какие лучи в большей степени поглощаются хлорофиллом
Какой свет предпочитают растения
К сожалению, с качеством света, необходимого растениям, тоже не все так просто. Далеко не все лучи солнечного спектра поглощаются хлорофиллом в процессе фотосинтеза. Вернее, правильнее будет сказать, что растения поглощают значительную часть спектра солнечного света, но максимум интенсивности фотосинтеза наблюдается при облучении растения красным и синим светом. Именно эта область солнечного спектра наиболее сильно поглощается хлорофиллом. Красный свет (600 до 700 нм), в основном контролирует развитие растения, его цветение и производство семян, это особенно важно для цветущих растений. Однако, если при досветке растений использовать только красный свет, они будут высокими и тонкими. Синий свет (400 до 500 нм) главным образом контролирует развитие листьев; растения, выращенные с использованием только синего света, как правило, короткие и коренастые, с толстыми стеблями, с темно-зелеными листьями и очень плохо цветут. Зеленый свет практически не используется в фотосинтезе, он отражается листьями растений. Ультрафиолетовые лучи используются только в небольших количествах и могут легко навредить растению. Следует отметить, что такой спектр поглощения света характерен для хлорофилла, извлеченного с помощью спиртового раствора, тогда как хлорофилл, находящийся в листе, может поглощать свет и в других областях спектра. Это во многом зависит от состояния листа и других факторов. Тем не менее, максимум поглощения приходится все же на синюю и красную области спектра.
Вас также может заинтересовать:
Комментарии: 2
Так, что получается. Это можно вырастить скажем цветок при помощи LED ленты типа RGB. И все будет ок. ))
В принципе, да. Только для самых светолюбивых растений искусственного света все же будет недостаточно, а для относительно теневыносливых вполне хватит
Добавьте Ваш комментарий:
Этот тропический кустарник выращивается из-за больших ярких прицветников, которые бывают белого, розового или красного цвета
(Дата публикации: 2019-03-13)
Помогите определить растение:
Андрей
(12 ноября 2021, 18:25)
А что, будут какие-то «спецэффекты» если съесть много? 🙂 Был мелким, с удовольствием выискивал и. Далее.
Андрей
(12 ноября 2021, 18:19)
Аптения. Далее.
Наталья
(12 ноября 2021, 15:00)
Спасибо. Далее.
Комментарии к статьям:
©RM 2012-2020 | Обратная связь (Contacts) | Копирование материалов сайта возможно только с согласия авторов сайта
Зеленый спектр и его влияние на развитие растения
Введение
Приятный зеленый вид растений, обусловленный их способностью отражать зеленый свет в диапазоне длин волн 500-600 нм, создает обманчивое впечатление, будто такой спектр не важен в биологии. Но существует множество исследований, доказывающих обратное. Зеленый свет принимает активное участие не только в фотосинтезе, но и в регуляторных процессах растения.
Растения всегда адаптировались к внешним условиям. К тем условиям, в которых доминирующим спектром был и остается зеленый свет, получаемый от солнца. Поэтому уже на данном этапе мы догадываемся об огромной роли зеленого света в жизни растений. Взглянем на спектральный состав света. Пик излучаемой солнцем радиации приходится именно на зеленый спектр. Даже красный, наиболее благоприятный для фотосинтеза свет, уступает зеленому в этом.
Роль зеленого света в продукционном процессе
Особенности поглощения зеленого света растением
Зеленый свет бывает разным
Подбор определенного сочетания спектров — так называемого светового рецепта — дело индивидуальное. Если обычная технологическая карта выращивания культуры распространяется на все сорта этой культуры, то со световыми рецептами дело обстоит сложнее. Зачастую реакция растений на свет носит сортоспецифичный характер. Например, проведенные исследования на базе Тимирязевской сельскохозяйственной академии показали, как сильно меняется реакция на условия освещения у разных сортов салата.
