Ночная дискотека в лесу раскрывает состояние деревьев

Группа из Лаборатории оптики фотосинтеза (OPL) разработала новый метод измерения слабого, но важного сигнала, производимого всеми растениями, включая деревья. Этот сигнал — флуоресценция хлорофилла, излучение в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Она связана с фотосинтезом и состоянием здоровья растений, и её можно измерять дистанционно — с вышек, дронов, самолётов и спутников. Однако интерпретация сигнала сложна, и до сих пор его удавалось измерять только в отдельных спектральных диапазонах у взрослых деревьев в естественных условиях.

Новая методика OPL впервые позволила дистанционно наблюдать полный спектр флуоресценции взрослых деревьев в лесу. Измерение всего спектра излучения раскрывает информацию как о продуктивности растений (как они фотосинтезируют), так и об их структуре.

Проблема традиционных методов дистанционного зондирования заключалась в том, что днём большая часть флуоресценции остаётся невидимой, поскольку сигнал чрезвычайно слаб по сравнению с солнечным светом. Поэтому измерение флуоресценции днём, так называемой Solar-Induced Fluorescence (SIF), требует крайне чувствительного и специализированного оборудования. Новая техника отличается от предыдущих подходов использованием коммерчески доступных LED-технологий, которые буквально освещают лес ночью, чтобы выявить полный спектр излучения целых деревьев.

«Мы поняли, что можем использовать ночь как «естественный светофильтр». Мы отправились в лес ночью, закрепили на вышке мощный источник света с ограниченным спектром (коммерческий свет типа дискотечного), который возбуждал флуоресценцию. Затем мы использовали специальный научный прибор — спектрорадиометр, также установленный на вышке, чтобы наблюдать сигнал», — описывает Джон Атертон, исследователь из OPL Университета Хельсинки.

Сочетание ночи и искусственного света упрощает задачу: измерение SIF ночью можно проводить с помощью потенциально более дешёвых (менее чувствительных) приборов, и данные легче интерпретировать.

Связь флуоресценции и наземных поглотителей углерода

Это достижение приближает нас на шаг к «наблюдению за фотосинтезом» по свету, излучаемому растениями, как на малых масштабах (теплицы, посевы, лесные участки), так и глобально — с помощью спутников. Европейское космическое агентство готовит миссию спутника FLEX, цель которой — глобальное картирование флуоресценции. Есть надежда, что флуоресценция будет использоваться для регулярной оценки фотосинтеза растений из космоса — процесса, который движет наземным углеродным циклом.

Роль лесов в поглощении и усвоении атмосферного углерода критически важна. Измерение обмена углекислым газом между лесами и атмосферой осуществляется с помощью дорогостоящего оборудования в конкретных местах (на станциях flux tower), что даёт локализованные оценки потоков углерода. Именно здесь в игру вступает флуоресценция, предоставляя удобный для дистанционного зондирования способ оценки фотосинтеза по всей территории, заполняя пробелы в покрытии между станциями.

«Именно возможность измерять флуоресценцию из космоса действительно мотивировала нас на эту работу, хотя наши результаты могут иметь и другие применения, например, в фенотипировании, точном земледелии или лесных питомниках. Мы надеемся, что наши данные могут быть использованы для улучшения алгоритмов, применяемых для «извлечения» флуоресценции из космических данных. Такие алгоритмы работают иначе, чем наш спектральный метод, поскольку они используют тёмные атмосферные «линии» для оценки флуоресценции. Следовательно, полный спектр излучения остаётся фактически скрытым в спутниковых данных, и именно это раскрывают наши данные», — добавляет Джон Атертон.

Техника Light Emitting Diode Induced Fluorescence (LEDIF) должна обеспечить значительный скачок вперёд в интерпретации этих сложных данных.