Дистанционная флуоресцентная диагностика растений - лазерная диагностика в биологии и медицине

Дистанционная флуоресцентная диагностика
растений
Общие сведения. Лазерные флуоресцентные методы занимают все большее место в дистанционной диагностике растений [П. 17]. Они позволяют проводить исследования на популяционном, клеточном и организменном уровнях на суше и в воде с борта самолета, вертолета или судна и получать оперативную оценку функционального состояния объектов, осуществлять их количественное определение и идентификацию. Изменение физических условий окружающей среды (состава минерального питания, количества влаги и пр.), загрязнение среды промышленными отходами сказываются на процессах дыхания и фотосинтеза растений, что отражается в изменении их спектров флуоресценции, которые могут быть получены дистанционно.

Рис. 7.11. Спектры флуоресценции растений в норме (/) и при обработке гербицидом (2) [28]
Дистанционное зондирование наземной растительности. Одной из наиболее важных прикладных задач дистанционной флуоресцентной диагностики растений является прогнозирование их физиологического состояния в зависимости от внешних условий. Так, эксперименты с зерновыми культурами, например с кукурузой, показали [271, что спектры флуоресценции, возбуждаемой УФ азотным лазером (к= =337 нм), имеют три характерных максимума: на 440, 690 п 740 нм. При этом недостаток калия приводит к увеличению более чем втрое интенсивности флуоресценции на 690 и 740 нм при некотором ее ослаблении на 440 нм. В случае дефицита азота и железа имеет место слабое уменьшение интенсивности флуоресценции на 440 нм и ее ослабление более чем в три раза на 690 и 740 нм. Недостаток фосфора ослабляет флуоресценцию на 690 и 740 нм в два раза, в то время как недостаток кальция, серы и магния не приводит к существенным изменениям в спектре флуоресценции.

Рис. 7.10. Спектры флуоресценции растений при достатке (/) и недостатке (2) влаги в почве [28]
Достоверные изменения в интенсивности флуоресценции растений показаны также при изменении влагосодержания почвы (рис. 7.10) и в результате действия гербицидов (рис. 7.11) [28].
Другой задачей является количественное определение биомассы растительности. При использовании летательных аппаратов оно проводится обычно путем измерения отношения интенсивности флуоресценции хлорофилла на двух главных максимумах (для листьев озимой пшеницы, напри, мер, это 685 и 735 нм при возбуждении на 441,6 нм). Это делает результаты измерений не зависящими от эффектов, связанных с колебаниями мощности лазера и изменениями геометрической структуры растительности.
На рис. 7.12 представлена зависимость этого отношения от суммарной концентрации хлорофилла-а (Хл-а) и хлорофилла-6 (Хл-b) в озимой пшенице, выращиваемой на 16 опытных участках. Параллельно с дистанционными измерениями проводились лабораторные измерения концентрации по методу Годнева [П. 17].

