Искусственное освещение становится важным элементом в развивающемся сельском хозяйстве и домашнем растениеводстве. С помощью специальных световых технологий можно создать правильные условия для роста растений даже в зимнее время года.
Как вы уже поняли из статьи про фотосинтез, свет — один из ключевых факторов, играющих важную роль в развитии растений и, как следствие, существования окружающей экосистемы.
Энергетическая и сигнальная функции света
Напомню: фотосинтез — это процесс превращения органических веществ в неорганические с использованием воды, углекислого газа и света. Побочным продуктом этого процесс является кислород, который жизненно важен для человека. Но суть фотосинтеза для растений — это вырабатываемая в его процессе глюкоза. С помощью фотосинтеза растение получает энергию, которую в дальнейшем тратит, например, на рост побегов и корней. Без достаточного количества света фотосинтез происходит медленно, но его избыток также может быть проблемой. Различные виды и сорта растений по-разному реагируют на количество освещения.
Пигмент хлорофилл поглощает большую часть энергии света и запускает процессы фотосинтеза. Чем больше зелёной поверхности растения освещено, тем больше энергии оно поглощает и, следовательно, больше глюкозы производит. В природе солнце меняет угол освещения в течение дня, обеспечивая равномерное покрытие светом. При выращивании растений под лампами важно давать свет не только сверху, иначе части растения, не получающие достаточное освещение, могут отмирать. Справиться с этой трудностью помогут отражатели света.
На рисунке показаны энергетические спектры поглощения базовых пигментов растения.
Кроме хлорофилла, существуют каротиноиды, которые также выполняют светособирающую функцию. Но вместо зелёного они придают растению жёлтые и красные цвета. С одной стороны, они защищают хлорофилл от избыточного света, с другой — помогают эффективнее собирать световую энергию в условиях её недостатка. Именно из-за наличия этого пигмента растения к концу сезона меняют свои цвета.
Помимо энергетической функции, свет выполняет ещё и сигнальную. Фоторецепторы, расположенные на листьях растения, улавливают волны, но не используют, а просто видят, задают импульсы и реагируют. Так, например, уменьшение светового дня служит сигналом, что пора переходить на цветение и растение запускает эти процессы.
Если энергическую функцию в растении выполняет пигмент хлорофилл, то для сигнальной у растения есть белковые пигменты — фоторецепторы. Фоторецепторы способны воспринимать спектры света и передавать информацию о них в клетку растения, а клетка передаёт его по всему растению. Фоторецепторы у разных растений устроены по-разному, поэтому и реакции на излучения могут различаться даже у близких видов.
Некоторые наиболее известные фоторецепторы
Фитохромы — это белковые пигменты, чувствительные к красному и дальнему красному свету. Играют роль в процессе прорастания семян (герминации), формирования стеблей и листьев, а также в переходе от фазы вегетации к фазе цветения.
Состоят из двух основных форм: активной Pfr и неактивной Pr. Превращение между этими двумя формами происходит при поглощении определенного спектра света. Например, когда растение облучают красным светом, фитохром преобразуется из формы Pr в форму Pfr. И наоборот, дальний красный способствует обратному превращению из Pfr в Pr. Такие изменения — важный механизм адаптации, позволяющий максимально эффективно использовать доступный световой ресурс для роста и развития.
Криптохромы — фоторецепторы, чувствительные к синему и ультрафиолетовому свету. Они также реагируют на длины волн в своём спектре (340‑500 нм) и транслируют сигнал в клетку. Участвуют в регуляции фотоморфогенеза — это процесс, в результате которого растение принимает форму и структуру в ответ на освещение. Контролирует рост, формирование листьев и корней.
Фототропины чувствительны к синему свету (около 450 нм). Ответственны за феномен фототропизма — движение растительных органов в сторону света. Когда растение освещается с одной стороны, фототропины на этой стороне становятся активными, что приводит к росту в направлении источника света. Помогают растению ориентироваться в пространстве и использовать максимум доступного света.
Спектры света в агрофотонике
Учёные давно обнаружили, что одни фотоны света ускоряют фотосинтез, а другие подавляют, вызывая ожоги и даже повреждение ДНК. Фотон — это частица света, которая представляет собой неразрывное скопление энергии. Электромагнитные волны, излучаемые солнцем, состоят из фотонов и образуют волны разной длины (100 нм – 1 мм). Но растения для фотосинтеза используют только видимую часть, называемую ФАР (400‑700 нм).
Дословно ФАР — это фотосинтетически активная радиация, но правильней было бы сказать «фотоактивное излучение». Потому что это часть видимого излучения, а радиация не входит в этот спектр. Проще говоря, ФАР — это спектр света от 400 до 700 нм, который используется растением для фотосинтеза и виден человеческим глазом. Мы видим ФАР, но не видим радиацию. Есть спектры света, которые не входят в ФАР, но также важны для растения. Поэтому для полноценного развития растений нас интересует диапазон от ультрафиолетового до инфракрасного (340‑800 нм). Например, некоторые эфирномасличные культуры без ультрафиолета теряют аромат (укроп, эстрагон).
В некоторых исследованиях спектры поглощения основных пигментов суммируются для формирования «универсального» спектра, форма которого показана на этом рисунке:
Давайте рассмотрим подробнее, какие спектры света используют растения и чему они способствуют.
Красный спектр
Красный спектр — это излучение в области 600‑700 нм. Он считается ключевым для проведения фотосинтеза, так как растение эффективней использует и преобразовывает в энергию такой свет. Также он вносит фундаментальный вклад в развитие растений. Например, влияет на прорастание семян, формирование органов и скорость перехода к цветению.
