بررسی جدید نشان می دهد که چگونه "درخشش" ضعیف گیاهان می تواند نظارت جهانی فتوسنتز را تغییر دهد

ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط اندرو زینین

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

درخشش ضعیفی که گیاهان هنگام جذب نور خورشید ساطع می‌کنند، می‌تواند روش جدیدی قدرتمند برای نظارت بر فتوسنتز در سراسر سیاره به دانشمندان ارائه دهد. با این حال، درک کامل این پتانسیل، مستلزم پیشرفت در درک عمومی زیست‌شناسی گیاهی و فناوری ماهواره‌ای است که برای مشاهده آن استفاده می‌شود.

مروری که در Annual Review of Plant Biology منتشر شده است، بررسی می‌کند که چگونه فلورسانس کلروفیل ناشی از خورشید (SIF) می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا فعالیت فتوسنتزی را اندازه‌گیری کنند و فرآیندهای درون سلول‌های گیاهی را با مشاهدات کل اکوسیستم‌ها از فضا به یکدیگر متصل کنند.

جنیفر ای. جانسون، استادیار دپارتمان اکولوژی و زیست شناسی تکاملی، یکی از نویسندگان همکار این بررسی است. او به توسعه چارچوب مفهومی آن کمک کرد و بخشی نوشت که مکانیسم‌های ارتباط فلورسانس را با فعالیت فتوسنتزی توضیح می‌داد.

هنگامی که گیاهان نور خورشید را جذب می کنند، تنها بخشی از آن انرژی برای هدایت فتوسنتز استفاده می شود. بخش دیگری از انرژی به صورت گرما پراکنده می شود و باقیمانده مجددا به صورت فلورسانس منتشر می شود. به گفته نویسندگان، در حالی که بیش از یک قرن است که فلورسانس در آزمایشات آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفته است، در 15 سال گذشته کشف شد که این سیگنال ضعیف را می توان از ماهواره هایی که به دور زمین می چرخند نیز شناسایی کرد.

بر خلاف اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ای سنتی از سبز بودن پوشش گیاهی، که در درجه اول مکان یافتن گیاهان را نشان می‌دهد، فلورسانس بینشی در مورد کارهایی که گیاهان انجام می‌دهند ارائه می‌دهد.

به گفته نویسندگان، با این حال، تفسیر سیگنال مستلزم درک مکانیسم‌هایی است که در پس چگونگی استفاده گیاهان از نور جذب شده وجود دارد. شرایط محیطی و تنظیم انتقال الکترون فتوسنتزی بر نحوه توزیع انرژی در بین فتوسنتز، اتلاف گرما و فلورسانس تأثیر می گذارد.

جانسون یک مدل ریاضی از این فرآیندها ایجاد کرده است که پایه ای برای تفسیر اندازه گیری های فلورسانس و پیوند آنها با جذب کربن فتوسنتزی فراهم می کند.

"اولین مطالعات سنجش از دور فلورسانس از مدل‌های آماری برای ایجاد همبستگی بین انتشار فلورسانس اندازه‌گیری شده از ماهواره‌ها و فتوسنتز سطح سایه‌بان اندازه‌گیری شده از برج‌ها استفاده می‌کردند. ما اکنون گام بعدی را با توسعه یک مدل مبتنی بر فیزیکی که نشان‌دهنده فرآیندهای بیولوژیکی است که نشان‌دهنده‌ی فلورسیون نشانه‌ای ماهواره‌ای مشاهده‌شده توسط ماهواره‌ها را به یکدیگر مرتبط می‌کند، برداشته‌ایم.

جانسون گفت: «این پیشرفت درک و پیش‌بینی چگونگی تأثیر ویژگی‌های گیاهی و شرایط محیطی بر رابطه بین فتوسنتز و فلورسانس را ممکن می‌سازد.

جانسون گفت، این بررسی نیاز به اتصال مشاهدات در مقیاس ها، از ماشین آلات مولکولی فتوسنتز گرفته تا اندازه گیری پوشش گیاهی در کل مناظر را برجسته می کند. برآوردهای بهتر از فعالیت فتوسنتزی می‌تواند درک چگونگی واکنش جنگل‌ها، مراتع و سیستم‌های کشاورزی به خشکسالی، افزایش دما و سایر تغییرات محیطی را بهبود بخشد و در عین حال به دانشمندان کمک کند تا حرکت کربن بین اکوسیستم‌های زمینی و جو را کمی کنند.

به گفته نویسندگان، این بررسی همچنین تاکید می کند که تحقق پتانسیل کامل SIF به نسل جدیدی از پلت فرم های رصد زمین (EO) نیاز دارد که برای اندازه گیری عملکرد گیاه با دقت و جزئیات بیشتر طراحی شده اند.

KU در حال حاضر به این پیشرفت ها کمک می کند. جانسون در گروه کاری علمی برای LUCE، ماموریت مشترک ناسا و آژانس فضایی ایتالیا، و در تیم کالیبراسیون/ اعتبارسنجی خارجی برای مأموریت کاوشگر فلورسانس (FLEX) آژانس فضایی اروپا خدمت می‌کند.

FLEX، طراحی شده برای اندازه گیری غیرفعال فلورسانس کلروفیل ناشی از خورشید، با موفقیت در 15 سپتامبر راه اندازی شد و انتظار می رود مرحله راه اندازی در ماه آینده تکمیل شود. LUCE، که از اندازه‌گیری‌های فلورسانس فعال برای بررسی ماشین‌های فتوسنتزی استفاده می‌کند، همچنان در مراحل برنامه‌ریزی است و پیش‌بینی می‌شود در دهه 2030 راه اندازی شود. نویسندگان گفتند که هر دو ماموریت فرصت‌های مهمی را برای پیشبرد درک عملکرد گیاهان از فضا نشان می‌دهند.

این پلتفرم‌های جدید برای اندازه‌گیری SIF از فضا فوق‌العاده هیجان‌انگیز هستند، زیرا به ما امکان می‌دهند تا زیست‌شناسی سیاره را به روشی کاملا جدید ببینیم - اندازه‌گیری «تنفس» زیست‌کره در زمان تقریبا واقعی و در سراسر سطح زمین. در دهه‌های آینده، SIF این پتانسیل را دارد که وضعیت سلامتی زمین را تشخیص دهد، نحوه نظارت بر سلامت زیست‌کره را تغییر دهد. جانسون گفت: تهدیدهای نوظهور و مدیریت چرخه کربن.

کاربردهای بالقوه به ویژه مربوط به کانزاس است، جایی که کشاورزی بیش از 85 درصد از مساحت این ایالت را اشغال کرده و محرک اصلی اقتصاد آن است. اندازه‌گیری‌های بهبود یافته فتوسنتز در نهایت می‌تواند به محققان کمک کند تا درک بهتری از نحوه واکنش محصولات کانزاس به خشکی، گرما و سایر تنش‌های محیطی داشته باشند و در عین حال بینش جدیدی در مورد بهره‌وری کشاورزی و چرخه‌های کربن و آب ارائه دهند. همین رویکردها می تواند به نظارت بر سلامت و عملکرد علفزارهای ایالت و سایر اکوسیستم های طبیعی کمک کند.

ترکیب مشاهدات ماهواره‌ای جدید با درک قوی‌تر از مکانیسم‌های فتوسنتزی می‌تواند به دانشمندان کمک کند تغییرات فیزیولوژی گیاهی را از تغییرات در ساختار پوشش گیاهی متمایز کنند و تخمین‌های فتوسنتز را در سراسر جهان بهبود بخشند. در نهایت، نویسندگان نوشتند، این پیشرفت‌ها می‌توانند نحوه نظارت محققان بر چرخه کربن زمینی و پیش‌بینی چگونگی واکنش اکوسیستم‌های زمین - از جمله آنهایی که کشاورزی کانزاس را حفظ می‌کنند - به تغییر آب و هوا تغییر دهند.

شی یانگ و همکاران، سنجش فتوسنتز گیاهان با استفاده از فلورسانس کلروفیل ناشی از خورشید: از کلروپلاست ها تا کره زمین، بررسی سالانه زیست شناسی گیاهی (2026). DOI: 10.1146/annurev-arplant-090324-115537

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →