Comment la fluorescence des plantes pourrait aider les scientifiques à prédire une sécheresse soudaine
La fluorescence est un phénomène bien connu des scientifiques car il est facilement observable pour peu que l’on dispose d’une source lumineuse adéquate (généralement de haute fréquence, c’est-à-dire proche de l’ultraviolet – ou lumière noire) comme lumière d’excitation.
On a, par exemple, présentes à l’esprit les couleurs fabuleuses des coraux qui sont remarquables par la fluorescence d’une protéine.
La fluorescence est un processus par lequel une source de lumière (de haute fréquence) est absorbée par une molécule et suivie d’une émission lumineuse de moindre énergie (dite lumière d’émission).
Fluorescence de la chlorophylle
De nombreux pigments sont fluorescents, dont la chlorophylle. Elle est l’élément essentiel à la photosynthèse qui consiste en la conversion du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O) en sucres (glucides) avec libération d’oxygène.
Durant ce processus, la chlorophylle, excitée par la lumière solaire, au lieu de perdre toute l’énergie absorbée sous forme de chaleur, ou de l’utiliser immédiatement pour la photosynthèse, peut réémettre une partie de cette énergie sous forme de lumière fluorescente, souvent dans le rouge (650-800 nm), c’est la fluorescence induite par le soleil (ou SIF en anglais pour Solar-Induced Fluorescence). Plus la fluorescence est forte et plus la photosynthèse est intense.
La première observation de fluorescence induite par le soleil de la chlorophylle a été faite en 1834, il y a donc près de deux siècles, par Sir David Brewster. Il a découvert qu’un rayon de soleil frappant un extrait alcoolique de feuilles de laurier provoquait une lumière rouge brillant. En 1852, le professeur George Gabriel Stokes créa le terme de « fluorescence » pour décrire cette émission lumineuse.
Comme toute émission lumineuse, elle peut être détectée et mesurée grâce à des capteurs adaptés et c’est par sérendipité que les instruments satellitaires actuels permettent de visualiser cette fluorescence de la chlorophylle.
Ainsi, le satellite japonais Ibuki, mis en orbite en 2009 par la NASA et dénommé GOSAT, avait pour mission principale de mesurer les niveaux de gaz à effet de serre que sont le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4) à l’aide de spectromètres. Cependant, les chercheurs de la Nasa, en collaboration avec des collègues japonais et internationaux, ont découvert par hasard un autre trésor caché dans les données : la fluorescence de la chlorophylle. Bien que les scientifiques aient mesuré la fluorescence en laboratoire et dans des expériences au sol pendant des décennies, ces nouvelles données satellitaires permettent désormais de surveiller ce que l’on appelle la fluorescence de la chlorophylle induite par le soleil à l’échelle mondiale, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications potentielles pour l’étude de la végétation terrestre. Cependant le satellite GOSAT ne faisait une mesure que toutes les quatre secondes.
Le satellite OCO-2, lancé par la NASA en 2014, permet, lui, une mesure plus précise grâce à 24 observations par seconde.
Toutefois, si mesurer la lueur de la fluorescence de la chlorophylle peut paraître simple, le signal est néanmoins faible (voire très faible) et est largement occulté par la lumière réfléchie du soleil.
Les chercheurs ont alors réglé les spectromètres des satellites sur des canaux très étroits, ce qui a permis d’atténuer, voire « d’éteindre », la lumière solaire réfléchie.
Prévoir les sécheresses
En 2012, les États-Unis ont connu une des plus fortes sécheresses depuis les années 1930 avec un impact économique évalué à 30 milliards de dollars. Ces sécheresses soudaines sont marquées par un assèchement rapide, en quelques semaines, et sont très difficiles à prévoir. Dans une étude récente, une équipe dirigée par des scientifiques du Jet Propulsion Laboratory de la Nasa en Californie du Sud, a pu détecter des signes de sécheresses soudaines jusqu’à trois mois avant leur apparition.
"De nombreux pigments sont fluorescents, dont la chlorophylle"
Les chercheurs ont comparé des années de données de fluorescence à un inventaire des sécheresses soudaines qui ont frappé les États-Unis entre mai et juillet de 2015 à 2020. Ils ont constaté un effet domino : dans les semaines et les mois précédant une sécheresse soudaine, la végétation a d’abord prospéré lorsque les conditions sont devenues chaudes et sèches. Les plantes en plein développement émettaient un signal de fluorescence exceptionnellement fort pour la période de l’année. Lorsque les températures extrêmes sont arrivées, les niveaux d’humidité du sol, déjà faibles, ont chuté et une sécheresse soudaine s’est développée en quelques jours. L’équipe a corrélé les mesures de fluorescence de la chlorophylle avec les données d’humidité d’un autre satellite qui détermine les variations de l’eau du sol en mesurant l’intensité des émissions naturelles de micro-ondes de la surface de la Terre. Les scientifiques ont alors constaté que le phénomène de fluorescence inhabituel était extrêmement bien corrélé avec les pertes d’humidité du sol dans les six à douze semaines précédant une sécheresse soudaine. Un modèle cohérent a émergé dans divers paysages, des forêts tempérées de l’est des États-Unis aux grandes plaines et aux arbustes de l’ouest.
Pour cette raison, la fluorescence des plantes semble prometteuse en tant qu’indicateur précoce fiable de sécheresse soudaine avec suffisamment de temps pour agir.
Sources
- How ‘Glowing’ Plants Could Help Scientists Predict Flash Drought | NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL)
- How Does Your Garden Glow? NASA’s OCO-2 Seeks Answer | NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL)