地球植物荧光现象助“起底”光合作用

据美国宇航局NASA官方网站报道，NASA研究人员在使用卫星设备对地球进行观测时，获得了意外发现——陆地植被覆盖区闪现出极不易察觉的绿色光芒。此前，想要从地外拍摄到叶绿素散发的光芒，只有使用部署在NASA麾下Terra号和Aqua号航天器上的中等分辨航天成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)，在海洋上空进行作业。

2009年，日本发射了温室气体观测卫星GOSAT(日本称“伊吹号”)。这一卫星的原定任务是测量地球大气层中的二氧化碳和甲烷水平，但是，NASA研究人员同日本和其他国家研究人员一道，在GOSAT采集的海量数据中发现了另外一项隐匿其中珍贵信息：植物叶绿素散发的荧光。过去几十年来，虽然科学家们在实验室和试验田地都测量到过植物荧光现象，但这次卫星提供的数据使科学家们得以从全球角度研究这种太阳能诱导下的叶绿素荧光能力。同时，人类在陆上植物用途方面或许也将迎来全新的方式。

太阳能诱发的叶绿素荧光现象又被称为“光合作用的签名”，它标志着植物正在将来自太阳的光能转化为自身的化学能。叶绿色分子吸收光辐射后，将一部分光能转化为热量耗散掉，另一部分转化为更长波长的荧光。

2014年7月，NASA发射了同GOSAT任务相似的轨道碳观测器2号(Orbiting Carbon Observatory-2, OCO-2)。OCO-2上搭载的仪器可以准确测量地球大气层中的二氧化碳含量，每秒可进行24次采集，大大超出GOSAT每4秒一次的采集频率。单就采集量而言，OCO-2采集到二氧化碳和荧光数据是同期GOSAT的100倍。负责研究植物、碳和气候互相作用的科学家正迫切地希望拿到OCO-2采集到的叶绿素荧光现象数据。

位于加利福尼亚州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室碳与生态系统研究项目负责人大卫·施梅尔(David Schimel)提到：“OCO-2提供的数据要比GOSAT更为全面，使我们有机会以一种全新的方式观测大规模光合作用变化。采集荧光现象数据或许成为OCO-2执行过的最特别的任务之一。这一发现无论是对NASA、对美国，还是对世界而言，都有不同寻常的意义。”

“关掉太阳光”

从太空角度观测植物的荧光现象，科学家首次得以在如此大规模的层次来推测光合作用率，深入研究分析这个地球最为重要的生物化学反应。斯坦福大学卡内基科学研究所全球生态系统部门的研究人员约瑟夫·贝瑞(Joseph Berry)表示：“光合作用率十分关键，因为它直接影响植物对大气中二氧化碳的吸收过程和农业作物生产过程。”

测量这类荧光听起来似乎很简单，但在强烈的反射日光中，进行这个工作实为不易。施梅尔解释道：“想象一下你坐在孩子的卧室里，孩子们在天花板放了一堆发光的小星星。当你打开灯，虽然星星还在发光，但从墙壁反射的灯光会和星星的光芒夹杂在一起。从太空寻找荧光现象就需要剥离开植物反射日光的影响，换句话说，就是‘关掉太阳光’。”

研究人员发现，调整GOSAT的光谱仪，只关注一个很窄的频段，就能够降低反射后的太阳辐射，单独来观测荧光现象。施梅尔打了个比方，这就好比在孩子的房间里，带上了可以过滤灯光的眼镜，然后就可以欣赏星光了。

科学家们为这一测量方式欢呼雀跃，因为他们可以更深入地了解地球上植物吸收二氧化碳的过程。根据非政府组织“全球碳计划(Global Carbon Project)”提供的数据，截至2011年，地球化石燃料的燃烧已经累计释放了近350亿吨二氧化碳，相当于70亿地球居民每人释放了5吨。其中一半仍留在大气层中，另一半被海洋吸收或被陆上、海洋生物吸入。这一效应使人类免于二氧化碳完全释放的灾难后果。

碳世界中的绿色植物

喷气推进实验室科学家、OCO-2项目组成员克里斯蒂安·弗兰肯伯格提到：“植物是绿色的不代表它就在进行光合作用。比如冬季的高海拔常绿针叶林，虽然依然是绿色，但实际上它们没有进行光合作用。”太阳能诱导的荧光现象可以直接告诉我们发生了什么，而单从绿叶是看不出什么的。

最近在一项对亚马逊热带雨林的研究中，使用了荧光测量方式——科学家分别观测干湿季的彼岸花，借此检验光合作用率。大多数研究结果显示，在干季，光合作用会有所减慢。贝瑞认为，空气干热时，植物会关闭气孔，保留水分。他提到：“在干季，植物需要大量的水分，光合作用放缓，整个森林都变得沉闷了起来”。

2005年和2010年，亚马逊盆地经历了百年一遇的干旱。绿度测量显示，大面积树木、森林冠层(树梢)在干旱来临后死亡。但GOSAT提供的荧光数据显示，缺水程度要低于正常年份的干季。贝瑞认为：“在气候变化进行的时候，干燥会变得更加严重。支撑热带雨林的区域将会减少。”热带雨林减少意味着，空气中的二氧化碳将更加肆虐。

施梅尔提到：“我们对气候和光合作用之间的量化关系并不是很了解，因为之前的研究规模不够。从宇宙测量荧光现象将会成为我们了解这一问题的重要补充方法。”

科学充满了偶然性，苦苦追寻某个结果时，或在不经意间发现另外一个新天地。除了本文中散发荧光的叶绿素，青霉素的发现同样也是一个偶然。当时研究人员忘记给正在培养蓝绿色霉菌的培养皿上盖，结果就是这样一个疏忽，人类发现了青霉素。