Биолог из МГУ имени М.В. Ломоносова нашел способ извлечь больше информации из отраженного листьями растений спектра излучения. Для этого нужно изучать не только отраженный свет, но и свет, прошедший сквозь листья. Такой подход поможет оценивать лучше оценивать состояние сельскохозяйственных растений. Исследование выполнено в рамках проекта "Ноев Ковчег" (при поддержке Российского научного фонда), его результаты опубликованы в Journal of Photochemistry & Photobiology, B: Biology.
Современный подход к сельскому хозяйству –– так называемое «точное земледелие» (от английского термина «precision agriculture») — включает в себя оценку развития растения, созревания плодов, наличия вредителей с помощью спектрального анализа. Эти техники неинвазивные и не вредят растению, которое может продолжать развиваться под таким контролем. Однако у спектрального анализа листьев пока есть ограничения, которые не позволяют извлечь максимум полезной информации из полученных данных. Исследованием этих ограничений и занялись ученые.
«Для решения проблем мы использовали существующие и новые базы данных со спектрами отражения листьев разных видов растений с широко варьирующим содержанием основных пигментов фотосинтеза –– зеленых хлорофиллов и желто-оранжевых каротиноидов, а также защитных пигментов –– красных антоцианов и бесцветных, но сильно поглощающих ультрафиолетовую радиацию флавонолов», –– поясняет соавтор работы, доктор биологических наук, профессор кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ Алексей Соловченко.
С помощью спектров, которые поглощают и отражают листья растений, можно узнать о количестве в листе конкретных пигментов. Но используемая для подобного анализа теория Кубелки-Мунка, которая по отражению позволяет судить о пигментах в составе различных материалов, не всегда подходит для изучения листьев с большим разнообразием пигментов и сложной структурой.
Листья покрыты тонкой защитной пленкой – кутикулой, которая спасает их от чрезмерного испарения влаги и воздействия окружающей среды. Она не содержит пигментов и во время спектрального анализа дает «паразитный сигнал».
Ученые нашли предложили использовать техники, основанные на спектрах поглощения, там, где из спектров отражения нужной информации получить не удается. Они исследовали спектры отражения разных пигментов, которые могут содержаться в листьях, и установили, в каком спектральном диапазоне нужно рассматривать отражение для них.
«Полученные данные и новые знания очень важны для создания новых и улучшения имеющихся алгоритмов для расчета содержания пигментов в растениях по данным, полученным со спутников, беспилотников и других сенсорных платформ», –– заключает Алексей Соловченко.
Исследование было выполнено совместно с Анатолием Гительзоном, профессором факультета гражданской и природоохранной инженерии Израильского института технологий.