Да будет свет!

Для гровера свет является существенной частью его набора инструментов. Это топливо нашей машины, плазма в нашем реакторе, ведь это единственная форма энергии, которую растения могут принять. Здесь центр всего, что мы делаем, а фотосинтез — это процесс, определяющий то, насколько наши растения преуспевают.

В "тёмные времена" гидропоники для освещения своих растений гроверы использовали простые флуоресцентные лампы, и получали смешанные результаты. А всё потому что флуоресцентный свет отличается от солнечного по многим показателям, и не может дать растениям освещение того качества, какое им требуется.

Чтобы "пролить свет" на этот вопрос, нам следует "осветить" то, как растения используют освещение, и то, как мы можем использовать технологию, чтобы увеличить потенциал наших гроу-румов. Но перед тем, как мы начнём, было бы хорошей идеей объяснить, почему большинство информации по этому вопросу выглядит столь запутанной.

Наука и запутанность

Говоря честно, учёные не заинтересованы в правде, но заинтересованы в поисках того, в чём они не правы, и где может скрываться ошибка.

Это высказал ещё Фрэнсис Бэкон, отец современного научного мышления. В понимании этого лежит ключ к пониманию того, почему учёные делают всё таким пере-усложнённым и трудным для восприятия.

Каждое равенство на рисунке описывает процесс фотосинтеза, но по мере продвижения вниз, уравнения становятся всё менее ошибочными, и чуть более близкими к реальному положению вещей. Глядя на "Воду", мы видим, что это не просто "одна вещь", но, как показано во втором равенстве, — молекула, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода. А в третьем равенстве мы видим, что речь идёт не об одной, а о шести молекулах. А если мы продолжим процесс движения в сторону меньшей неправоты, то через несколько шагов мы придём вот к такому: 

Рисунки типа этого и создают впечатление, что учёные стараются смутить людей, но помните, что они просто пытаются быть менее неправыми.

Семейство хлорофиллов

Хлорофилл есть вещество, которое позволяет листьям растений поглощать свет и превращать его в углеводы.

Каждый успешно поглощённый фотон (частичка света) позволяет растению произвести больше высоко-энергичных молекул, таких как глюкоза, которые используются во многих клеточных процессах.

К сожалению, хлорофилл — это не одна молекула, в отличие от воды (H2O), диоксида углерода (CO2) или даже глкозы (C6H12O6). Это целое семейство разных молекул, с разными названиями, структурой и функциями. Для начала, давайте посмотрим что у них общего.

Все молекулы хлорофилла прикреплены к поверхности мембранных стопок, называемых тилакоиды, которые находятся в хлоропластах клеток листьев. Все они принимают участие в фотосинтезе. Более того, все они выполняют в этом процессе большое разнообразие функций, как разные роботы на производственной линии.

В этом семействе нас наиболее интересуют пигменты Фотосистемы. Пигменты (что-то типа красителей) работают как поглотители определённых цветов фотонов света, пропуская при этом другие цвета. Фотосинтетические пигменты отдают поглощённую энергию фотона набору электронов, которые, внезапно получив повышение энергетического уровня, двигаются сквозь тилакоидную мембрану. Эти высоко-энергичные электроны и оживляют дальнейший процесс фотосинтеза таким же образом, каким вода, падающая с высоты, приводит в движение колесо водяной мельницы.

Существует три основных типа пигментов, со свойственными им уникальными способностями поглощать различные цвета или частоты фотонов света.

Если быть ещё "менее неправым", то стоит сказать, что каждый пигмент — это сложный набор различных молекул, объединённых в дискообразную структуру, известную как Комплекс фотосистемы. Эти комплексы известны как Хлорофилл A, Хлорофилл B и Каротиноиды. Последние, кстати, состоят из под-семейста различных типов молекул, и, по сути, не поставляет энергию в фотосистему, но использует поглощённую энергию для того, чтобы удержать фотосистему от разрушения в процессе выполнения своих функций.

Как видно из следующего рисунка, растения не очень хороши в поглощении зелёного и жёлтого цветов. У них просто нет такого пигмента, который мог бы поглощать эти частоты света. Поэтому светить на растения светом такого цвета бессмысленно — он просто пройдёт сквозь лист.

ФАР и ФПР

Длины волн света, поглощаемые любым хлорофиллом, называются Фотосинтетически Активная Радиация (Photosynthetically Active Radiation) или коротко ФАР (PAR).