Одни показывают интенсивный прирост биомассы на высоком соотношении синего спектра к красному, другие же ровно наоборот. Эта особенность касается и зеленого спектра. Он важен для всех культур. Но также важен подбор правильного пика его излучения и доли в общем световом потоке наравне с синим и красным спектрами.
Зеленый свет — не панацея. Если его слишком много, то о большом урожае можно забыть. Это хорошо демонстрируют опыты, проведенные в условиях, где в качестве света был использован только зеленый спектр. Длительное культивирование растений в таком режиме оказывало ингибирующее, то есть тормозящее воздействие на рост и развитие растений. Причина в том, что обилие зеленого света, особенно в длинноволновой области с пиком 550 нм, нарушает процессы деления клеток. В результате образовываются тонкие и мелкие листья.
Зеленый спектр также сильно воздействует на развитие растений. Из-за того, что зеленый свет при естественном освещении присутствует в изобилии в загущенных посевах, растение активно включает механизм избегания тени. То есть оно начинает вытягиваться, пытаясь вырваться из загущения. Это говорит о том, что, добавляя избыточное соотношение зеленого к остальным спектрам, можно навредить будущему урожаю, получив на выходе тонкие и ослабленные растения.
Помимо подбора правильной интенсивности, нужно понимать, что для растений важны и пики излучения в зеленой области. Так, длина волны с пиком 510 нм сильнее стимулирует фотосинтез, чем более длинноволновое излучение в 530 нм, которое в большей степени регулирует процессы развития организма.
Для формирования более целостной картины, стоит повториться, для каждого растения нет однозначной реакции на этот участок электромагнитного излучения. В опытах с пшеницей мягкой было показано, как при высокой интенсивности зеленого света приросты биомассы были выше, чем на синем свету той же интенсивности. В этом же исследовании отмечалось, что для некоторых растений, помимо пшеницы, зеленый спектр может полностью обеспечить жизнедеятельность при условии высокой интенсивности облучения.
Защитная роль зеленого света
Зеленый спектр помимо влияния на биомассу растения и регулирования его развития, также может предохранять или, по крайней мере, уменьшать воздействие патогена. Так, исследователями было зафиксировано, что под влиянием зеленого света у растений земляники повышалась устойчивость к болезни земляничного антракноза. Это выражалось в уменьшении числа повреждений на листьях.
При любом поражении растения вредителем или болезнью важно своевременно выявить угрозу. Если в качестве освещения используются только красно-синие светодиоды, то происходит сильное искажение цветового восприятия. Визуальная диагностика проблем в таком случае затрудняется. Добавление зеленого света поможет лучше оценивать здоровье растений. Кроме этого, для рабочих, задействованных на производстве, создаются более безопасные и комфортные условия работы.
Применение зеленого света на практике
В условиях полной светокультуры, где не было задействовано солнечного освещения проводились эксперименты с растением перца сладкого. Среди различных комбинаций световых рецептов одним из наиболее продуктивных для урожая оказался вариант, где преобладал красный спектр с добавлением зеленого. Доля последнего составляла 18% от общего светового потока. За период жизненного цикла был получен урожай 6.1 кг/м2. Этот же вариант освещения оказался наиболее благоприятным для формирования мощной здоровой рассады.
В похожих условиях был поставлен опыт на томатах. Использовались два варианта светодиодных облучателей. Первый имел соотношения спектров синий: зеленый: красный + дальний красный, как 15:30:55 + 14. Второй 19:1:80 + 5. Средняя урожайность с одного растения в первом варианте составила 1974,24г, во втором 1136,16г. Как видно из опыта, там, где в умеренных количествах был применен зеленый спектр, урожай почти в 2 раза превышал классический вариант на красно-синих светодиодах.
Акваловер
Аквариумистика — аквариум новичкам, аквариум любителям, аквариум профессионалам
Фотосинтез
Самое читаемое
Самое читаемоеФотосинтезом называется процесс образования из неорганических веществ (углекислого газа и воды) органических веществ, с использованием энергии световых лучей и с одновременным выделением кислорода. Это противоположный дыханию растений процесс.
