растения под искусственным освещением
Фото: СФ

Спектры света и их влияние на жизнь растений

Слушать статью

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.

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:

универсальный спектр для растений

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.

график поглощения света растением

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.

спектральный состав света

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!

Читайте также:

Подписаться
Уведомить о
guest
1 Комментарий
Старые
Новые Популярные
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
Константин
2 месяцев назад

Позволю не согласиться и предположить, что фотосинтез — это процесс, характерный для автотрофных организмов, которые способны синтезировать органические вещества из неорганических, используя энергию света.

То есть противоположное тому, что вы написали

Напомню: фотосинтез — это процесс превращения органических веществ в неорганические с использованием воды, углекислого газа и света.

Процесс разложения органических веществ до неорганических называется минерализацией и осуществляется преимущественно гетеротрофными организмами, такими как животные, грибы и некоторые бактерии

Последний раз редактировалось 2 месяцев назад Konstantin A. ем
1
0
Обсудим в комментариях?x