Много света, исходящего от ламп НЕ ПОПАДАЕТ в эти границы. Нет пигментов, способных поглотить его, и его называют не-ФАР (non-PAR). Не-ФАР свет довольно бесполезен в нашем вопросе. Растения не могут использовать его, чтобы быстрее расти, так что он лишь расходует электричество и деньги. Обычные лампы накаливания выделяют много не-ФАР энергии, обычно в виде избытка тепла или инфра-красного (ИК) света.

Просто факт того, что свет активирует фотосинтез, ещё не значит, что он это делает хорошо. Т.к. растения плохо поглощают и используют зелёный свет, такой свет расходуется попусту. Это значит, что не достаточно просто купить лампу с хорошим ФАР-рейтингом. Лампа должна обладать хорошим уровнем ФПР — Фотосинтетически Полезная Радиация (Photosynthetically Useful Radiation). Лампа, имеющая высокий ФАР, но выделяющая много энергии в зелёном спектре, будет иметь меньший ФПР, чем та, которая будет светить в красном спектре.

Измеряя свет

Так же, как мы разобрались с хлорофиллом и поглощением спектра, нам надо разобраться с тем, как измерить различное количество и качество света. И одно из препятствий в эффективности этого занятия состоит в том, что свет есть один из фундаментальных аспектов реальности, и, хотя он неизменен, измерение его зависит от способа его понимания.

  • Длина волны, частота и цвет
    С одной стороны, свет — это волна электромагнитной энергии, движущаяся в пространстве с определённой скоростью. И как любую волну, эту можно охарактеризовать набором значений, которые можно измерить. Это скорость волны (которая у света постоянна), длина волны (обычно измеряемая в микрометрах или нанометрах), и частота волны (измеряемая в Герцах — волн в секунду). Так как частота есть скорость, делённая на длину волны, а скорость света остаётся неизменной, длина волны изменяется обратно пропорционально её частоте. Эти измерения используются для определения цвета испускаемого объектов света.
     
  • Поток частиц и освещённость
    С другой стороны, свет есть набор частиц, называемых фотоны, которые испускаются источником света с определённой измеряемой интенсивностью, и падают на поверхность с другой измеряемой интенсивностью. В отличие от волн, частицы могут быть посчитаны, и большинство частиц считают в молях. 1 моль — это примерно 6х1023, т.е. число 6 с 23 нулями после. Когда измеряют фотоны, то используют микромоли (одна миллионная моли). Одна миллионная это 1х10-6, что, в сочетании с молями даёт примерно 6х1017 частиц в микромоли.

    Нас больше интересует свет, попадающий на поверхность (падающий свет), чем исходящий из лампы (излучаемый свет), ведь мы хотим знать, как много света попадает на листья наших растений.

    Когда фотоны падают на поверхность, мы можем измерить, как много фотонов (ммоль) падает на квадрантый метр поверхности (м2) в секунду (с-1 или /с). Объединив всё вместе, мы получим Световой поток, измеряемый в ммоль х м2 х с-1, что также называется освещённостью, и может измеряться в Люменах (лм). Один люмен это один ммоль х м2 х с-1. Если мы учитываем только ФАР фотоны, которые падают в фотосинтетическом спектре, то мы приходим к Световому Потоку Фотосинтеза (Photosynthetic Photon Flux (PPF)).

    Но даже если будет фотон правильной длины волны, и он падает на лист, это не обязательно означает, что он будет поглощён молекулой хлорофилла и вовлечён в фотосинтез. Есть много шансов, что он просто пройдёт сквозь лист, либо будет поглощён какой-нибудь не фотосинтетической молекулой, скажем, крахмала или целлюлозы. Более полезная величина получится от объединения поглощаемого спектра листьев с PPF, и это будет Усваиваемый Световой Поток (Yield Photon Flux (YPF)). С увеличением PPF в пределах ФАР, увеличивается и YPF, но YPF всегда будет меньше, чем PPF из-за различных неэффективностей в листе растения.

    Предположим, что в вашем гроу-боксе используется 12-часовой световой режим, и т.к. в одном часе 3600 секунд, общее количество света, используемого вашим растением за 12 часов будет равно Х ммоль м2 с-1 (12 ч х 3600 c/ч), где Х — YPF вашего освещения.
     
