの数十年間の有意差を検定します。
    注:一部の種(例えば、 Tripos spp.、 Chaetoceros diadema)は、1990年代に十分なサンプルサイズを持っていません。この場合、統計ソフトウェアプログラムで「t.test()」をクリックするか、入力して、1970年代と2010年代の平均存在量を比較します。
  4. ツールバーの「アートボードツール」(四角)を使用してクリックし、この研究で使用した特定のイラストレーターの新しいワークスペースに新しい アートボード を作成します。
  5. 同じサイズのアートボードを 3 つ作成します。 [プロパティ] > [変換] でサイズを調整します。
    注:このプロジェクトでは、植物プランクトン画像のアートボードは1224ピクセル×545ピクセルでした。
  6. をドラッグ&ドロップします。異なる植物プランクトン分類群の EPS ファイルを 3 つのアートボードに表示します。
  7. ダイレクト選択ツール(白い矢印)を使用して個々の植物プランクトンの周囲にボックスを描画し、10年を代表するさまざまな色で植物プランクトンに色を付けます。
  8. [プロパティ]で [塗りつぶし ]を選択し、カラーパレットから目的の色をクリックします。 [Enter ]を押してベクトルを塗りつぶします。
  9. 選択ツール(黒い矢印)を使用して特定の植物プランクトンをハイライト表示し 、「編集」>「コピー」および「貼り付け>編集」を選択します。
  10. 各植物プランクトンベクターを、30年ごとに2.2で決定されたデータセット内の各分類群の相対的な割合に基づいて定性的に貼り付けます(図1C)。
    注:各パネルの植物プランクトンの存在量は、表1の定性的表現です。例えば、1990 年代よりも 2010 年代に Pseudo-nitzschia spp. の個体数が多い場合は、1990 年のアートボードよりも 2010 年のアートボードに多くの Pseudo-nitzschia グラフィックをコピーします。
  11. [オブジェクト>パターン>作成]を選択して、30 年ごとの色見本植物プランクトン パターンを作成します。

3. 植物プランクトンバイオマスと気温データの取り込み

  1. 「mean()」をクリックまたは入力すると、統計ソフトウェアプログラムで10年ごとの各週の平均クロロフィル a (chl a、植物プランクトンバイオマスのプロキシ)が計算されます。
  2. 統計ソフトウェアプログラムで「plot()」をクリックまたは入力して、各週(独立変数)ごとの10年平均バイオマス(従属変数)をグラフ化し、[グラフを.JPGまたは.PNGとして 保存 ]をクリックします。
  3. 10 年 バイオマス図の.JPGまたは.PNGを、コンピューターからファイルを開くか、新しいワークスペースにドラッグアンドドロップして、イラストレーターのワークスペースに配置します。
  4. 手順 1.3 から 1.8 を繰り返して、3 つの chl a 季節サイクルのそれぞれをベクトル化します。
    1. [ 表示] > [透明グリッドの表示 ] に移動して、透明度を示すチェッカーボードの背景を表示します。
    2. ドロップダウンメニューの [ウィンドウ]>[画像トレース ]をクリックして、[画像トレース]ウィンドウを開きます。
    3. ツールバーの選択ツール(黒い矢印)をクリックし、画像をクリックします。
    4. ドロップダウンメニューの[ Object > Expand ]をクリックします。
    5. ツールバーのダイレクト選択ツール(白い矢印)を使用して、画像の背景部分をクリックして選択し、季節のサイクルを示す線の周りを削除します。 Delete キーを押します。図の背景領域ごとに繰り返します。
    6. [ファイル]>[エクスポート]をクリックして、ファイルを.PNGファイルとして保存します。[背景の透明化] ボックスが選択されていることを確認します。
    7. コンピューターからファイルを開くか.PNG新しいワークスペースにドラッグ&ドロップして、背景を削除したフィギュアを特定のイラストレーターの新しいワークスペースに配置します。
    8. ドロップダウンメニューの 「ウィンドウ>画像トレース 」をクリックして、「画像トレース」ウィンドウを開きます。
    9. [プロパティ] で [展開 ] を選択してベクトル化します。
    10. [ 表示] > [透明グリッドの表示] を選択します。
    11. ベクター画像をクリックし、右クリックして[グループ解除]を選択します。
    12. ツールバーのダイレクト選択ツール(白い矢印)を選択します。ドラッグして、空白のみを囲むようにボックスを描画します。 削除 を押すと削除されます。
    13. 1970年代、1990年代、2010年代の各行のすべての空白が削除されるまで繰り返します。
    14. 「 ファイル」>「名前を付けて保存」をクリックし、 を選択します。EPSを使用して、各行を個別のベクターグラフィックとして保存します。
  5. ツールバーの「アートボードツール」(四角)を使用してクリックドラッグし、新しいイラストレーターワークスペースに新しいアートボードを作成します。
  6. 同じサイズのアートボードを 3 つ作成します。 [プロパティ] > [変換] でサイズを調整します。
    注: このプロジェクトでは、サイズは 1224 x 3456 ピクセルでした。
  7. chl a の 1 つをドラッグ アンド ドロップします。EPS ファイルを 3 つのアートボードの 1 つにそれぞれコピーします。
  8. 「付箋アイコン」をクリックして新しいレイヤーを作成します。
  9. ツールバーの長方形ツールを使用して、新しいレイヤー内に長方形を作成します。
  10. 長方形を水色のグラデーションで塗りつぶすには、ツールバーのグラデーションツールを使用します。
  11. ベクター化された傾向線をコピーし、長方形を含むレイヤーに追加します。
  12. ツールバーの「線分」ツールを使用して、傾向線にアタッチされたボックスを作成します。Shift キーを押したままにすると、線がまっすぐ整列します。
  13. コントロールキーを押して、レイヤー内の線、長方形、傾向線を含むすべてのコンポーネントを選択します。
  14. 「オブジェクト>クリッピングマスク」>「作成」を選択します。これにより、図形の上部の塗りつぶしが削除されます。
  15. 2.11 から色見本として保存された植物プランクトン パターンで形状を塗りつぶします。
  16. このプロセスを30年ごとに繰り返します。
  17. 手順 3.9 と 3.10 を繰り返して、赤から青への色のグラデーションで色付けされた長方形を作成し、3 つの 10 年規模のパネル全体で温水温度を表します。
  18. オブジェクトを右クリックして、植物プランクトンパターンの後ろに戻します。

