在我们脚下几厘米的地方，就在草、树、花和苔藓的下面，有一个复杂的生态系统，叫做根际。这一层由土壤、真菌、营养物质和植物根周围的其他物质组成，在地球的福祉和养活其居民所需作物的生长中起着至关重要的作用。

“土壤的健康支撑着整个陆地生物圈的生存，”加州理工学院托马斯·g·迈尔斯电气工程、生物工程和医学工程教授、传统医学研究所研究员杨昌辉说。“我认为，我们迫切需要更多地关注和关注土壤中的生物动力学。”

对根际的研究依赖于从地面采集的土壤和根系样本，但这一过程破坏了地球的环境条件，并给出了一个不完整的动态图景。

杨和他的实验室成员计划建造一个摄像头，他们可以埋在土壤中，以监测根际的自然状态，而不是挖出泥土。他们计划使用这种成像系统来捕捉生物、根系和真菌网络之间的相互作用，以更多地了解植物如何获得茁壮成长所需的营养物质，以及根际如何对全球气候变化做出反应。

该项目部分由雷斯尼克可持续发展研究所(Resnick Sustainability Institute)资助，由电气工程博士后研究员张欧蒙(Oumeng Zhang)领导。该项目的灵感来自杨与安进生物学和地球生物学教授黛安·纽曼(Dianne Newman)的一次对话，后者的工作重点是微生物如何与环境共同进化。

“当我开始了解更多的科学知识时，很明显，用于研究根际的仪器可以从最近的一些生物医学工具发展中显著受益。”杨说，他的生物光子学实验室主要专注于建造用于医学成像的相机。

例如，纽曼和她的实验室成员正在研究监测土壤中磷的变化的方法，磷是所有生物的基本养分。他们的目标是开发出能够提高作物对磷的吸收的特定细菌。张已经开始与她的团队合作，并将他的光学专业知识发挥作用。

“能够感知土壤下的所有这些真菌或细菌，并长期监测它们，这让我非常兴奋，因为这是前所未有的。”

——张欧梦

他说:“我正在建立一个荧光扫描系统，以识别细菌在需要更多磷时所表达的不同种类的蛋白质。”“我试图用光学方法来检测这些很难检测到的非常细微的变化。”

建造一个可以在地下运行的光学系统面临着一系列特殊的挑战。杨实验室的相机和显微镜通常在非常稳定的桌子上工作，可以进行适当的校准。另一方面，地球上到处都是会扭动的生物，土壤很容易被雨、风和地震等潜在的破坏因素移动。幸运的是，张说，该团队可以使用计算方法将模糊的图像转换为更清晰的图像。

另一个挑战是该团队想要成像的物体的尺寸范围很大，从显微镜下的细菌到肉眼可见的蠕虫。

张说:“我们只需要一直思考哪种方法最适合观察这些东西。”“能够感知土壤下的所有这些真菌或细菌，并长期监测它们，这让我非常兴奋，因为这是前所未有的。”

探测和成像根际生物的能力可能会产生广泛的影响。如果该团队能够成功地制造出张晓峰所设想的仪器，研究人员可能会将这些相机——或者它们的下一代——发送到其他行星上调查环境。不过，目前的重点是帮助研究人员了解根际对全球气候变化的响应。

“在更局部的范围内，”杨指出，“由于我们可以预计加州的森林火灾发生得更频繁，强度更大，我认为研究森林根际系统很重要，并更好地了解我们是否可以做些什么，使它们更有弹性，能够在火灾后更快地恢复。”

Zhang表示，正在开发的强大摄像头系统将在明年夏天进行测试。他在圣路易斯华盛顿大学的博士导师Matthew Lew(08级学士)曾是Yang的学生，他推荐Zhang加入Yang的团队，因为他有机会创新这些新技术。

杨说:“这些数据对科学研究很有用，也有助于让公众更好地了解我们脚下正在发生的事情。”“作为人类，我们是高度视觉化的生物。”

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。