Привет, дорогой сити-фермер! Сегодня мы говорим о важном вопросе — освещение растений. Эта тема, которая на первый взгляд может показаться узкоспециализированной, на самом деле имеет огромное значение для современного сельского хозяйства и обеспечения продовольственной безопасности. По мере роста населения планеты и урбанизации потребность в выращивании свежих продуктов питания в ограниченных городских условиях становится всё более актуальной. А искусственный свет позволяет контролировать рост растений независимо от времени года и климата.
Свет — один из самых важных факторов для нормального роста и развития растительных организмов. Он необходим для фотосинтеза — процесса, при котором культуры с помощью солнечной энергии синтезируют питательные вещества из углекислого газа и воды. Без достаточного количества света растения не могут полноценно развиваться и плодоносить.
Учёные установили, что разные виды растений лучше реагируют на разные спектры света. Некоторые требуют ярко-синего света для роста листьев, другие — красного и дальнего красного для образования цветков и плодов. Так зародилась целая отрасль науки и сельскохозяйственной практики. Рассмотрим её истоки более подробно.
Ранние эксперименты и наблюдения
Исследование влияния искусственного света на рост флоры началось задолго до нашего времени, и его история представляет собой захватывающий путь от древних экспериментов до современных открытий. Раньше люди использовали простые методы для улучшения светового режима растений, такие как размещение их в освещённых местах и применение отражающих поверхностей.
В XVII–XIX веках начало научного подхода к изучению света и его влияния на фотосинтез открыло новую эру в агрономии и ботанике. Учёные этого периода начали экспериментировать с разными типами источников света, включая лампы накаливания и флуоресцентные лампы, чтобы понять, как они влияют на рост и развитие наших зелёных друзей. Особое внимание уделялось спектральному составу света, поскольку было обнаружено, что определённые длины волн помогают фотосинтезу.
История изучения фотосинтеза началась еще в XVII веке с экспериментов Яна Баптиста ван Гельмонта, который опроверг древний тезис о том, что растения получают большую часть своей массы из почвы. Для этого он посадил ивовую ветвь весом 5 фунтов в ёмкость с 200 фунтами земли и поливал её только дождевой водой. Через пять лет вес ивы составил 164 фунта, а вес земли уменьшился всего на 2 унции. Так учёный сделал вывод (впоследствии оказавшийся ошибочным), что вещество растений образуется из воды. Однако это стало одним из первых шагов к пониманию роли света и воды в фотосинтезе.
Далее, в 1772 году, Джозеф Пристли провел серию экспериментов, в которых обнаружил, что растения способны «оживлять» воздух, что позволяло мышам и свечам снова использовать его. Это привело к дальнейшим открытиям Жана Ингенхауса и Жана Сенебье в конце 1700-х годов — они выяснили, что растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, особенно в дневное время.
Теодор Энгельманн в своих экспериментах с использованием призмы обнаружил, что водоросли Spirogyra выделяют кислород в основном в синей и красной частях спектра, что указывало на важность этих длин волн для фотосинтеза. Это открытие подтвердило, что ключевой фотосинтетический пигмент должен поглощать синие и красные лучи, а значит, отражать зелёные, что и делает хлорофилл.
Один же из первых зарегистрированных экспериментов под контролируемым освещением был проведен в 1861 году учёным Мангоном, который изучал производство зелёной массы растений под воздействием электрического света. Это стало одним из первых документальных свидетельств о попытках использования регулируемых источников света для стимуляции роста растительности.
В это же время российский ботаник Андрей Фаминцын проводил пионерские опыты с керосиновыми лампами для изучения влияния искусственного освещения на рост водорослей. В своих трудах в 1860-х годах он описывал методики культивирования различных видов микроводорослей под керосиновым светом, анализируя их развитие в сравнении с естественной инсоляцией.
Позже, в 1903 году в Лондонском королевском обществе наш соотечественник Климент Тимирязев прочел крунианскую лекцию «Космическая роль растений». В ней он подвел итоги более чем 30-летнего исследования роли хлорофилла и солнечного света в воздушном питании растений и развитии жизни на земле. В работе говорилось о значении фотосинтеза, осуществляемого зелёными растениями, как первоисточнике органического вещества и энергии, необходимой для жизнедеятельности всех остальных организмов. Эти утверждения стали крупным вкладом в научное представление о единстве живой и неживой материи в процессе круговорота веществ и превращения энергии в природе.
А в 1905 году Фредерик Блэкман обнаружил, что при низкой интенсивности света повышение температуры мало влияет на скорость фотосинтеза, что указывало на то, что фотосинтез имеет две стадии: световую и темновую (энзиматическую), которая больше зависит от температуры.
И ещё один наш ботаник Михаил Цвет, уже в 1906 году использовал хроматографию для изучения хлорофилла и других пигментов, присутствующих в листьях растений, что позволило глубже понять процесс фотосинтеза и роль различных пигментов в нём. Хотя Цвет не проводил эксперименты с искусственным освещением напрямую, его методы и открытия оказали значительное влияние на биологию растений и фотобиологию.
