Monitoring fotosyntezy może zapobiegać katastrofom ekologicznym? Mobilny ambulans ekologiczny

Profesor Hazem M. Kalaji od 40 lat bada fotosyntezę – najważniejszy proces nie tylko dla roślin, ale też kluczowy dla człowieka oraz zwierząt, bo dzięki niemu powstaje tlen. „Pomiar fluorescencji chlorofilu pozwala monitorować potrzeby roślin” – mówi w rozmowie z serwisem Nauka w Polsce.

Początkowo zespół profesora prowadził pomiary procesu fotosyntezy, by lepiej poznać reakcje roślin na różne czynniki stresowe. Przełomem w badaniach – mówi naukowiec – było odkrycie sygnału fluorescencji chlorofilu, który pozwala monitorować na bieżąco (na żywo) stan fizjologiczny roślin – wszystkich organizmów posiadających chlorofil, m.in. roślin naczyniowych, ale też mchów czy glonów. Monitoring odbywa się w sposób nieinwazyjny.

„Śledzenie (obserwacja) sygnału fluorescencji pozwala w krótkim czasie (jednej sekundy) uzyskać informacje o stanie rośliny i analizować ok. 60-70 różnych parametrów związanych z jej funkcjonowaniem. Pozwala on nawet identyfikować rodzaju stresora np. choroba, szkodnik, susza, niedobór składników mineralnych” – tłumaczy prof. Kalaji.

Sygnał ten związany jest przede wszystkim z aktywnością enzymu o nazwie fotosystem 2 (PSII).

„To właśnie dzięki niemu uzyskujemy od roślin informację podobną do tej, jaką u człowieka uzyskujemy podczas badania EKG, czyli analizy rytmu serca, które pozwala ocenić stan naszego zdrowia” – podkreśla badacz.

I dodaje: u ludzi 60-90 uderzeń serca na minutę sygnalizuje optymalny stan zdrowia. Natomiast w przypadku roślin pomiar fluorescencji chlorofilu powinien się mieścić w granicach 0,83-0,85 (parametr: Fv/Fm, czyli maksymalna wydajność kwantowa fotosystemu 2). Wartość mieszcząca się w tym zakresie – niezależnie od gatunku rośliny, jej wieku czy otoczenia – oznacza jej optymalny stan „zdrowia”.

„Każda choroba roślin powoduje specyficzne zmiany w krzywej indukcji fluorescencji chlorofilu u danego gatunku” – opowiada naukowiec z SGGW. Jak dodaje, analiza krzywej pozwala np. określić, czy roślina „cierpi” z powodu niskiej temperatury, zasolenia czy innych stresorów, czyli niekorzystnych warunków wzrostu.

Sygnał fluorescencji chlorofilu jest specyficzny na przykład w przypadku suszy, niezależnie od gatunku badanej rośliny – mówi profesor.

Hazem M. Kalaji podkreśla, że technika pomiaru sygnału fluorescencji chlorofilu daje możliwość wykrycia w roślinie zmian, zanim objawy tych zmian staną się widoczne dla oka. Bazując na wcześniejszych ustaleniach profesor opracował system monitoringu kondycji roślin.

A jego zespół zaczął gromadzić setki tysięcy danych, aby analizować stan fizjologiczny roślin oraz całych zbiorowisk czy ekosystemów (jak las czy łąka). „Chcemy zrozumieć mechanizmy przetrwania, adaptacji, różnego rodzaju procesy, które są przez rośliny prowadzone, by przetrwać” – dodaje.

Prof. Kalaji wyraża nadzieję, że w przyszłości jego praca pomoże rolnikom osiągać wyższe plony.

„Chodzi o to, by lepiej rozumieć, dlaczego jedna odmiany daje wyższy plon, niż druga, która rośnie obok, w tych samych warunkach. W ten sposób identyfikujemy cechy specyficzne, które mogą być wykorzystane przez hodowców i rolników” – wyjaśnia.

