NASA公布首張陸地植物熒光地圖

美國國家航空航天局（NASA）科學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，當光照、溫度條件最有利于植物生長時，光合作用會更強，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行熒光信號探測是可行的。此前人們要獲取有關地球上植物生長狀況的信息，是通過衛(wèi)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，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)部機制的葉綠素熒光，正是面向太空的最佳窗口。

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紅外波段。NASA極光委員會項目副理、戈達德地圖繪制小組負責人喬安娜?喬因納說：“植物熒光用裸眼是看不到的，因為背景光過強而掩蓋了這種光。當陽光照在樹葉上，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?！?/p>

熒光和生物體發(fā)光不同，如螢火蟲是靠化學機制驅(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。他們分析了太陽光譜紅外波段中嵌有“夫瑯和費譜線”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?！盢ASA戈達德生物學家、地圖繪制小組成員伊麗莎白?米德爾頓說。

以往的實驗室數(shù)據(jù)和實地研究結(jié)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(shù)量會下降，葉綠素熒光會減弱。熒光探測也有助于證實這一點，但還需要進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(xiàn)有“綠色”檢測的補充。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險的問題，并應對極端天氣；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)，這是氣候科學中難以確定的關鍵領域。

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。歐洲空間局（ESA）的實驗——熒光探測任務（Fluorescence Explorer，F(xiàn)LEX）本來存在眾多爭議，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設計上和GOSAT很像，應該也能在全球范圍進行有效的熒光檢測。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(diào)，該熒光地圖只是初步對地球植物熒光進行大尺度探測，希望將來能繼續(xù)提高并擴展。

此外，GOSAT是在強烈的午后陽光下進行觀測的，無壓力條件下的植物會比有壓力時產(chǎn)生更強的熒光信號，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，將進一步完善他們計算熒光的數(shù)學方法。加州帕薩迪娜的噴氣推進實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(jiān)測水平。

（科技日報）