По сути, фотосинтез — это уникальное явление в природе, благодаря которому, наша планета постоянно получает достаточное для жизнедеятельности животных организмов и человека количество кислорода.
Главным условием осуществления растениями фотосинтеза является световая энергия.
Фотосинтез растения происходит в листьях и зеленых стеблях, внутри клеточных структур, называемых хлоропластами. В каждой клетке хлоропласта содержатся сотни молекул хлорофилла, которые улавливают свет, а также каротиноиды, которые улавливают те участки спектра света, которые не улавливают молекулы хлорофилла. Хлорофилл поглощает красные и синие лучи, каротиноиды — зеленую часть спектра.
Молекулы хлорофилла активизируются световой волной. Фотосинтез достигает своей верхней точки при длине волны с 600 по 700 нанометров (оранжево-желтая часть спектра).
Красные и оранжевые лучи — основной вид энергии для фотосинтеза. Этот спектр очень полно поглощается хлорофиллом и увеличивает образование углеводов при фотосинтезе. Красно-оранжевый спектр имеет решающее значение для всех физиологических процессов в растениях.
Фиолетово-синий спектр тормозит рост стеблей, листовых черешков и пластинок, тo есть формируют более компактные растения с толстыми листьями. Эти лучи стимулируют образование белков и органический синтез растений. Сине-фиолетовые лучи почти полностью поглощается хлорофиллом, что максимально благоприятно для фотосинтеза.
Зелёные лучи не поглощаются листьями. Листья и стебли становятся очень тонкими. Для фотосинтеза эти лучи самые неблагоприятные. Хлорофилл отражает зеленый свет, что и придает растениям специфическую зеленую окраску.
Кроме видимой части света для растений имеет значение невидимый свет – ультрафиолет (UV), который в свою очередь, делится на короткие (UVC), средние (UVB) и длинные лучи (UVA).
Средние ультрафиолетовые лучи (длиной 280-315 нанометров) называют еще лучами пониженных температур, так как они «закаливают» растения и повышают их холодостойкость. На хлорофилл ультрафиолетовые лучи практически не действуют. Длинные ультрафиолетовые лучи (длиной 315-380 нанометров) необходимы для обмена веществ и роста растений. Они так же сдерживают вытягивание стеблей и повышают содержание витамина С.
В воздухе лучи рассеиваются незначительно. Однако, в толще воды они поглощаются, теряя энергию. Вода неодинаково поглощает световые лучи различных длин волн. Сильнее всего поглощаются красные лучи, потеря энергии на глубине 30 см составляет 50%! При этом потеря энергии синего луча на глубине в 1 метр составляет всего лишь 0,5%.
Но это не значит, что для аквариума нужно выбирать свет с преобладанием синего. Чем краснее цвет, тем ниже цветовая температура, чем синее цвет, тем цветовая температура выше. Цветовая температура измеряется в Кельвинах (К). При цветовой температуре ниже 5000К растения и вода приобретают нездоровый желтый оттенок, а при 10000К растения выглядят неестественно синими. Оптимальной цветовой температурой, при которой растения выглядят наиболее естественно, может считаться цветовая температура от 7000-8000 К.
Сам процесс фотосинтеза происходит, упрощенно, в два этапа. В первый этап для реакции важен свет. Хлоропласт улавливает световую энергию и трансформирует ее в химическую энергию. Второй этап не зависит от света — это реакция, когда полученная в ходе первого этапа молекула отдает атомы водорода для создания глюкозы. При разложении воды образуются кислород и водород. Кислород выделяется в воду, а водород связывается белком ферредоксином. На всех этапах фотосинтеза принимают участие фосфорилированные соединения.
Глюкоза — это топливо, образующееся в процессе фотосинтеза и использующееся растением для построения листьев, стеблей и т.п. Излишки глюкозы хранятся в корнях, стеблях и листьях растения. Глюкоза может быть трансформирована в целлюлозу, которая используется в качестве материала для построения клеточной структуры.
