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La Fluorescence est l'émission de la lumière après l'absorption de la lumière.
Chez les plantes, c'est la fluorescence chlorophyllienne rouge sombre qui a été étudié le mieux. A par de cela, la fluorescence bleu-vert est étudiée plus intensément ces derniers temps: on mesure des substances phénoliques de l'épiderme (par exemple l'acide ferulique).
Parce que les plantes intactes peuvent transformer l'énergie qu'elles ont absorbée grâce à l'absorption de la lumière par la chlorophylle, dans le processus de la photosynthèse, on peut conclure par la valeur de la fluorescence à l'intensité de la photosynthèse. Le rapport réciproque à la première approximation entre la fluorescence chlorophyllienne et la photosynthèse est étudié il y à déjà presque 70 ans par H. Kautsky (Kautsky H, Hirsch A (1931) Neue Versuche zur Kohlenstoffassimilation. Naturwissenschaften 19: 964). Le changement da la fluorescence chlorophyllienne d'une feuille lors du passage de l'obscurité à la lumière (cinétique d'induction ou "effet de Kautsky") donne des informations sur l'activité photosynthétique qui peuvent être obtenues plus facilement qu'avec les méthodes usuelles de mesure de la photosynthèse (fixation CO2 ou évolution d'O2).
Si on définit la fluorescence en spectre, on peut conclure des spectres d'émission de fluorescence sur la composition des pigments d'un échantillon. La fluorescence chlorophyllienne est située entre 650 et 800 nm avec des maxima à 690 nm (rouge sombre) et 740 nm (infrarouge proche). La fluorescence des substances phénoliques est située entre 350 et 600 nm avec des maxima à 440 nm (bleu) et 540 nm (vert). Le spectre d'émission de fluorescence d'une feuille que l'on mesure est essentiellement influencé par l'absorption des pigments qui ré-absorbent une partie de la fluorescence émise à l'intérieur de la feuille. De la ré-absorption, on peut conclure de la concentration des pigments. Le spectre démission de la fluorescence chlorophyllienne d'une feuille intacte change au cours du transfert de l'obscurité à la lumière ("effet de Kautsky", voir au-dessus). Avec un spectromètre mesurant des spectres durant quelques millisecondes, on a pu démontrer en 1981 pour la première fois, que la position des maxima de fluorescence reste identique mais la relation du maximum de 690 nm à celui de 740 nm diminue (Buschmann C., Schrey H. (1981) Fluorescence induction kinetics of green and etiolated leaves by recording the complete in vivo emission spectra. Photosynthesis Research 1: 233-241).
Spectres de la fluorescence chlorophyllienne d'une feuille verte, intacte pendant l'illumination après un temps à l'obscurité
(cinétique d'induction Kautsky): L'axe de temps va de l'arrière (0 min) vers le front.
Dans un dernier temps, on procède à l'analyse des images de fluorescence des plantes. On enregistre la fluorescence par des cameras vidéo ultrasensibles. De la répartition de l'intensité de la fluorescence on peut conclure de la composition des pigments et éventuellement de l'activité photosynthétique. Des images de fluorescence avec des milliers d'éléments d'image sont beaucoup plus concluantes que les mesures de fluorescence usuelles d'un point de l'échantillon seulement. En outre, on peut tirer d'autres conclusion (par exemple sur les types de stress différents) des signaux de fluorescence.
Image da la fluorescence d'une feuille de Platanus: Intensité de la chlorophylle à 740 nm est montrée en faux couleur
(croissance de l'intensité: bleu - vert - jaune - rouge)
Bei der Messung der réflexion wird die von einer Probe zurückgesendete Strahlung erfasst.
Lors de la mesure de la réflexion on détermine quelle est la radiation ré-émise par l'échantillon.
La radiation incidente est changée par l'absorption et les effets de dispersion caractéristique pour l'échantillon. Ainsi on peut conclure grâce à la réflexion quelles sont les propriétés de l'échantillon. Chez les plantes on mesure plus souvent la réflexion des feuilles qui constituent la surface la plus grande de la plante. Chez les feuilles ce sont surtout les pigments et la couverture de l'épiderme qui déterminent la réflexion et qui peuvent être déduites des spectres de réflexion. Afin d'améliorer l'interprétation des données de télédétection un spectromètre de laboratoire étant capable de mesurer les spectres de réflexion, d'absorption et de fluorescence dans le visible et dans l'infrarouge (VIRAF: Visible Infrared Reflectance Absorption Fluorescence) a été développé. L'avantage de cet instrument est que tous les spectres peuvent être mesurés sans changer la position des échantillons (meilleure comparaison des spectres qu'avec la fixation répétée des échantillons dans des instruments différents). En outre, les feuilles peuvent être mesurées sans être coupées de la plante, ce qui évite leur dessèchement.
Photoakustik La photoacoustique est la mesure de la production de chaleur après l’absorption de lumière.
L’effet photoacoustique a été découvert en 1881 par Alexander Graham Bell: Lorsqu'un échantillon absorbe de la lumière la molécule absorbe et elle passe alors d'un état normal à un état excité. Par la suite elle passe de l’état excité á un état normal. Cependant l’énergie est transformée en chaleur (éventuellement aussi en fluorescence et/ou en photochimie), et est alors libérée. Cette chaleur qui apparaît au cours d'une "transition non-radiative" est mesurée par la photoacoustique.
Pendant une mesure photoacoustique un échantillon est introduit dans un petit compartiment fermé hermétiquement, la cellule photoacoustique. L'échantillon est irradié par de la lumière pulsée à travers le verre qui couvre la cellule. Lorsque la lumière est absorbée par l'échantillon, celui-ci transmet de la chaleur à l'air qui l'entoure. L'air chauffée se dilate. La lumière irradiée étant transmise sous forme de pulsations, la chaleur est également émise sous forme de pulsations. Ces pulsations thermiques induites par la lumière (photo-) peuvent être mesurées par un microphone (-acoustique).
On peut effectuer des mesures photoacoustiques sur des feuilles intactes. L'avantage de ce type de mesures est que:
(a) les propriétés d'absorption peuvent être mesurées sans les problèmes rencontrés habituellement avec des échantillons éparpillant fortement la lumière comme les feuilles,
(b) les mesures des propriétés d'absorption sont possibles pour des couches différentes sans préparation préalable ("analyse de profil") seulement par changement de la fréquence des pulsations de la lumière,
(c) les mesures des transitions non-radiatives vont compléter la compréhension des balances d'énergie des échantillons photosynthétiquement actives (l'énergie de la lumière absorbée est transformée en photosynthèse, fluorescence chlorophyllienne et chaleur).
L' Ecophysiologie L'Ecophysiologie se prête comme domaine d'application à la recherche environnementale et spécialement la photosynthétique.
En particulier, les mesures in vivo de la fluorescence, de la réflexion et de la photoacoustique peuvent être employées pour détecter les effets du stress naturel ou anthropogénique. Ces méthodes d'évaluation non-destructrices peuvent être effectuées sur certaines feuilles en laboratoire ou en extérieur et permettent de caractériser des plantes ou un peuplement végétale et peut être relier à d'autres mesures (par exemple la télédétection de la végétation).