Лазерный мир

Н.Л. Фатеева, Г.Г. Матвиенко, А.И. Гришин, О.А. Романовский, О.В. Харченко, Н.А. Воробьева, А.П. Зотикова // // Сборник докладов и лекций VI Всероссийской школы-семинара «Люминесценция и сопутствующие явления», с: 189-194, (Иркутск, 13 — 18 ноября 2000 г.)

В последнее время в различных областях науки широко применяются лидарные методы зондирования, позволяющие проводить дистанционные бесконтактные измерения. Актуальным является использование лидаров и для определения физиологического состояния растений в естественных условиях.
Фотосинтетическая функция листа и его пигментный комплекс характеризуются высокой степенью изменчивости. Эти изменения связаны с закономерностями развития листа, древесного организма и влиянием экстремальных факторов среды, которые существенно изменяют величину и ритм ростовых процессов, интенсивность фотосинтеза и характеристики пигментной системы. Пигментная система растений, в частности содержание хлорофилла, является критерием оценки состояния растительности и косвенно характеризует состояние окружающей среды.
Современные методики биохимического определения количественного содержания хлорофилла довольно трудоемки и требуют значительных временных затрат. Кроме того, при определении содержания хлорофилла в различных растворителях нарушается структура пигментного комплекса листа, что связано с трудностями интерпретации получаемых результатов. Все это говорит о необходимости разработки новых методов в исследованиях количественного содержания пигментов и организации пигментной системы растений. В настоящее время большое значение уделяется исследованию возможности привлечения флуоресцентных методов с применением лазера.
В данной работе исследовалось сезонное изменение суммы хлорофилла в весенне-летний период у хвойных и лиственных древесных растений, а также изменение в содержании хлорофилла в связи с увяданием хвои и листьев. Исследования проводились с мая по сентябрь.
Объекты исследования: сосна, кедр, береза, осина. Содержание пигментов определяли спектрофотометрическим методом и параллельно проводилось лазерное зондирование тех же образцов растений. Образцы размещались в банках с водой на расстоянии 70 м от лазерного локатора и подвергались облучению в среднем 2 раза в неделю. При этом наблюдались флуоресцентные характеристики хлорофилла от момента среза образцов до стадии, соответствующей полному увяданию растений.
Флуоресцентный лидар работает следующим образом: лазер генерирует световые импульсы на длине волны 1,64 мкм, далее излучение преобразуется во вторую гармонику и направляется на исследуемый объект. Под действием падающего света в стоксовой области спектра
возбуждается излучение флуоресценции. Часть преобразованного и рассеянного излучения регистрируется приемными оптическими системами, в которых за счет полосовых фильтров осуществляется спектральная селекция принимаемого излучения. Измерение интенсивности излучения происходит на 3-х длинах волн: 685, 740 и 532 нм. Первые две длины волны обусловлены флуоресценцией хлорофилла типа а и б соответственно. Третья длина волны необходима для нормировки принятого излучения флуоресценции[1,2]. С выхода спектрофотометра излучение по световодам направляется на блок ФЭУ, использующихся в качестве фотодетекторов. Три электрических сигнала направляются на входы АЦП, имеющих частоту дискретизации 40 МГц.
АЦП запускается импульсом синхронизации, формируемым специальной системой, одновременно с моментом излучения импульса. С выхода АЦП цифровая информация направляется в компьютер, где осуществляется регистрация, первичная статистическая обработка информации и запись её на диск.
Регистрируемые в приемном тракте значения лидарных сигналов описываются известным уравнением лазерной локации, которое можно записать следующим образом .
На рис.2 представлен временной ход флуоресцентных характеристик в относительных единицах. Нулевая отметка соответствует 20 апреля 1999 года. Вертикальные линии показывают моменты замены образцов. Анализ данных, приведенных на рис.2, показывает, что интенсивность флуоресценции для длин волн 685 и 740 нм существенно различается, причем наибольшие отличия наблюдаются для осины, а двухлетняя хвоя сосны и кедра характеризуется более постоянным содержанием хлорофилла по сравнению с листьями березы и осины.
Ранее нами проводились измерения лазерно — индуцированной флуоресцеции хлорофилла с помощью лидара, регистрирующего эхо — сигналы на двух длинах волн 532 и 685 нм.
Результаты этих измерений показаны на рис.3. Особенности флуоресценции хвойных и лиственных растений хорошо известны и они объясняются изменением содержания хлорофилла в растительных тканях и могут служить методической основой для дистанционного контроля
концентрации хлорофилла в зеленых растениях. Весь период наблюдений условно можно разделить на несколько интервалов: летне-осенний, зимний и весенний. Для летне-осеннего периода характерны наибольшие значения квантового выхода флуоресценции для всех типов растений в начале временного интервала и плавное уменьшение в конце. Этот период интересен наличием второго максимума величины f для лиственных деревьев, который приходится на начало сентября. Небольшое увеличение интенсивности флуоресценции для хвойных в этот период находится в пределах доверительного интервала для вероятности 0,95 поэтому не выделяется в качестве максимума.
Следует отметить, что период увеличения интенсивности флуоресценции для лиственных деревьев совпадает по времени с появлением первых желтых листьев на этих деревьях. Полученная закономерность объясняется разрушением пигментов и хлорофилл-белковых комплексов мембран тилакоидов и, возможно, перераспределением энергии между пигментными системами ФС1 и ФС2 в период листопада и возрастанием роли ФС2, обеспечивающей флуоресценцию на длине волны 685 нм. Проведенные в конце этого временного интервала дополнительные измерения показали, что флуоресценция на желтых листьях для березы и осины оказалась выше, чем на зеленых.
Сравнение данных, полученных на основе прямых измерений содержания хлорофилла (спектрофотометрический метод) и лидарных измерений показывает, что между ними существует определенная взаимосвязь. Между интегральной интенсивностью полосы флуоресценции и содержанием хлорофилла в исследуемых образцах обнаружена прямо пропорциональная зависимость. Методами лидарного зондирования можно определить видовую принадлежность деревьев, а также состояние их лиственного покрова. Наибольшим диапазоном изменчивости флуоресценции обладают лиственные деревья.

Полное содержание статьи: http://www.llph.ru/library/2000/LLPH-2000.pdf