Наиболее оптимальным для фотосинтеза является промежуток pH от 6,6 до 7,3, с концентрацией CO2 от 25 до 30 ppm, а также наличие необходимых макро- и микроэлементов.
Активный фотосинтез отличает здоровое растение от растения, которое просто выживает в аквариуме. Для успешного фотосинтеза растений в аквариуме необходимы правильно подобранная световая гамма и достаточное количество СО2.
Спектры в агрофотонике
Выращивание овощей и фруктов в искусственных условиях не является принципиально новой технологией. Однако, интенсивный рост населения планеты в последние годы приводит к повышению уровня потребления продуктов. Это делает актуальными вопросы повышения производительности и эффективности систем искусственного выращивания растений.
Введение
Производительность всей системы выращивания определяет количественный критерий оценки – например, полезная масса сухого вещества или объем целевого экстракта из листьев/корней. Для качественной оценки можно анализировать химический состав растений и морфология (отклонение формы и размеров стебля/листьев/плода).
Для большинства культур лучший урожай и качество продукции могут быть получены при обеспечении растениям комфортных условий, где все основные физиологические потребности максимально приближены к естественным уровням.
Таким образом, в большинстве практических задач за эталон для сравнения и оценки результатов искусственного выращивания можно брать растение, выращенное в естественных условиях. Естественные условия для конкретной культуры, как правило, соответствуют климату в регионе его изначального происхождения.
Основы
Рассматривая процесс выращивания растений как замкнутую систему, можно выделить следующие основные факторы, влияющие на результат (см. рис. 1):
Оптимальная температура фотосинтеза для большинства растений средней полосы составляет примерно 20—25°С. Например, для подсолнечника повышение температуры в интервале от 9 до 19°С увеличивает интенсивность фотосинтеза в 2,5 раза. [1]
Так, при фотосинтезе за счет энергии света происходит образование органических веществ (углеводов) при участии хлорофилла. Хлорофилл (от греч. χλωρός, «зелёный» и φύλλον, «лист») — зелёный пигмент, окрашивающий хлоропласты растений в зелёный цвет [1].
Таким образом, количество света является важным фактором, влияющим на интенсивность роста растений. [2]
Также на протяжении многих лет эволюции этот процесс адаптировался к суточному циклу “день/ночь”. Днем под воздействием света вода разделяется на кислород и водород, а растение запасает энергию и питательные вещества. Ночью, в темноте углекислый газ под воздействием запасенной энергии соединяется с водородом, образуя молекулы углеводов, т.е. происходит собственно рост культуры.
Таким образом, при искусственном выращивании растений важно обеспечить не только высокую освещенность, но и правильную цикличность включения света, чтобы получить лучший результат.
О спектрах
Современные светодиодные технологии позволяют форматировать сложные спектры освещения растений. Рассмотрим, каким образом спектр влияет на процесс роста.
На рис. 2 детально показаны энергетические спектры поглощения базовых пигментов растения.
Видно, что помимо традиционно упоминаемых пигментов хлорофилла с пиками поглощения в диапазоне 400-500 нм и 650-700 нм, на процессы роста также влияют вспомогательные пигменты из семейства светособирающих фикобилипротеинов.
В некоторых исследованиях спектры поглощения основных пигментов суммируются для формирования “универсального” спектра, форма которого показана на рис. 3.
Спектр эффективности фотосинтеза показан на рис. 4.
Кривая весового коэффициента для фотонов (Photon-weighted) позволяет перевести PPFD в YPF; кривая весового коэффициента энергии (energy-weighted) позволяет сделать то же самое для ФАР, выраженной в ваттах или джоулях.
Рассмотрим подробнее, как влияет на растения излучение в различных участках этого диапазона.
Облучение растений таким излучением имеет негативные последствия, может приводить к гибели клеток и обесцвечиванию листьев/плодов.
Ультрафиолет B (315- 380 нм)
Это излучение не имеет видимого эффекта на растения.
