[導讀]NASA科學(xué)家近日公布了全球第一張陸地植物熒光地圖，該地圖顯示了全球陸地植物的分布情況。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。

當光照、溫度條件最有利于植物生長(cháng)時(shí)，光合作用會(huì )更強

　　植物熒光是植物光合作用的副產(chǎn)品

　　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。該地圖是根據日本溫室氣體觀(guān)測衛星（GOSAT）光譜儀小組2009年收集的數據繪制而成，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對比明顯，當光照、溫度條件最有利于植物生長(cháng)時(shí)，光合作用會(huì )更強，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(cháng)狀況的信息，是通過(guò)衛星探測“綠色”指標，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；而且利用衛星從太空探測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部機制的葉綠素熒光，正是面向太空的最佳窗口。

　　植物生長(cháng)會(huì )發(fā)光

　　植物綠色枝葉發(fā)出的熒光處于紅色和遠紅外波段。NASA極光委員會(huì )項目副理、戈達德地圖繪制小組負責人喬安娜·喬因納說(shuō)：“植物熒光用裸眼是看不到的，因為背景光過(guò)強而掩蓋了這種光。當陽(yáng)光照在樹(shù)葉上，有一種稱(chēng)為葉綠體的圓盤(pán)狀綠色結構會(huì )吸收大部分陽(yáng)光，通過(guò)光合作用將它們轉化為碳水化合物。葉綠體再將入射光的約2%以更長(cháng)波段光的形式發(fā)射出來(lái)，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(chóng)是靠化學(xué)機制驅動(dòng)發(fā)光，許多海洋生物無(wú)需外來(lái)光源照射也能發(fā)光。幾十年來(lái)，科學(xué)家只能靠把樹(shù)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(yáng)光譜紅外波段中嵌有“夫瑯和費譜線(xiàn)”的昏暗部分，這些線(xiàn)中的背景光有一部分集中于770納米左右，可以用來(lái)區別圍繞的熒光信號，從而讓植物熒光更多地顯示出來(lái)。但研究人員還不能用激光來(lái)檢測地球表面莊稼收割后劃痕發(fā)出的光現象。

　　“利用葉綠素熒光，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(huì )變黃或變成棕色，我們能在這些外部信號顯示出來(lái)之前就探測到。”NASA戈達德生物學(xué)家、地圖繪制小組成員伊麗莎白·米德?tīng)栴D說(shuō)。

　　以往的實(shí)驗室數據和實(shí)地研究結果顯示，在因低溫和光照不良導致環(huán)境壓力增加的情況下，植物的綠色枝葉數量會(huì )下降，葉綠素熒光會(huì )減弱。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微變化。

　　戈達德研究小組表示，希望今后能用熒光檢測作為現有“綠色”檢測的補充。將來(lái)，熒光檢測能幫助農民探測作物發(fā)病、干旱和其他各種可能造成風(fēng)險的問(wèn)題，并應對極端天氣；幫助調查饑荒情況，同時(shí)也給援助人員帶來(lái)便利；幫助研究人員理解生態(tài)系統中的碳循環(huán)，這是氣候科學(xué)中難以確定的關(guān)鍵領(lǐng)域。

　　打開(kāi)熒光探測的未來(lái)

　　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(kāi)始的衛星任務(wù)。歐洲空間局（ESA）的實(shí)驗——熒光探測任務(wù)（Fluorescence Explorer，FLEX）本來(lái)存在眾多爭議，新研究成了對這一項目的有力支持，將為其項目進(jìn)程帶來(lái)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(guān)測衛星-2（OCO-2）在檢測二氧化碳水平的任務(wù)設計上和GOSAT很像，應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(lái)自GOSAT衛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。該項目研究人員強調，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(lái)能繼續提高并擴展。

　　此外，GOSAT是在強烈的午后陽(yáng)光下進(jìn)行觀(guān)測的，無(wú)壓力條件下的植物會(huì )比有壓力時(shí)產(chǎn)生更強的熒光信號，而在早晨或晚上光照變弱時(shí)，情況則相反，這讓探測變得更加復雜。為了分析這兩種相反的情況，戈達德基地研究小組表示，將進(jìn)一步完善他們計算熒光的數學(xué)方法。加州帕薩迪娜的噴氣推進(jìn)實(shí)驗室的研究人員也將與日本和歐洲同行合作，共同提高熒光監測水平。