Одним из ключевых выводов ранних исследований было понимание, что не весь искусственный свет одинаково полезен для растениеводства. Флуоресцентные лампы, излучающие больше синего света, оказались более подходящими для стимулирования роста по сравнению с обычными лампами накаливания, которые излучают больше красного и инфракрасного света и могут способствовать получению вытянутых, худощавых растений.
Развитие электрического освещения
На заре экспериментов с искусственным светом люди использовали самые примитивные его источники — масляные лампы, свечи, газовые рожки и различные прототипы электрических ламп. Они позволяли проводить первые наблюдения, но были крайне ограничены в мощности и спектральных характеристиках.
Но настоящие понимание и история искусственного освещения в агрономии и ботанике начали формироваться в XIX веке с создания угольной дуговой лампы сэром Хэмфри Дэви в Англии и Василием Петровым в России. Этот тип лампы генерировал свет за счёт электрической дуги между двумя угольными стержнями.
Хотя угольные дуговые лампы не использовались в теплицах, существуют свидетельства интереса ботаников того времени к изучению влияния этих ламп на рост сельхозкультур. Например, Либерти Бейли применял дуговое освещение для изучения фотопериодизма в теплицах, обнаружив, что угольные дуговые лампы могут ускорять этап созревания.
Но подлинная революция произошла с изобретением электрической лампы накаливания Томасом Эдисоном в 1879 году. Яркий, компактный и относительно долговечный источник света сделал реальностью круглогодичное выращивание растений в закрытых помещениях.
Индустрия получила импульс для развития специализированных ламп с улучшенными характеристиками: газоразрядных, люминесцентных, натриевых и других. Это открыло новую эру освещения растений вплоть до появления современных светодиодных технологий.
Изобретение податливого вольфрама Уильямом Кулиджем из General Electric Company в начале 1900-х годов привело к революции в электрическом освещении. Лампы накаливания на основе вольфрамовой нити, названные лампами Mazda в честь зороастрийского бога света, имели более длительный срок службы и потребляли меньше электричества. В отличие от угольных дуговых ламп, лампы Mazda использовались в теплицах, однако свет этих ламп опять же содержал инфракрасные волны, заставляя растения вытягиваться.
Затем Артур Комптон в 1920 году создал лампу на парах натрия, которая обладала высокой энергоэффективностью по сравнению с лампой накаливания, но имела плохую цветопередачу (в основном жёлтый цвет), что делало её неидеальной для использования в теплицах.
Трудное время
Вторая мировая война поставила перед сельским хозяйством и продовольственной безопасностью многих стран серьёзные вызовы. Нарушенные торговые пути и транспортные связи вызвали острую потребность в организации круглогодичного выращивания овощей на местном уровне.
Контролируемые источники света для растений стали необходимостью в этих условиях. Правительства стран, участвующих в войне, активизировали финансирование исследований, направленных на совершенствование методов культивации сельхозкультур в закрытых условиях.
Экстремальные условия военного времени стимулировали развитие технологий искусственного освещения для растениеводства, что стало очень важным для преодоления продовольственного кризиса.
Завершение Второй мировой войны привело к дальнейшему развитию и популяризации технологий освещения. Возник новый интерес к культивации и организации оранжерей в закрытых условиях.
В 1950-60-х годах были освоены более доступные технологии производства люминесцентных и натриевых ламп. Открытие учёными из General Electric Company материала под названием Lucalox, или керамики из оксида алюминия, позволило разработать лампы высокого давления на парах натрия (HPS) с лучшей цветопередачей и более длительным сроком службы.
Эти лампы имели высокий электрический КПД, длительный срок службы и обеспечивали свет относительно широкого спектра, приемлемый для широкого круга видов растений. HPS-лампы стали популярными для использования в камерах выращивания и в настоящее время являются предпочтительными лампами для дополнения естественного освещения теплиц во многих странах мира.
Шагая в современность
Сегодня искусственное освещение обретает новые грани, особенно в контексте аграрной науки, где оно стало неотъемлемым аспектом успеха. До нынешней эры светодиодов различные типы ламп — от люминесцентных до натриевых высокого давления — открывали путь к более эффективному выращиванию в условиях теплиц и гидропонных систем.
Этот период стал свидетелем того, как инновации преобразовали садоводство, делая возможным выращивание растений круглый год, без ущерба для качества и количества урожая. Возможности регулировки спектров и мощности света помогли перейти к более научно обоснованному и контролируемому подходу в аграрной науке, предвещая появление светодиодов, которые впоследствии внесли ещё больше новшеств в эту область.
Но об этом, пожалуй, мы поговорим в следующем материале. Скоро я вернусь и расскажу о современных лампах, открывшихся новых возможностях и перспективах для сити-фермеров и садоводов-любителей. Так что не пропусти, любимый читатель, впереди нас ждут по-настоящему светлые открытия! До скорого!