Рис. 7.12. Зависимость отношения интенсивностей "флуоресценции,, измеренных с борта самолета на двух длинах волн, от суммарного содержания хлорофилла в озимой пшенице
Предварительные исследования показали принципиальную возможность решения еще одной важной задачи, а именно — идентификации типов растений по спектрам флуоресценции. Так, при возбуждении флуоресценции азотным лазером (к—337 нм) в спектрах пяти групп растений: травянистых однодольных, травянистых двудольных, древесных хвойных, древесных лиственных и водорослей наблюдались 4 характерных максимума: 440, 525, 685 и 740 нм (хотя не все они присутствуют у всех растений). При этом все без исключения растения демонстрируют флуоресценцию на длине волны 440 нм. Только древесные растения имеют характерный максимум на 525 нм. Хвойные отличаются отсутствием максимума на 685 нм. Все растения имеют&lsquo- максимум на 740 нм. Водоросли имеют ярко выраженный максимум на 440 и 740 нм. Максимум на 440 нм у травянистых однодольных значительно больше, чем у двудольных.
Дальнейшая отработка методик идентификации растений по спектрам их флуоресценции предполагает изучение вариабельности спектральных флуоресцентных характеристик растений в зависимости от экологических условий роста, различия в возрасте, виде и т. п.
Дистанционное зондирование фотосинтезирующих организмов в естественных водоемах. Одним из основных индикаторов биологической продуктивности водоемов, с одной стороны, и их загрязненности — с другой, является фитопланктон (ФП) — семейство фотосинтезирующих водорослей, характеризующихся сложной сезонной, географической и климатологической динамикой. Оптические свойства ФП в основном определяются содержащимися в клетках пигментами: хлорофиллом, каротиноидами, флавинами и др. Спектры поглощения и флуоресценции этих пигментов хорошо изучены для экстрагированных форм. Для каждого индивидуального пигмента характерны четкие, хорошо выраженные полосы. Однако в спектрах клеток вклад различных пигментов выделить трудно. Фотосинтетическая активность всех клеток водорослей невозможна без наличия в них Хл-а. Поэтому так же, как и при зондировании наземной растительности, этот пигмент обычно выбирают за индикатор биомассы ФП.
Существуют методики пассивного дистанционного определения концентрации Хл по яркости диффузно отраженного толщей воды солнечного света. Однако они недостаточно эффективны, так как очень чувствительны к погодным условиям и к состоянию поверхности.
В этой связи все большее внимание привлекает флуоресцентный метод индикации Хл [29—33]. Он основан на том, что при лазерном возбуждении в зависимости от сочетания пигментов различные представители ФП характеризуются различными спектрами флуоресценции. В несколько упрощенном виде спектр излучения в зависимости от типа ФП может быть представлен либо одной полосой (при 685 нм или 560—580 нм), либо двумя (при 685 нм и 560—580 нм). Составляя отношение интенсивностей тех или иных компонентов спектров и используя при этом разное возбуждение, можно получать различную диагностическую информацию.
Количественное определение ФП с помощью лазерного зондирования сталкивается с определенными трудностями. Действительно, лазерное излучение при взаимодействии с водной средой сильно рассеивается. Кроме флуоресценций
в эхо-сигнале существенно присутствуют излучение, упруго рассеянное на гидрозоле, и излучение, неупруго рассеянное на молекулах воды. Это обстоятельство осложняет задачу оценки сигнала от флуоресцирующего ФП. На рис. 7.13 представлена в качестве примера типичная спектрограмма, получаемая на ходу судном с помощью лидара, в состав которого входил АИГ : Nd лазер ( &bdquo-=532 нм) и оптический многоканальный анализатор [34]. Расстояние от лидара до поверхности океана равнялось 15 м.

Рис. 7.13. Спектрограмма суммарного эхо-сигнала, регистрируемого на ходу судном с помощью лидара [34]
Концентрация Хл в районе эксперимента составляла около 2 мкг/л. Пик с максимумом на 651 нм соответствует стоксову компоненту неупругого рассеяния воды, полосы на 580 и 685 нм — флуоресценции фикоэритрина и Хл-а.
Ситуация существенно упрощается, если стоксов компонент неупруго рассеянного излучения использовать как нормализующий фактор, т. е. как своеобразный внутренний репер [34]. Компоненты сигнала, обусловленные рассеянием на гидрозоле и флуоресценцией ФП, после нормализации уже не зависят ни от мощности зондирующего излучения, ни от высоты лидара над поверхностью воды, ни от ряда других параметров.
Исследования, проведенные на разных объектах, позволили выделить параметры флуоресценции, пропорциональные концентрации Хл-а даже при насыщении флуоресценции, которое наблюдается при работе с мощными импульсными лидарами [35]. Ошибка определения концентрации ФП при этом еще достаточно велика — порядка 10—15 %. Повышения точности, возможно, удастся добиться путем применения перестраиваемых лазеров и проведения измерений на разных длинах волн. Необходим также более точный учет контура эмиссионной полосы растворенных органических веществ. Требуют проработки многие методические вопросы. Однако высокая эффективность и перспективность использования лазерного флуоресцентного анализа для дистанционной диагностики ФП уже не вызывает сомнения.