森林'发光'揭示了冬眠的觉醒

北半球的冬天是残酷的。恶劣的条件使一些物种进入冬眠状态;熊减少了它们的新陈代谢状态以节约能量直到春天。森林也通过节约能源忍受冬天;他们关闭了光合作用，这是一种叫做叶绿素的绿色素吸收阳光和二氧化碳(CO2)产生化学能的过程。由光合作用产生的化学能的总产量称为总初级生产(GPP)。GPP在常绿森林告诉科学家们多少CO2这些巨大的和远程系统在呼吸。

由于光合作用拉CO2出来的气息，了解森林活动是跟踪全球二氧化碳水平是至关重要的。几十年来，科学家们利用卫星监测落叶林绿化的变化，以追踪GPP。在秋季和冬季，落叶叶片在休眠时会变成褐色并掉落。在春季和夏季，叶绿素返回绿叶，光合作用逐渐增加。然而，常绿树木常年保留其叶绿素填充的绿色针头，阻止科学家大规模地检测光合作用的发生和衰退。

有史以来第一次，一项新研究将季节性GPP周期与光合作用发生的过程联系起来，但最近已被某些卫星追踪 - 太阳诱导荧光(SIF)。当太阳的能量将叶绿素激发到更高的能量状态时，就会发生光合作用。当叶绿素恢复到正常状态时，它会发出光子，产生的光线对于肉眼来说太低了。由此产生的“发光”是SIF。

一个由研究人员组成的合作团队在塔上使用扫描光谱仪测量科罗拉多常绿森林中整个季节的荧光“发光”。该团队是第一个将SIF与针状生理学，冠层光合作用和卫星衍生荧光联系起来的团队。他们发现每日和季节性SIF模式与GPP的时间和幅度非常接近。在春天，常青树激活针叶中的叶绿素，驱动荧光和光合作用，与卫星最近能够测量的SIF紧密匹配。

植物在严寒的冬季保护自己的方法之一是通过部署作为“防晒剂”的光保护色素。该研究发现，当植物使用这种防晒剂时，光合作用和荧光都会减少，使科学家们能够对SIF信号有信心，作为监测常绿森林呼吸(CO2吸收)的代表。

现在，科学家们可以使用基于卫星的荧光测量作为常绿森林中光合作用活动的指标，这是前所未有的规模。通过观察太空中常绿森林的光芒，我们可以更好地了解这些森林如何应对气候变化。

“我们正在努力开发技术，能够‘看见’光合作用大尺度，让我们知道到底有多少CO2生物圈被消耗......保持手指对生物圈的脉搏，”特洛伊马格奈，研究说美国宇航局喷气推进实验室和加州理工学院的科学家。

Magney和该团队从2017年6月至2018年6月在科罗拉多州Niwot Ridge的亚高山针叶林中安装在塔顶的光谱仪系统中收集数据。他们能够解开针叶针内的生理变化，以更好地理解为什么我们看到SIF季节性周期。事实证明，这完全取决于颜料。

“你和我可以被晒伤。过多的紫外线会伤害我们的细胞。有些人可以保护自己 - 他们的皮肤会产生更多的色素黑色素，以适应高光环境，”大学生物学教授David Bowling说。犹他州和该研究的合着者。“植物有一个不同但相似的过程。”

没有光合作用来利用太阳的能量，植物就需要保护自己。研究人员发现，针叶树产生高水平的色素，这些色素是叶黄素循环的一部分，可以保护组织免受过量光照。整个季节，“防晒霜”的比例变化 - 冬季更多，夏季更少 - 降低荧光和光合作用。

“最终，测量植物的小荧光发光将使我们能够准确地看到陆地生物圈吸收碳的时间和幅度。这将有助于我们了解森林如何应对气候变化，并建议它们如何应对未来的气候变化， “马格尼说。

该研究的其他作者包括犹他大学的Maria Garcia和Brett Rackza;来自Bowdoin学院的Barry Logan和Sophia Lopez;加州大学洛杉矶分校的Katja Grossmann和Jochen Stutz;科罗拉多大学的Peter Blanken和Sean Burns;PhilippKöhler，Rui Cheng和加州理工学院的Christian Frankenburg;美国宇航局喷气推进实验室的David Schimel和Nicholas Parazoo。

本研究由美国宇航局碳监测系统计划(授予NNX16AP33G和NNX17AE14G)，美国能源部科学办公室AmeriFlux管理项目(奖项7094866)，国家科学基金会，美国宇航局博士后计划资助。

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