Передозировка ультрафиолетового излучения может быть опасна для листвы, однако малые дозы излучения поглощаются в процессе цветения и созревания плодов и влияют на цвет и биохимический состав (вкус). Как правило, дозы, получаемые растением под воздействием естественного света, достаточны для поддержания этих процессов.
Синий свет (430-450 нм)
Как показано выше, эта часть спектра хорошо поглощается большинством основных пигментов растения. Эта часть спектра может влиять на морфологию растения: размер и форму куста/листьев, длину стебля. Ряд исследований показывает лучшую эффективность синего цвета на раннем этапе развития растения (вегетативная фаза).
Синий свет способствует открытию устьиц, увеличению количества белка, синтезу хлорофилла, делению и функционированию хлоропластов, сдерживанию роста стебля.
Зеленый свет (500-550 нм)
Значительная часть этого диапазона отражается от листьев, однако нельзя недооценивать роль и этого участка спектра на полноценное развитие растений. Так, например зеленое излучение, отражаясь от верхних листьев растения, обладает лучшей проникающей способностью и способствует более равномерному развитию листьев, на нижних уровнях, находящихся в тени более крупных соседей (рис. 5) [5].
Также, управление уровнем зеленого в спектре облучения позволяет контролировать время наступления и длительность фаз прорастания и цветения.
Оранжевый свет (550-610 нм)
С точки зрения рассмотренных выше спектров поглощения хлорофиллов, этот диапазон имеет незначительный уровень отклик. Однако, успешный опыт применения натриевых ламп, излучение которых в основном лежит в этом диапазоне, подтверждает, что фактически растения способны развиваться даже при не оптимальном спектральном составе освещения.
Красный (610-720 нм)
Наиболее эффективный диапазон, с точки зрения количества фотонов, поглощаемых растением в процессе на всех этапах развития.
Красный свет способствует цветению, прорастанию почек, росту стеблевых листьев, опадению листьев, спячке почек, этиоляции и т.д.
Дальний красный (720-1000 нм)
Несмотря на незначительный отклик в спектрах поглощения основных пигментов, дальний красный диапазон выполняет своего рода “сигнальную” функцию – как и в случае с зеленым цветом, корректировка уровня дальнего красного позволяет повлиять на время наступления и длительность фазы цветения и плодоношения.
Инфракрасный (1000 нм и выше)
Все излучение в этом диапазоне конвертируется в тепло, дополнительно влияющее на температуру растения.
Следует помнить, что для естественного солнечного света более 50% энергии излучается именно в инфракрасном диапазоне. Если растение в искусственных условиях облучается только в диапазоне 400-700 нм, то нужно дополнительно предусмотреть запас мощности в системе отопления для поддержания комфортной температуры.
Потребности растения на разных этапах роста
Как было отмечено выше, свет является не только источником энергии, контролирующим фотосинтез. Различные участки спектра воспринимается растением как сигналы, влияющие на многие аспекты роста и развития (прорастания, деэтиоляция) Изменения в развитии растений, связанные со светом являются результатом фотоморфогенеза.
На схеме на рис.6 показаны основные эффекты, стимулируемые различными цветами на протяжении жизненного цикла растения.
Рассмотрим более подробно влияние света на различных этапах
Синтез хлорофилла
Для светолюбивых растений подходит синий свет, для тенелюбивых растений подходит красный свет.
Цветение
Соотношение между длительностью светового периода и периода темноты называется фотопериодом. Общая протяженность суток – 24 часа, однако в зависимости от разной широты и времени года, протяженность дня и ночи неодинаковая. В зависимости от разных климатических условий и места произрастания, фотопериод у разных растений неодинаков. Цветение, опадение листьев, спячка почек – всё это является реакцией растения на изменение фотопериода.
Растения, которые готовы начать цвести, зацветут при наступлении подходящего фотопериода. Количество дней до начала цветения определяется возрастом растения. Чем старше растение, тем оно быстрее зацветет. Под воздействием фотопериода оказываются листья растений. Чувствительность листьев к изменению фотопериода связана с возрастом растения. Чувствительность старых листьев и молодых листьев неодинаковая. Наиболее чувствительными к изменению фотопериода являются растущие листья.
