美國國家航空航天局（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，是一種難以探測的暗紅色光。植物的熒光信號在不同的季節(jié)對比明顯，當(dāng)光照、溫度條件最有利于植物生長時，光合作用會更強(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全球的綠色植物進(jìn)行熒光信號探測是可行的。此前人們要獲取有關(guān)地球上植物生長狀況的信息，是通過衛(wèi)星探測“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，綠色葉子會死亡或改變顏色，這時綠光會降低；而且利用衛(wèi)星從太空探測地面的綠色變化情況會有時間延遲，有時會延遲幾天甚至幾周。而反映了植物光合作用內(nèi)部機(jī)制的葉綠素?zé)晒猓敲嫦蛱盏淖罴汛翱凇?/p>

植物生長會發(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)會吸收大部分陽光，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%以更長波段光的形式發(fā)射出來，這種再發(fā)射光就是熒光。”

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，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?，我們能立刻分辨出植物是不是處于環(huán)境壓力下。如果面臨環(huán)境壓力，植物的葉子將會變黃或變成棕色，我們能在這些外部信號顯示出來之前就探測到。”NASA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)量會下降，葉綠素?zé)晒鈺p弱。熒光探測也有助于證實(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作為現(xiàn)有“綠色”檢測的補(bǔ)充。將來，熒光檢測能幫助農(nóng)民探測作物發(fā)病、干旱和其他各種可能造成風(fēng)險(xiǎn)的問題，并應(yīng)對極端天氣；幫助調(diào)查饑荒情況，同時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)——熒光探測任務(wù)（Fluorescence Explorer，F(xiàn)LEX）本來存在眾多爭議，新研究成了對這一項(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的軌道碳觀測衛(wèi)星-2（OCO-2）在檢測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。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)星的熒光信號也使人們意識到，科學(xué)家可借此提高大氣中二氧化碳和甲烷的檢測精度。該項(xiàng)目研究人員強(qiáng)調(diào)，該熒光地圖只是初步對地球植物熒光進(jìn)行大尺度探測，希望將來能繼續(xù)提高并擴(kuò)展。

此外，GOSAT是在強(qiáng)烈的午后陽光下進(jìn)行觀測的，無壓力條件下的植物會比有壓力時產(chǎn)生更強(qiáng)的熒光信號，而在早晨或晚上光照變?nèi)鯐r，情況則相反，這讓探測變得更加復(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)測水平。

（科技日報(bào)）