Здоровое свечение растений
Невооружённым глазом ярко-зелёные листья — признак того, что растение чувствует себя хорошо. Но для физиологов растений слабое свечение, излучаемое активными фотосинтезирующими клетками, — истинный маркер здоровья растительности. До недавнего времени у них не было инструментов для измерения этого свечения в дикой природе.
Исследователи из Йоркского университета в Канаде разработали портативный счётчик фотонов, который может обнаруживать изменения в излучении растений в ответ на стрессовые факторы окружающей среды — предлагая новый чувствительный инструмент для оценки состояния сельскохозяйственных культур и экосистем на месте. Команда представила свою работу на ежегодной встрече Канадской ассоциации физиков (CAP) в июне.
Как работает свечение
Во время фотосинтеза солнечный свет возбуждает молекулы хлорофилла в светособирающем антенно-белковом комплексе, запуская поток электронов, который в конечном итоге питает метаболизм организма. Некоторые из возбуждённых электронов достигают реактивной части хлорофилла и участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. При рекомбинации зарядов в конце этих реакций хлорофилл излучает фотоны в красной части спектра. Интенсивность излучаемого света уменьшается за миллисекунды или часы, поскольку рекомбинация зарядов происходит всё реже. Это излучение называется замедленной флуоресценцией. «Это фотосинтетическое сердцебиение организма», — говорит биофизик Йорка Оззи Мермут, старший исследователь в этом исследовании.
С 1970-х годов физиологи растений признают, что интенсивность замедленной флуоресценции напрямую связана с общим состоянием здоровья растения. Традиционно измерить её можно было только с помощью больших и дорогих фотоумножителей в биологических лабораториях. Но форма кривой затухания излучения зависит от окружающей среды вокруг организма. Диагностика состояния растений в идеале должна проводиться в изменяющихся условиях естественной среды обитания растения.
Новый инструмент для измерения
Несколько лет назад Мермут и её коллега из Йорка Уильям Пьетро создали надёжный счётчик фотонов на основе миниатюрной технологии кремниевого фотоумножителя. Их система размером с портфель включает в себя светодиод для освещения образца растения в тёмной камере, вызывая замедленную флуоресценцию. Всякий раз, когда фотон попадает на матрицу светочувствительных элементов, специально разработанная схема регистрирует всплеск напряжения, который можно преобразовать в точное количество фотонов.
«Обнаружение может быть чувствительным к внешнему рассеянному свету или любому виду шума», — говорит Пьетро. Но именно эта чувствительность позволяет собирать очень слабые прямые сигналы живой фотосинтетической активности.
Начиная со свежих листьев, срезанных со здоровых растений, Мермут и Пьетро продемонстрировали, что их счётчик фотонов может измерять замедленную флуоресценцию и что он также может обнаруживать внезапное падение сигнала (с 40 000 до 100 килофотонов в секунду) в течение 400 миллисекунд. Они повторили измерение после воздействия на листья стресса, поместив их в морозильную камеру. Они также провели испытания с воздействием тепла и засухи. «Мы видели характерные изменения при воздействии тепла, холода и засухи как в интенсивности, так и во временном профиле», — говорит Мермут. Интенсивность флуоресценции обычно снижалась по мере увеличения стресса, указывая на то, что можно обнаружить изменения окружающей среды по сигналу замедленной флуоресценции — хотя разработка соответствующей модели остаётся постоянной задачей.
Применение в водной среде
После модернизации своего устройства с помощью спектральных фильтров и охлаждающих камер для снижения фонового шума и повышения чувствительности исследователи начали изучать зелёные водоросли и фитопланктон аналогичным образом. До сих пор замедленную флуоресценцию редко измеряли у водных видов, потому что «сигнал чрезвычайно слабый», — говорит Мермут. На встрече CAP член команды Йоркского университета Элизабет Эллисон представила данные о здоровых и подвергшихся тепловому стрессу видах в водных экосистемах. Она обнаружила, что их устройство может обнаруживать замедленную флуоресценцию у водных организмов, в частности, у водорослей, вызывающих цветение, которые могут захватить такие места, как Великие озёра, создавая невыносимые условия для рыб и других водных организмов.
Исследование в полевых условиях
Исследователи готовятся к выходу своего устройства в поле. В сотрудничестве с Кристофером Барреттом из Университета Макгилла в Канаде они установили версию счётчика фотонов под дроном, который будет летать над болотами и полями, измеряя сигнал замедленной флуоресценции. Эллисон надеется, что получение базовых измерений водной или наземной территории с последующим возвращением в разные сезоны или после экстремальных погодных явлений станет инструментом для оценки общего состояния здоровья.
Состав космических лучей сверхвысоких энергий
Источники и состав космических лучей сверхвысоких энергий (UHECR) — с энергией выше 10¹⁸ эВ — в значительной степени остаются загадкой. Теперь исследователи из обсерватории IceCube Neutrino в Антарктиде использовали отсутствие у них обнаружений нейтрино с высокой энергией, чтобы определить, что доля UHECR, которые являются протонами, составляет менее 70%, тогда как типичное предположение в течение десятилетий состояло в том, что эти космические лучи почти полностью состоят из протонов.
UHECR — это протоны и более тяжёлые ядра, которые генерируют нейтрино с высокой энергией, когда они взаимодействуют с фотонами космического микроволнового фона во время своих межгалактических путешествий. Количество генерируемых нейтрино зависит от нескольких факторов, включая состав частиц UHECR и расстояния, которые они преодолевают.
За 12,6 лет наблюдений установка IceCube на Южном полюсе не зарегистрировала нейтрино с энергиями выше 10¹⁶ эВ. Это позволило коллаборации установить верхний предел доли UHECR, которые являются протонами, поскольку более высокая доля протонов привела бы к появлению большего количества нейтрино с высокой энергией. Верхняя граница в 70% несовместима с некоторыми общепринятыми теориями UHECR, которые теперь потребуют пересмотра. Новые результаты о нейтрино согласуются с недавними оценками двух крупных обсерваторий космических лучей, но они не зависят от моделей ядерной физики с присущими им неопределённостями, которые необходимы для наблюдений за космическими лучами.