2024年9月9日
当你读到这篇文章时，一个冰箱大小的白色盒子正以每小时17,500英里（28,000公里/小时）的速度在太空中飞驰，并以每秒242次的频率向地球发射四束激光。它被称为全球生态系统动态调查传感器，简称GEDI。
GEDI激光束从相距250英里（400 km）的高空向下发射，到达密歇根州上半岛的一片森林，精确地照射到一个宽度只有98英尺（30 m）的方形树林区域。一些波长的激光会从树冠反射回来；一些会穿透到下面的树枝；还有一些则会一直到达地面然后再反射回太空。
这项技术就是“激光雷达”——类似声纳，但使用的是光波而不是声波。光束会在千分之一秒内返回到GEDI，GEDI会比较每个波长的激光被吸收的程度，从而绘制出该区域的三维地图，包括地面地形、树叶密度和树冠高度。
GEDI是国际空间站上安装的用于对全球森林进行持续测量的几种仪器之一。另一种仪器是ECOSTRESS，它使用红外线读取叶片温度。第三种仪器是DESIS，它可以将可见光分离成数千种特定波长的光，以准确观察树叶反射的颜色模式，从而可以推断出树木内部结构的细节。
在印第安纳州圣母大学环境研究中心，Nathan Swenson教授和他的学生正在将所有这些信息与树木的基因测序数据进行交叉对比。通过将从太空拍摄的超高分辨率图像与单个树叶的微观基因表达模式相关联，他们正在绘制一幅前所未有的森林健康状况地图。
来自GEDI的森林高度数据的可视化。图片来源：NASA
不要只见树木不见森林
树木生态学家和遗传研究人员是如何利用来自太空的数据的？他们之间的合作非常新颖，要了解他们是如何建立这种合作关系的，不妨先看看他们过去是如何开展工作的。
传统上，生态学家通过实地测量样本树木的几个关键特征（如木材密度和单位面积叶片质量）来评估森林的健康状况。这样做虽然可以了解树木如何响应环境变化，但费时费力，无法扩展到整个森林。因此，在过去的十年中，Swenson一直在研究一种新方法：对树木转录组进行测序。
基因组学主要研究DNA，而转录组学则研究信使RNA分子，这些信使RNA分子将DNA的指令传达到细胞的其他部分。生物体的基因组通常在其一生都不会改变——但其转录组则代表了某一特定时刻活跃的所有细胞过程的动态快照，并且会随着生物体当前所处的环境而变化。
Nathan Swenson教授正在查看用于其基因测序和遥感项目的样本树木。摄影：Barbara Johnston
Swenson做了一个实验：他让温室中的幼苗经受不同的干旱条件，然后进行RNA测序，观察它们的基因如何反应。他表示，这些研究结果“比我们通常在生态学中测量的任何其他数据更能准确地预测野外树木的健康状况。这可以说是一种巨大的飞跃。”后续的研究证实了一种模式：树木在干旱条件下表达某些基因的方式准确地预测了相同条件下该物种在野外的分布。“通过测量像叶片厚度这样简单的数据，你无法获取这些信息。”
不久前，这种方法还不可行。传统观念认为，野生环境中的基因表达变化太大，测序成本太高。“随着时间的推移，我们发现这是完全可行的，”Swenson说道，“现在，我们每个样本的成本只有过去的三分之一。这些技术现在变得触手可及，并且可以扩展到更多的样本类型，以满足生态学家的需求。”
他说到了点子上。通过自下而上的方法——利用样本转录组来预测野生植物的反应——他可以像所说的那样，看见树木（即了解到个别植物的情况）。但要想更全面地了解整个森林，并将这些模式转化为有意义的数据，他就必须采取自上而下的方法......从最顶层开始。
生态学家Vanessa Rubio使用野外便携式分光辐射计测量红枫叶的光谱反射率。摄影：Barbara Johnston
陆地与太空的合作
2019年，美国林务局国家遥感项目经理Everett Hinkley会见了时任美国宇航局（NASA）应用科学项目主任Lawrence Friedl。他们两人认为，NASA和政府土地管理机构之间需要进行更加公开的对话。他们的组织如何才能合作解决彼此的研究需求、共享数据，并推动将地球观测数据产品整合到日常的土地管理决策支持中？
答案就是应用地球观测创新伙伴关系（AEOIP），目前其包括来自NASA、美国林务局、美国地质勘探局和土地管理局的代表。
在此次合作的同时，NASA的生物多样性与生态保护（BDEC）项目开始寻找与因美纳合作的机会，因为他们认为植物健康的任何方面（对疾病的易感性、对气候变化的耐受性等等）都可以归结于基因变异。
2023年，他们发现了一个非常适合BDEC资助的项目：来自Nathan Swenson的一个提案，即通过将空间站传感器读数与转录组序列相结合来监测生物多样性。AEOIP代表、美国宇航局戈达德太空飞行中心Science Systems and Applications Inc.员工Sabrina Delgado Arias也认为这可以补充美国林务局正在开展的工作，不仅有助于绘制干旱压力和野火风险图，还有助于绘制入侵害虫的扩散图。
事实证明，连接陆地与太空的关键是树叶的反射率。树叶反射光的方式与其化学结构密切相关。因此，从足够高的有利位置，在足够高的分辨率下，你可以真正了解到整个森林的基因表达随时间的变化情况。Swenson说道：“这是一个很酷的科学技巧......如果你能做到的话。”
上面的插图显示了三个遥感器目前在空间站上的安装位置。图片来源：NASA
从轨道测量生命体征
图片中的三个部分分别来自项目使用的三种空间站仪器。GEDI的激光雷达可以揭示森林的结构，显示树木因生病而失去枝条的位置。ECOSTRESS的红外传感器可以测量树木的温度，这与树木的保水量和干旱影响程度相关。DESIS检测到的颜色模式直接反映了由于转录组差异而导致的树木化学结构变化。
例如：白蜡窄吉丁虫将卵产在树皮下，孵化后，幼虫以树的内部组织为食。这种昆虫在北美和欧洲危害尤其大，因为那里的白蜡树还没有进化出针对它的天然防御能力。病虫害的外部迹象通常很微妙，人眼无法察觉，但却可以通过叶子的颜色分布和变化显露出来。
植物的DNA通常不会改变，但它在特定时间表达的RNA（图中红色部分）会根据环境的变化而变化，并会改变其化学结构。这些变化可以通过植物反射的特定波长的光观察到。插图：Dan Letchworth
同样的原理也适用于橡树枯萎病（一种真菌感染）。当橡树出现明显症状时，通常已经太晚，无法挽救。但橡树叶子反射的短波红外光谱能够显示早期预警信号。
这项工作是在这个领域中最早进行的研究之一。NASA目前正在为地球上的每一种植物建立一个光谱特征库，以便最终可以将其与该物种所记录的基因组变异进行比较，以获得更丰富的见解。
Jeff “Frenchy” Morisette是美国林务局落基山研究站人类维度项目（Human Dimensions Program）的经理，他本人也曾任职于NASA，他对他所在的机构能够基于这项研究而实施的潜在应用持乐观态度。他表示：“遗传学是一种很好的工具，它可以帮助我们在结构层面上了解事情发生的原因。”
ECOSTRESS捕获到的2019年至2020年新墨西哥州干旱的变化情况。由NASA进行数据可视化
汇集各个科学领域的优秀技术和专业知识
Swenson项目的信息收集阶段正在顺利进行中。在因美纳提供的定制工具、专业知识和材料的帮助下，他在圣母大学的团队获得了在威斯康星州和密歇根州现场采集的树叶样本的转录组数据。他们正在等待下载今年夏天从空间站拍摄的轨道图像，并计划今年秋天开始根据这些数据建立统计模型。
将生物变量与遥感信息相结合，极大地扩展了他们的研究范围，每个参与AEOIP的人都对它改变生态学家工作方式的前景感到振奋。在将这些极为前沿的技术应用于改善全球生活质量和生计时，可能性似乎是无穷无尽的。
“当今的问题涉及范围广泛且复杂，”斯文森说道，“很少有人研究这类问题，我很高兴能不局限于自己的领域来回答这些基本问题，而是可以引进多个学科领域的最佳技术。” ◆
摄影：Barbara Johnston
