當(dāng)光照、溫度條件最有利于植物生長(zhǎng)時(shí)，光合作用會(huì)更強(qiáng)
植物熒光是植物光合作用的副產(chǎn)品
美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）科學(xué)家近日公布了全球第一張陸地植物熒光地圖。該地圖是根據(jù)日本溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星（GOSAT）光譜儀小組2009年收集的數(shù)據(jù)繪制而成，顯示了全球陸地植物的分布情況。
植物熒光是植物光合作用的副產(chǎn)品，是一種難以探測(cè)的暗紅色光。植物的熒光信號(hào)在不同的季節(jié)對(duì)比明顯，當(dāng)光照、溫度條件最有利于植物生長(zhǎng)時(shí)，光合作用會(huì)更強(qiáng)，因此植物熒光在北半球的7月份和南半球的12月份分別達(dá)到峰值。
研究人員表示，成功制作這張熒光圖證明了從太空對(duì)全球的綠色植物進(jìn)行熒光信號(hào)探測(cè)是可行的。此前人們要獲取有關(guān)地球上植物生長(zhǎng)狀況的信息，是通過衛(wèi)星探測(cè)“綠色”指標(biāo)，利用的是綠光反射，而不是熒光。然而，在干旱、有霧或光合作用受限時(shí)，綠色葉子會(huì)死亡或改變顏色，這時(shí)綠光會(huì)降低；而且利用衛(wèi)星從太空探測(cè)地面的綠色變化情況會(huì)有時(shí)間延遲，有時(shí)會(huì)延遲幾天甚至幾周。而反映了植物光合作用內(nèi)部機(jī)制的葉綠素?zé)晒?，正是面向太空的最佳窗口?/p>
植物生長(zhǎng)會(huì)發(fā)光
植物綠色枝葉發(fā)出的熒光處于紅色和遠(yuǎn)紅外波段。NASA極光委員會(huì)項(xiàng)目副理、戈達(dá)德地圖繪制小組負(fù)責(zé)人喬安娜·喬因納說：“植物熒光用裸眼是看不到的，因?yàn)楸尘肮膺^強(qiáng)而掩蓋了這種光。當(dāng)陽(yáng)光照在樹葉上，有一種稱為葉綠體的圓盤狀綠色結(jié)構(gòu)會(huì)吸收大部分陽(yáng)光，通過光合作用將它們轉(zhuǎn)化為碳水化合物。葉綠體再將入射光的約2%以更長(zhǎng)波段光的形式發(fā)射出來，這種再發(fā)射光就是熒光?！?/p>
熒光和生物體發(fā)光不同，如螢火蟲是靠化學(xué)機(jī)制驅(qū)動(dòng)發(fā)光，許多海洋生物無需外來光源照射也能發(fā)光。幾十年來，科學(xué)家只能靠把樹葉放在激光下面才能檢測(cè)到熒光。
為了制作全球熒光地圖，喬因納和同事采用了多種技術(shù)。他們分析了太陽(yáng)光譜紅外波段中嵌有“夫瑯和費(fèi)譜線”的昏暗部分，這些線中的背景光有一部分集中于770納米左右，可以用來區(qū)別圍繞的熒光信號(hào)，從而讓植物熒光更多地顯示出來。但研究人員還不能用激光來檢測(cè)地球表面莊稼收割后劃痕發(fā)出的光現(xiàn)象。
“利用葉綠素?zé)晒猓覀兡芰⒖谭直娉鲋参锸遣皇翘幱诃h(huán)境壓力下。如果面臨環(huán)境壓力，植物的葉子將會(huì)變黃或變成棕色，我們能在這些外部信號(hào)顯示出來之前就探測(cè)到?！盢ASA戈達(dá)德生物學(xué)家、地圖繪制小組成員伊麗莎白·米德爾頓說。
以往的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和實(shí)地研究結(jié)果顯示，在因低溫和光照不良導(dǎo)致環(huán)境壓力增加的情況下，植物的綠色枝葉數(shù)量會(huì)下降，葉綠素?zé)晒鈺?huì)減弱。熒光探測(cè)也有助于證實(shí)這一點(diǎn)，但還需要進(jìn)一步分析熒光信號(hào)的細(xì)微變化。
戈達(dá)德研究小組表示，希望今后能用熒光檢測(cè)作為現(xiàn)有“綠色”檢測(cè)的補(bǔ)充。將來，熒光檢測(cè)能幫助農(nóng)民探測(cè)作物發(fā)病、干旱和其他各種可能造成風(fēng)險(xiǎn)的問題，并應(yīng)對(duì)極端天氣；幫助調(diào)查饑荒情況，同時(shí)也給援助人員帶來便利；幫助研究人員理解生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)，這是氣候科學(xué)中難以確定的關(guān)鍵領(lǐng)域。
打開熒光探測(cè)的未來
全球陸地植物熒光圖的成功制作也直接影響到目前和將要開始的衛(wèi)星任務(wù)。歐洲空間局（ESA）的實(shí)驗(yàn)——熒光探測(cè)任務(wù)（Fluorescence Explorer，F(xiàn)LEX）本來存在眾多爭(zhēng)議，新研究成了對(duì)這一項(xiàng)目的有力支持，將為其項(xiàng)目進(jìn)程帶來突破。目前它正處于可行性研究中期階段，尚未確定FLEX的發(fā)射日期。
NASA的軌道碳觀測(cè)衛(wèi)星-2（OCO-2）在檢測(cè)二氧化碳水平的任務(wù)設(shè)計(jì)上和GOSAT很像，應(yīng)該也能在全球范圍進(jìn)行有效的熒光檢測(cè)。OCO-2將于2013年2月后在加利福尼亞的范登堡空軍基地發(fā)射。
來自GOSAT衛(wèi)星的熒光信號(hào)也使人們意識(shí)到，科學(xué)家可借此提高大氣中二氧化碳和甲烷的檢測(cè)精度。該項(xiàng)目研究人員強(qiáng)調(diào)，該熒光地圖只是初步對(duì)地球植物熒光進(jìn)行大尺度探測(cè)，希望將來能繼續(xù)提高并擴(kuò)展。
此外，GOSAT是在強(qiáng)烈的午后陽(yáng)光下進(jìn)行觀測(cè)的，無壓力條件下的植物會(huì)比有壓力時(shí)產(chǎn)生更強(qiáng)的熒光信號(hào)，而在早晨或晚上光照變?nèi)鯐r(shí)，情況則相反，這讓探測(cè)變得更加復(fù)雜。為了分析這兩種相反的情況，戈達(dá)德基地研究小組表示，將進(jìn)一步完善他們計(jì)算熒光的數(shù)學(xué)方法。加州帕薩迪娜的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員也將與日本和歐洲同行合作，共同提高熒光監(jiān)測(cè)水平。
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