4. 植物プランクトンパネルにディテールを加える

  1. 撮影した植物プランクトンの画像を植物プランクトンのパターンに追加するには、[ 開く ]を選択し、 画像ファイル をクリックして、ここで使用するイラストレーターで開きます。
  2. ツールバーの楕円ツールで円を作成し、植物プランクトンの画像の上に重ねます。
  3. Shiftキーを押しながらシェイプと画像の両方を選択し、メニューで [オブジェクト>クリッピングマスク]>[作成 ]をクリックして、シェイプを画像で塗りつぶします。
  4. 選択した植物プランクトンの画像について繰り返し、30年間にわたって分布して、虫眼鏡で植物プランクトンを拡大したように見えます(図1D)。
    注:手順1.3〜1.8を繰り返して、ボートや鳥の芸術的な要素をパネルに追加して、季節のサイクルを海の波のように見せることができます。
  5. ツールバーの「長方形ツール」を使用して、10年のアートボードのそれぞれにテキストボックスを作成します。
  6. 「文字ツール」(T)を使用して、各10年に関する情報テキストをクリックして入力します。各 10 年の上部に 10 年の名前をテキストを追加し、3 つのパネルのそれぞれの下部に対応する季節の名前を追加します。
  7. ワークスペースを illustrator に保存します。

5. 壁画制作

  1. 保存した illustrator ファイルを読み込み、完了した 3 年間のみをインポートするように選択します。すべて選択し、.PDFファイルとしてエクスポートします。
  2. プランクトンパターン.PDFファイルを大判プロッターで開き、3 つの 10 年アートボードを 96 インチ x 34 インチのパネルに拡大/縮小します。
  3. ヘビーウェイト紙にパネルを印刷し、吊り下げ金具で取り付けます。

結果

その結果、1970年代から1990年代、2010年代にかけて植物プランクトンのバイオマスが減少していることが分かりました(図1)。すべての年で、クロロフィルa(chl a)濃度の二峰性ピークが示され、最初のピークは冬に発生し、2番目のピークは夏に発生しました。1970年代は、夏よりも冬の方が平均chl aが高かった。逆に、1990年代は夏よりも冬の方がchl a

ディスカッション

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、?...

開示事項

著者は、宣言すべき利益相反を持っていません。

謝辞

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。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Adobe IllustratorAdobeversion 23.0.6Free alternatives include: Inkscape, GIMP, Vectr, Vectornator
Eclipse E800NikonECLIPSE Ni/Ci Upright MicroscopeNow succeeded by Eclipse Ni-U
Epson Large Format PrinterEpsonSCT5475SR
Heavy Matte PaperEpsonS041596
RStudioRstudio, PBCversion 2022.07.1Any statistical software tool will suffice

参考文献

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