Badanie stanu zdrowia człowieka umożliwia istniejący od 1816 roku stetoskop. Dzięki niemu lekarz może usłyszeć m.in. rytm serca, szumy w płucach i ewentualnie wykryć początek choroby. W ostatnich latach prof. Hazem M. Kalaji z SGGW, ukierunkował badania z zakresu procesu fotosyntezy w stronę oceny stanu zdrowotnego roślin w sposób szybki i nieinwazyjny za pomocą tzw. fluorymetru. Jest to narzędzie podobne do stetoskopu, tylko mierzące sygnały z fotoukładu II (PSII), które nazwał „serce roślin”.
Według prof. Kalaji’ego jest bardzo duża analogia pomiędzy człowiekiem a rośliną, dla przykładu w centrum cząsteczki chlorofilu znajduje się atom magnezu, natomiast w centrum hemu znajdziemy atom żelaza. Uważa on, że sercem roślin może być fotoukład II (PSII), który jest enzymem składającym się z barwników asymilacyjnych i różnych białek uczestniczących w procesie przemian energii świetlnej w energię biochemiczną w procesie fotosyntezy. Kolejnym przykładem analogii pomiędzy człowiekiem a rośliną jest to, że rośliny posiadają aurę, która się zmienia w zależności od ich stanu zdrowia, tak jak u człowieka.
W latach 90 na Uniwersytecie Genewskim w Szwajcarii, gdzie prof. Hazem M. Kalaji odbywał staż naukowy, rozpoczęto prace nad metodą badania stanu fizjologicznego roślin, polegającą na pomiarze sygnału fluorescencji chlorofilu. Metoda ta jest nieinwazyjna, miarodajna i niskonakładowa (wymagająca laboratorium wyposażonego w odczynniki i sprzęt), która może zastąpić dotychczas stosowane metody posługujące się analizą chemiczną składu roślin, które są kosztowne, czasochłonne i destrukcyjne.
Sygnał fluorescencji pochodzi z fotosystemu II (PSII) znajdującego się w chloroplastach. Jest on bardzo czuły i można z niego odczytać sygnały analogiczne do tych, jakie występują w ludzkim sercu. Wyniki pracy prof. Kalaji pokazują, że rośliny wyraźnie reagują na docierające do nich bodźce środowiskowe (dotyk, dźwięk, obecność człowieka, wzrost temperatury, zasolenie, obecność metali ciężkich i wiele innych czynników) w taki sposób, że zmieniają standardowe wartości sygnałów fluorescencji chlorofilu.
Reakcje te można następnie odczytać podobnie jak elektrokardiogram – czyli charakterystyczny zapis pulsu serca rośliny. Po dokonaniu pomiaru fluorescencji chlorofilu z roślin skalkulowany jest parametr Fv/ Fm, którego wartość w przypadku roślin zdrowych (rosnących warunkach optymalnych) wynosi stałą liczbę 0,83 – 0,85 niezależnie od gatunku ich pochodzenia lub lokalizacji geograficznej. Przypomina to rytm serca człowieka. U dorosłej i zdrowej osoby niezależnie od pochodzenia, rasy czy miejsca zamieszkania, liczba uderzeń serca wynosi 60 – 90 na minutę. Każda zmiana stanu zdrowotnego człowieka powoduje zmianę liczby tych uderzeń, analogicznie jak u rośliny, rosnące w warunkach stresu (niezdrowe rośliny) pokazują zmiany w liczbie parametru Fv/Fm.
Mierząc sygnał emitowany przez fotosystem II (PSII), naukowcy uzyskują informacje, kiedy roślina jest wystawiona na działanie określonego czynnika stresowego. Następnie mogą przeanalizować poszczególne odczyty fluorymetru i podjąć odpowiednie działania w celu wyeliminowania lub znacznego ograniczenia niekorzystnych skutków.
Pomiar sygnału chlorofilu z roślin pozwala również przewidywać zmiany i zapobiegać im, zanim pojawią się widoczne objawy. Do tej pory w rolnictwie reagowano dopiero wtedy, gdy zmiany były widoczne gołym okiem, wtedy gdy stresor (czynnik niesprzyjający wzrostowi roślin) spowodował już znaczne i nieodwracalne zmiany w wyglądzie i funkcjonowaniu całej rośliny. Teraz nie trzeba czekać – opracowany system przez prof. Kalaji umożliwia monitorowanie stanu fizjologicznego roślin w czasie rzeczywistym. Dzięki temu można interweniować na jak najwcześniejszym etapie i znacznie ograniczyć negatywne skutki działania czynnika stresowego.
Plany prof. Kalaji dotyczące dalszych badań obejmują zastosowanie uczenia maszynowego, które w przyszłości umożliwi informowanie o potencjalnych zakłóceniach w przebiegu rozwoju roślin; na podstawie wskazań pomiarowych roślina sygnalizuje o danym problemie.
Zrozumieć język roslin
Według prof. Kalaji czas najwyższy, żeby zrozumieć język roślin tzw. 'plant talk’. Naukowcy powinni nauczyć się tej mowy, by ją poprawnie interpretować i wcześnie reagować. Rośliny w szklarniach rosną w warunkach stworzonych przez hodowców. Tymczasem każda roślina może mieć swoje indywidualne potrzeby, zależne od różnych czynników, takich jak warunki wzrostu, odmiany, pora roku czy dnia. „Trzeba dać roślinom narzędzie w postaci systemu samokontroli, aby mogły samodzielnie kontrolować warunki, w jakich się znajdują, takie jak intensywność i jakość światła”, twierdzi prof. Kalaji.
Prototyp takiego urządzenia został opracowany
Pozwala on kontrolować m.in. natężenie światła: roślina, wysyłając sygnał o fluorescencji chlorofilu, steruje systemem oświetleniowym tak, aby natężenie i barwa światła były ustawione na optymalnym dla niej poziomie. Docelowo taki system ma być na stałe zainstalowany w szklarniach. – „Szklarnia przyszłości to dyskoteka” – wyjaśnia prof. Kalaji. – Światła LED będą zmieniać kolor w zależności od potrzeb, na przykład, gdy na zewnątrz jest pochmurno lub pada deszcz. Udzielanie głosu roślinom wydaje się dość proste, ponieważ w jednej szklarni uprawia się zazwyczaj jedną odmianę. Sygnały z ‘serca roślin’ będą mierzone z kilku punktów szklarni.
Prof. Kalaji uważa, że naukowcy i rolnicy muszą zasadniczo zmienić swoje podejście do sposobu uprawy roślin. Muszą wsłuchać się w ich potrzeby, które są bardzo zróżnicowane na poziomie gatunków i odmian, a także zależą od wielu innych czynników, takich jak faza wzrostu, pora roku i dnia. To umożliwi znaczące zmniejszenie zużycie kosztów produkcji związanych z nakładami energetycznymi (prąd, woda, nawozy i in.) oraz uzyskanie plonu o najwyższej jakości.
Dr Krzysztof Szwejk, SGGW
