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首张“荧光地图” 揭示全球陆地植物生长状况
添加时间:2011-6-28  作者:常丽君  来源:科技日报  点击:1739  
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  美国国家航空航天局(NASA)科学家近日公布了全球第一张陆地植物荧光地图。该地图是根据日本温室气体观测卫星(GOSAT)光谱仪小组2009年收集的数据绘制而成,显示了全球陆地植物的分布情况。

  植物荧光是植物光合作用的副产品,是一种难以探测的暗红色光。植物的荧光信号在不同的季节对比明显,当光照、温度条件最有利于植物生长时,光合作用会更强,因此植物荧光在北半球的7月份和南半球的12月份分别达到峰值。

  研究人员表示,成功制作这张荧光图证明了从太空对全球的绿色植物进行荧光信号探测是可行的。此前人们要获取有关地球上植物生长状况的信息,是通过卫星探测“绿色”指标,利用的是绿光反射,而不是荧光。然而,在干旱、有雾或光合作用受限时,绿色叶子会死亡或改变颜色,这时绿光会降低;而且利用卫星从太空探测地面的绿色变化情况会有时间延迟,有时会延迟几天甚至几周。而反映了植物光合作用内部机制的叶绿素荧光,正是面向太空的最佳窗口。

  植物生长会发光

  植物绿色枝叶发出的荧光处于红色和远红外波段。NASA极光委员会项目副理、戈达德地图绘制小组负责人乔安娜·乔因纳说:“植物荧光用裸眼是看不到的,因为背景光过强而掩盖了这种光。当阳光照在树叶上,有一种称为叶绿体的圆盘状绿色结构会吸收大部分阳光,通过光合作用将它们转化为碳水化合物。叶绿体再将入射光的约2%以更长波段光的形式发射出来,这种再发射光就是荧光。”

  荧光和生物体发光不同,如萤火虫是靠化学机制驱动发光,许多海洋生物无需外来光源照射也能发光。几十年来,科学家只能靠把树叶放在激光下面才能检测到荧光。

  为了制作全球荧光地图,乔因纳和同事采用了多种技术。他们分析了太阳光谱红外波段中嵌有“夫琅和费谱线”的昏暗部分,这些线中的背景光有一部分集中于770纳米左右,可以用来区别围绕的荧光信号,从而让植物荧光更多地显示出来。但研究人员还不能用激光来检测地球表面庄稼收割后划痕发出的光现象。

  “利用叶绿素荧光,我们能立刻分辨出植物是不是处于环境压力下。如果面临环境压力,植物的叶子将会变黄或变成棕色,我们能在这些外部信号显示出来之前就探测到。”NASA戈达德生物学家、地图绘制小组成员伊丽莎白·米德尔顿说。

  以往的实验室数据和实地研究结果显示,在因低温和光照不良导致环境压力增加的情况下,植物的绿色枝叶数量会下降,叶绿素荧光会减弱。荧光探测也有助于证实这一点,但还需要进一步分析荧光信号的细微变化。

  戈达德研究小组表示,希望今后能用荧光检测作为现有“绿色”检测的补充。将来,荧光检测能帮助农民探测作物发病、干旱和其他各种可能造成风险的问题,并应对极端天气;帮助调查饥荒情况,同时也给援助人员带来便利;帮助研究人员理解生态系统中的碳循环,这是气候科学中难以确定的关键领域。

  打开荧光探测的未来

  全球陆地植物荧光图的成功制作也直接影响到目前和将要开始的卫星任务。欧洲空间局(ESA)的实验——荧光探测任务(Fluorescence Explorer,FLEX)本来存在众多争议,新研究成了对这一项目的有力支持,将为其项目进程带来突破。目前它正处于可行性研究中期阶段,尚未确定FLEX的发射日期。

  NASA的轨道碳观测卫星-2(OCO-2)在检测二氧化碳水平的任务设计上和GOSAT很像,应该也能在全球范围进行有效的荧光检测。OCO-2将于2013年2月后在加利福尼亚的范登堡空军基地发射。

  来自GOSAT卫星的荧光信号也使人们意识到,科学家可借此提高大气中二氧化碳和甲烷的检测精度。该项目研究人员强调,该荧光地图只是初步对地球植物荧光进行大尺度探测,希望将来能继续提高并扩展。

  此外,GOSAT是在强烈的午后阳光下进行观测的,无压力条件下的植物会比有压力时产生更强的荧光信号,而在早晨或晚上光照变弱时,情况则相反,这让探测变得更加复杂。为了分析这两种相反的情况,戈达德基地研究小组表示,将进一步完善他们计算荧光的数学方法。加州帕萨迪娜的喷气推进实验室的研究人员也将与日本和欧洲同行合作,共同提高荧光监测水平。

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