System monitorowania roślin może być też przydatny do oceny stanu przyrody dzikiej, gdyż „poprzez ten sygnał rośliny od razu alarmują, że coś się z nimi dzieje”. Instalacja takiego systemu w lesie może pomóc w zapobieganiu katastrofom spowodowanym szkodnikami, zanim zmiany będą widoczne gołym okiem. Profesor jako przykład podaje pojawienie się w Puszczy Białowieskiej kilka lat temu kornika drukarza.

W rozmowie z serwisem Nauka w Polsce naukowiec dodaje, że „wykonywany co dziesięć minut pomiar sygnału fluorescencji chlorofilu w liściach drzew pozwoliłby zauważyć zmiany i wychwycić pojawienie się pierwszych insektów. Leśnik mógłby dostawać taką informację wraz z lokalizacją, gdzie odnotowano zmianę”.

„Zajmuję się wszystkimi ekosystemami, także wodnymi” – mówi profesor Kalaji. Jego zdaniem nieinwazyjne monitorowanie zmian w ekosystemach pomogłoby zapobiec wielu katastrofom ekologicznym. Jako przykłady wymienia zatrucie Odry, zanieczyszczenie Wisły (w związku z awarią oczyszczalni Czajka), czy zakwity glonów w Bałtyku.

Profesor przypomniał, że pomiar fluorescencji chlorofilu pomaga w monitoringu glonów, obecnych w Bałtyku i polskich jeziorach.

„Gdybyśmy taki monitoring – który informuje o zmianie stanu wody na podstawie stanu fizjologicznego fotosyntezy glonów – mieli na całej Odrze, to dostalibyśmy alarm na nasze telefony komórkowe, informujący już o pierwszych zmianach w rzece – mówi. Jak dodał – nie wystarczy pobieranie próbek wody raz w tygodniu i ich analiza w laboratorium”.

Jego zdaniem technologia monitorowania zmian za pomocą pomiaru fluorescencji chlorofilu umożliwia wczesne wykrycie potencjalnych katastrof ekologicznych. „Należy iść w kierunku przewidywania oraz lokalizacji zmian, zanim będą one widoczne gołym okiem. Wtedy łatwiej im zapobiegać” – powtarza profesor. Jak mówi, „technika pomiaru sygnału fluorescencji chlorofilu daje możliwość wykrycia zmian w roślinie na 2-3 tygodnie wcześniej, zanim jakiekolwiek objawy będą widoczne dla oka”.

Profesor zauważa jednocześnie, że „w całej Unii Europejskiej nie ma ani jednego ambulansu ekologicznego – samochodu wyposażonego w narzędzia do szybkiego monitorowania ekosystemów wodnych, leśnych, ogrodniczych, gleby”.

Jak wyjaśnia, w małej ciężarówce mogłoby się zmieścić całe laboratorium. Technik ambulansu mógłby monitorować miejsca, gdzie może nastąpić katastrofa i wysłać dane do bazy naukowej. Tam naukowcy dostawaliby raporty z terenu i oceniAli, czy jest zagrożenie katastrofą, np. ciężkimi metalami. Wówczas np. władze gmin mogłyby interweniować – mówi Kalaji.

Badaniami prof. Kalaji zainteresowali się artyści. System monitorowania potrzeb roślin zainspirował kuratorów Michała Dudę i Małgorzatę Devosges-Cuber z Muzeum Architektury we Wrocławiu oraz Instytutu Adama Mickiewicza w Warszawie do stworzenia instalacji Greenhouse Silent Disco na wystawę w Mediolanie. Ma ona kształt szklarni, wypełnionej roślinami i kolorowymi diodami LED. Czujniki podłączone do komputerów monitorują i rejestrują sygnały emitowane przez rośliny, pozwalając zrozumieć, w jaki sposób rośliny reagują na obecność człowieka, na dotyk, dźwięk, czy zmiany w temperaturze i natężeniu światła.

„Instalacja Greenhouse Silent Disco wizualizuje podmiotowość natury, i – w obliczu globalnego kryzysu ekologicznego – oddaje roślinom głos” – podsumowują autorzy projektu w materiale wideo promującym instalację. Można ją oglądać do 11 grudnia b.r.

Źródło informacji: Nauka w Polsce