В поглощении красного спектра принимают участие хлорофилл (как и во всех спектрах) и фитохром. Но каждый их них выполняет разные функции. Хлорофилл отвечает за преобразование световой энергии в химическую энергию фотосинтеза. Фитохром регулирует процессы роста и развития, используя свет как сигнал, воспринимает информацию об окружающей среде и выбирает соответствующую стратегию для выживания.
Дальний красный спектр
Дальний красный — излучение в области 700‑800 нм, которое тоже улавливают фитохромы. Хоть он и не так эффективен для фотосинтеза, как красный, но он все же способствует этому процессу. Активирует фоторецепторы и тем самым усиливает или дополняет фотосинтетическую активность.
Дальний красный предоставляет данные об окружающей среде. Уменьшение соотношения красного к дальнему красному сигнализирует о наличии конкурентов за свет, что способствует активации генетической программы по избеганию тени.
Добавление длинноволнового красного в общий спектр стимулирует цветение и повышает урожайность. Также оказывает положительное воздействие облучение им в конце дня. Это связано с тем, что в естественных условиях в конце дня, когда солнце опускается над горизонтом, дальний красный спектр доминирует, сигнализируя растению о необходимости подготовки к ночному покою.
Синий спектр
Синий спектр — самый коротковолновый в диапазоне видимого света (400‑500 нм). Считается вторым по влиянию на интенсивность фотосинтеза после красного. Играет важную роль в развитии организма и воспринимается двумя типами фоторецепторов: фототропинами и криптохромами, а также рецептором хлорофиллом.
Существуют разные формы хлорофилла, например, a и b. На графике поглощения видно, что хлорофилл a и b наиболее эффективно поглощают синий свет в диапазоне 425‑460 нм. Почему же тогда красному спектру приписывают основную функцию? Дело в том, что синий свет обладает большей энергией. Соответственно, квант синего света содержит больше энергии, чем квант красного. Молекула хлорофилла не может эффективно использовать полученную энергию, поэтому её излишек рассеивается в окружающей среде в виде тепла.
Известно, что синий спектр стимулирует накопление жиров и белков в растении, а красный способствует синтезу сахарозы. Это важно учитывать при выращивании растений, целью которого не является получение максимальной биомассы. Также синий спектр регулирует степень открытости устьиц.
Зелёный спектр
Зелёный спектр находится в диапазоне 500‑600 нм. Цвет растения обусловлен способностью хлорофилла отражать волны именно этой длины. Однако многие заблуждаются, говоря, что он в меньшей степени нужен растению. На самом деле только 10‑50% зелёного света отражается, а вся остальная энергия активно используется. Если взглянуть на спектральный состав света, то мы увидим, что пик приходится именно на зелёный. Даже красный, наиболее благоприятный для фотосинтеза, уступает зелёному в этом.
Зелёный спектр обладает повышенной проникающей способностью, достигая мест, обеднённых светом. Эксперименты показали, что красный и синий спектр усваиваются преимущественно верхними частями растения. Там, где их лучи перестают работать, именно зелёный вносит существенных вклад в фотосинтез. Это особенно важно для выращивания культур, формирующих плотный растительный покров.
Ультрафиолетовый спектр
Ультрафиолетовый спектр (УФ) — это длины волн в диапазоне от 200 до 400 нм. Представляет собой часть электромагнитного спектра, находящийся между видимым светом и рентгеновскими лучами. Включает в себя три основных диапазона: УФ‑A (320‑400 нм), УФ‑B (280‑320 нм) и УФ‑C (100‑280 нм).
УФ-C — самый коротковолновый и наиболее опасный для живых организмов. Поглощается озоновым слоем в стратосфере Земли, это защищает нас от его вредного воздействия.
УФ-B поглощается атмосферой, но небольшая его часть достигает поверхности земли. Может вызывать солнечные ожоги и повреждение ДНК, что может привести к развитию рака кожи.
УФ-A почти без препятствий проходит сквозь атмосферу, в дальнейшем оказывая воздействие на все объекты живого мира.
Фоторецепторы, ответственные за поглощение УФ-излучения, описаны ранее — это фитохромы, криптохромы и фототропины. Но недавно был обнаружен ещё один рецептор — UVR8, который чувствителен к УФ-В излучению. Благодаря информации, полученной этим рецептором, растение способно запускать защитные механизмы для предотвращения вредного воздействия ультрафиолета.
Растения отличаются по восприимчивости к ультрафиолету, но результаты зависят от интенсивности и продолжительности воздействия. Для разных культур показатели могут различаться. Правильное включение ультрафиолета в общий спектр может способствовать синтезу необходимых соединений без негативного влияния на развитие растений.
Заключение
Несмотря на значительные достижения в изучении спектрального состава света и его воздействия на растения, эта область остаётся до конца не изученной. Существует множество факторов, влияющих на восприятие света растениями, включая генетические особенности и условия выращивания. Глубокое понимание взаимодействия различных длин волн и их влияние на физиологию растений требуют дальнейших исследований. Поэтому для создания правильных условий нужны дальнейшие эксперименты.
Сейчас можно с уверенностью сказать, что растения нуждаются во всех спектрах света. Важен синергетический подход к спектральному составу света. Поэтому всеми излюбленные фиолетовые фитосветильники, которые излучают лишь волны красного и синего спектра — не эффективный вариант для домашнего выращивания. Какие лампы существуют, а какие выигрывают на рынке, поговорим в следующей статье.
Прогресса и новых знаний вам, дорогие сити-фермеры!