  • Энергия, яркость, интенсивность
    Более знакомо измерять свет как тип энергии — в Ваттах, что есть Джоули в секунду (Дж с-1). Ватты - это величина измерения Силы, и это энергия в секунду. Здесь нам важно знать, сколько энергии использует наша лампа (на входе), и как это повлияет на наш счёт за электричество.

    Ещё нам интересно, сколько энергии лампа испускает (на выходе), особенно в ФАР и ФПР диапазоне. Отсюда идут понятия ФАР-ватты и ФПР-ватты (PARwatts, PURwatts). Количество энергии в секунду, испускаемое лампой, известно как Яркость (светимость) лампы.

    Изначально яркость измерялась в фут-канделах (foot-candle, fc или ft-c), что означало количество света в люменах, падающих на квадратный фут поверхности на расстоянии одного фута от свечи. Метрический эквивалент называется Люкс (Lux, lx), или метр-кандел, т.е. всё то же самое, только футы заменены на метры (освещение площади 1 кв. метр на расстоянии 1 метра от свечи).

    Общее количество энергии, падающее на 1 кв. метр поверхности в секунду, называется Интенсивность излучения. Это похоже на Световой поток, но вместо измерения количества фотонов, измеряется их энергия. Это важно, потому что высокочастотный свет c малой длиной волны имеет больше энергии, чем свет с низкой частотой и большой длиной волны. Измеряем мы это в Ватт м2 с-1.

Влияние света

Теперь, умея измерять свет, и понимая, как растения его используют, мы можем обратить наше внимание на то, какие изменения в качестве и интенсивности света могут влиять на наши растения.

Хотя ФПР— это единственный свет, который может быть использован в фотосинтезе, растения полагаются на многие другие длины волн света, чтобы собрать информацию об окружающем мире. Из-за своей относительной неподвижности (по сравнению с животными) растения достигли чрезвычайной эффективности в сборе данных об окружающей действительности, и измененяют свои внутренние процессы на основе этих данных.

Растения, которые не получают достаточно света, быстро растут вверх, и становятся длинными и вытянутыми. Эта адаптация возникла в процессе эволюции, ведь тянуться выше — неплохая стратегия, если света не хватает. А механизм, который делает это возможным, основан на разрушительной силе света, в частности на Ультра-Фиолетовом излучении (UV). Падающий на растение свет разрушает некоторые молекулы, и тем самым уменьшает количество неповреждённых гормонов роста. Уменьшение количества гормонов тормозит быстрый рост растения, и предотвращает вытягивание.

Высокая интенсивность света тоже может вызвать проблемы у растений. Семейство хлорофиллов находится в постоянном балансе между созданием и разрушением, а вещества и энергии, которые растение использует в фотосинтезе, имеют разрушительный потенциал для нежных молекул фотосистемы. Важной целью фотосинтетической системы является накопление энергии, которая будет использоваться для предотвращения разрушения системы и составляющей её белков. Но силишком большое количество света может вызвать изменения внутриклеточной и молекулярной структуры клеток листьев, отворачивание рецепторов от падающего излучения, чтобы уменьшить его пагубное воздействие. 

Растения также могут создавать защиту от длительных экспозиций, утолщая клеточные стенки. Однако эти процессы требуют времени, поэтому быстрое изменение освещения до высокого уровня может повредить хрупкую фотосистему, перегрузив лист разрушительными продуктами фотосинтеза.

Современные исследования показали, что Инфра-Красный свет (IR) используется растениями для синхронизации периодов цветения и плодоношения. Так как количество инфра-красного излучения солнца меняется в течение года, растения одного вида могут начинать своё цветение, ориентируясь на него. Это, опять таки, эволюционная адаптация, которая максимально увеличивает шансы того, что пыльца другого растения того же вида достигнет цветка растения и приведёт к оплодотворению. Поэтому, искусственно увеличенное количество ИФ-излучения может использоваться для стимуляции цветения в нужное время.

Напоследок

Это весьма обширная тема, на работу над которой некоторые люди тратят свои жизни, так что данная статья не может претендовать на большее, чем простой обзор основных вопросов в рамках выращивания растений на гидропонике.

В будущих статьях мы надеемся более внимательно рассмотреть отдельные вопросы: как лампа испускает излучение, как увеличить эффективность освещения, какие растения как себя чувствуют под разными типами освещения.

--
Перевод статьи "Making Light Work" из журнала HYDROMAG

 

 

 

Следуйте за нами!