Накопление питательных веществ и рост растений регулируются излучением в красном и дальним красном диапазоне. Размножение определяется, синим светом. Фитохром, содержащийся в листьях, может принимать сигналы красного света и дальнего света. Растение готовое к цветению, зацветет, если последнее излучение будет красным дальним светом.
На рис. 7 показаны спектры поглощения растений при синтезе хлорофилла, фотосинтезе и фотоморфогенезе.
Светодиоды
Современные мощные светодиоды, применяемые в искусственном освещении растений, позволяют сформировать монохромное излучение фактически в любой части спектра, рассмотренной выше.
Примеры спектров светодиодов показаны на рис. 8
Стоит отметить светодиоды с длиной волны 450 нм (“глубокий синий”) и 660 нм (“дальний красный”), как составляющие, совпадающие с пиками поглощения хлорофиллов. Как было отмечено выше, наличие светодиодов пиком излучения в других частях спектра, позволяет дополнительно стимулировать другие участки спектра поглощения. Белые люминофорные светодиоды (серая кривая на рис. 8) имеют в составе своего спектра относительно широкую область излучения люминофора, а также синий пик непоглощенного люминофором излучения синего кристалла.
Комбинация светодиодов различных цветов в одном светильнике с возможностью независимого управления позволяет сформировать фактически любой спектр для конкретной культуры и фазы ее развития.
Примеры спектров, используемых в различных сценариях освещения растений,показаны на рис. 9
Отдельно стоит рассмотреть спектр облучения, получаемый растением, когда на него воздействует одновременно естественное излучение и излучение системы светодиодной досветки.
Предположим. что в светильнике для досветки используются синие и красные светодиоды в соотношении примерно 1:2 (по уровню энергии), для стимуляции хлорофиллов на стадии вегетативного роста.
Пример такого спектра показан на рис. 10
В реальности же на листья растений будет также воздействовать спектр солнечной радиации, и суммарный спектр облучения будет выглядеть следующим образом (рис. 11).
Видно, что в этом случае растение монохромная досветка в сочетании с широкополосным естественны излучением дает спектр, стимулирующий все основные зоны поглощения растений. Результирующий спектр по форме близок к суммарному спектру поглощения всех основных пигментов растения, рассмотренному выше.
Заключение
Подводя итоги данного обзора можно отметить следующее:
Спектральный состав света является важным фактором для продуктивного выращивания культур в искусственных условия, однако, не первичным. Получить прирост урожая за счет оптимизации спектра можно при обеспечении растению достаточного уровня базовых потребностей (температура, вода, CO2, вентиляция). Количество света также является более приоритетным параметром по сравнению с его спектральным составом.
Современные светодиоды позволяют эффективно сформировать излучение в спектральном диапазоне поглощения растений. Причем возможно применение т.н. монохромных светодиодов с различными цветами (длиной волны излучения) и традиционных белых “люминофорных” светодиодов, обеспечивающих равномерное широкополосное излучение.
Наличие в светильнике светодиодов с различными цветами и технологии независимого управления ими позволяет исследовать влияние спектра на эффективность выращивание отдельно взятой культуры в конкретных условиях и выработать оптимальный баланс цветов для лучшей урожайности.
Список литературы
Физиология растений. Н.И. Якушкина. Издательство: «Владос». Год: 2004
Исследования над образованием хлорофилла у растений. Монтеверде Н. А., Любименко В. Н. Известия Императорской Академии наук. VII серия. — СПБ., 1913. — Т. VII, № 17. — С. 1007–1028.
Создание эффективных светодиодных фитосветильников. Cакен Юсупов, Михаил Червинский, Екатерина Ильина, Владимир Смолянский. Полупроводниковая светотехника N6’2013
Contributions of green light to plant growth and development. Wang, Y. & Folta, K. M. Am. J. Bot. 100, 70-78 (2013).