Использование отражения света от листьев для изучения биоразнообразия и характеристик растений

Исследователи из Лабораторий дистанционного зондирования Университета Цюриха (UZH) используют спектрометры для измерения света, отраженного листьями. Это дает представление о химических и структурных свойствах растений — даже из космоса. «Спектр подобен отпечатку пальца, уникальному для каждого растения», — объясняет профессор Мередит Шуман.

Такой мониторинг растительности с помощью спутников, самолетов и дронов известен как дистанционное зондирование. Он может стать важным инструментом в борьбе с кризисом биоразнообразия, позволяя отслеживать состояние и видовой состав экосистем почти в реальном времени.

Калибровка полевыми измерениями

Для правильной интерпретации спектральных данных необходимы референсные данные с местности. Компьютерные модели помогают найти соответствие между спектральными и полевыми данными. Пигменты, такие как зеленый хлорофилл, идентифицировать проще всего, поскольку они поглощают определенные длины волн.

Спектрометрия охватывает не только видимый свет, но и другие части спектра, например, инфракрасный свет. Листья особенно сильно отражают инфракрасные лучи в ближнем инфракрасном спектре. «Мы называем эту переходную область "красным краем"», — говорит Шуман. Этот паттерн отражения дает информацию о содержании хлорофилла и восковом слое на поверхности листьев.

Группа Шуман работает над получением информации о генетических профилях растений из спектральных данных. Это позволит изучать генетические различия внутри видов и делать выводы о генетическом разнообразии. Долгосрочное исследование буков в горном массиве Лягерн показало, что спектральные данные о содержании воды, фенолах, пигментах и составе воска являются подходящими индикаторами для получения информации о генетической структуре флоры.

Генетическое разнообразие внутри вида особенно важно, поскольку большой генофонд дает растениям больше возможностей реагировать на негативные факторы, такие как вредители или засуха. «Если мы теряем генетическое и видовое разнообразие, экосистемы теряют способность поглощать внешние потрясения», — объясняет Анна Швайгер.

Исследователи также сочетают спектроскопию с лазерным сканированием (лидаром), которое измеряет отраженный лазерный луч и фиксирует топографию и высоту растительности. «3D-модели, которые мы рассчитываем на основе этого, дают представление о макроструктуре — структуре растений, видимой глазу, — а также о том, как она влияет на спектральные данные», — говорит Шуман. Это сочетание позволяет рассчитывать биомассу и количество запасенного углерода.

Разнообразие растительных сообществ

Исследователи также сравнивают спектры между собой. «Растения со схожими характеристиками и родственные виды демонстрируют похожие спектры», — объясняет Швайгер.

Она разработала индекс спектрального разнообразия, который показывает разнообразие как внутри растительных сообществ (альфа-разнообразие), так и между ними (бета-разнообразие). Разрешение спектральных данных критически важно. «Нам нужно чрезвычайно высокое разрешение, чтобы идентифицировать отдельные растения, что необходимо для оценки альфа-разнообразия. Это означает, что на пиксель должно приходиться только одно растение», — говорит Швайгер.

Спектрометры на спутниках (разрабатываемые NASA и ESA) записывают поверхность Земли фрагментами 30 x 30 метров. «С этими большими пикселями, захватывающими множество отдельных экземпляров, легко сравнивать различия в видовом составе между растительными сообществами, то есть бета-разнообразие», — поясняет Швайгер.

От листа к почве

В будущем листья смогут предоставлять информацию даже о качестве почвы, поскольку растения вносят основной вклад в ее характеристики. «Отмершая растительность, например, влияет на почвенные процессы и активность микроорганизмов», — говорит Швайгер. Результаты исследований показывают, что взаимосвязи между растительностью и почвенными процессами различаются в зависимости от экосистемы.

Шуман хотела бы расширить дистанционное зондирование до определенных химических соединений, которые выделяются клетками и организмами для коммуникации. «Для нашей технологии все еще сложно удаленно регистрировать такого рода информацию», — говорит она. Как генетика, ее особенно интригует идея регистрации таких молекул, поскольку они напрямую связаны с генами.

Уникальные возможности

UZH находится на переднем крае развития технологий дистанционного зондирования. Университету поручено NASA и ESA проводить испытательные полеты с AVIRIS-NG, новейшим устройством для спектрометрии изображений. «Этот измерительный прибор — единственный в своем роде в мире», — говорит Швайгер.

Дистанционное зондирование изменило подход к исследованиям экосистем, позволив экстраполировать полевые измерения на большие площади. «Этот метод ставит новые вопросы», — говорит Шуман. Остается увидеть, какие еще загадки земных экосистем раскроют листья в будущем.