Я давно хотел систематизировать свои знания о досветке растений и так называемых "фито"-лампах, чтобы помочь начинающим растениеводам, огородникам и дачникам разобраться в этом вопросе. Мой опыт работы с лампами разных типов насчитывает около 15 лет, и за это время я перепробовал множество конфигураций.
В основном я использую искусственный свет как полную замену солнцу для выращивания рассады овощей и цветов, которая позже переезжает на открытый воздух. Также я проводил полные циклы выращивания (до цветения и плодоношения) таких культур, как огурцы, томаты и редис, в условиях исключительно искусственного освещения.
Цель этой серии статей — поделиться накопленными знаниями и помочь вам сделать осознанный выбор, избежав маркетинговых уловок. Информация будет полезна широкому кругу читателей, а опытные специалисты, возможно, найдут в комментариях что-то новое для себя.
Термин "фитолампа" не имеет строгого определения. По сути, это любое световое устройство, используемое для стимуляции фотосинтеза у растений. Маркетологи часто используют приставку "фито-" как приманку для покупателей, поэтому под этим названием могут скрываться совершенно разные конструкции.
Индустрия фитоосвещения не нова, но в последние годы она бурно развивается благодаря прогрессу в области светодиодов. Учёные проводят всё больше исследований, появляется новое измерительное оборудование. Однако единого мнения о том, что такое идеальный фитосвет, до сих пор нет. Универсального решения "на все случаи жизни" не существует. Как часто бывает, приходится искать компромисс: качественно, дёшево, эффективно — выберите любые два пункта.
Но прежде чем погружаться в технические детали, важно ответить на ключевой вопрос: зачем именно вам нужен фитосвет?
Определите свою цель
Ваш выбор лампы во многом зависит от ответа на этот вопрос. Для чего вы планируете её использовать?
Это промышленное применение в теплицах? Мелкосерийное производство, например, микрозелени? Или это домашнее использование на даче или в квартире?
Если для дома, то для каких растений? Это комнатные декоративные цветы? Эксперименты с овощами на подоконнике? Или это стеллажи с рассадой для дачи?
Вам нужна полноценная замена солнечному свету на северном балконе или лишь досветка для продления светового дня на южной стороне?
Прямо сейчас искать точный ответ не обязательно. Он понадобится позже, ближе к финалу выбора. А пока просто задумайтесь об этом.
Чтобы информация была структурированной и не перегружала, я разобью материал на несколько логических частей.
Кратко о фотосинтезе и роли света.
Обзор типов ламп (включая, конечно, светодиоды) и их особенности.
Практический разбор ламп, представленных в продаже: как выбрать и где кроется обман.
Мой личный опыт и примеры из практики с фотографиями.
И, если будет интерес, немного технических подробностей о светодиодах, используемых в лампах.
Фотосинтез: основы для понимания
Чтобы разобраться в сути фитоламп и не попасться на уловки продавцов, необходимо понимать базовые принципы физиологии растений. Не нужно углубляться в сложные термины, но основы фотосинтеза знать полезно. Давайте рассмотрим этот процесс упрощённо.
Вся "магия" происходит в хлоропластах, а точнее — в тилакоидах внутри них, и начинается с Фотосистемы II (ФС II).
На изображении выше — схематичное строение молекулы-димера Фотосистемы II.
Извне прилетает квант света — фотон. Он поглощается фотосинтетическим пигментом в составе так называемых "антенных" комплексов фотосистемы.
Этот фотон возбуждает ровно один электрон, который затем переносится по цепочке в Фотосистему I (в контексте освещения она работает схожим образом).
Такой перенос оставляет реакционный центр ФС II в окисленном состоянии (ему не хватает электрона), превращая его в мощный окислитель. Молекула немедленно "отбирает" электрон у ближайшего доступного источника. Рядом находится комплекс, удерживающий две молекулы воды — очень удобно и своевременно.
От молекулы воды "отнимается" электрон, в результате чего она распадается на гидроксид-анион (OH⁻) и протон (H⁺). Учёные называют этот процесс фотоокислением воды.
Такое поглощение фотона и перенос электрона повторяется ещё три раза. После этого две молекулы воды полностью разбираются. Два атома кислорода образуют молекулу O₂, которая выделяется в атмосферу — этим и объясняется кислородообразующая функция растений. В итоге в системе остаются четыре электрона и четыре протона, которые будут использованы далее.
Каждый электрон переносится в ФС I, где при поглощении ещё одного фотона снова возбуждается и в конечном итоге участвует в восстановлении НАДФ⁺ и синтезе АТФ. Эти две молекулы (НАДФН и АТФ) — ключевые переносчики энергии, которые используются в следующем, темновом этапе — цикле Кальвина, где происходит фиксация углерода и синтез сахаров. Но это уже другая история, не требующая участия света.
Подведём промежуточный итог. Растение поглощает фотоны с помощью пигментов. Ключевую роль играет количество поглощённых фотонов, а не их "качество" (длина волны). Всё, что делает фотон, — возбуждает один электрон, после чего "исчезает". Примерно 70% сути фотосинтеза можно изобразить одной схемой:
Глубинная суть фотосинтеза в упрощённом виде.
Но есть важный нюанс: не каждый фотон способен возбудить электрон! Для этого он должен обладать определённой энергией, которая соответствует определённой длине волны. Для простых атомов это очень узкий диапазон, но для сложных молекул, таких как фотосистемы, допустим довольно широкий спектр.
У главного пигмента — хлорофилла — таких диапазонов поглощения два. Именно на этом факте основан знаменитый график, часто называемый кривой Мак-Кри, который показывает пики поглощения в синей и красной областях спектра.
Спектр поглощения хлорофиллов a и b.
Этот график довольно стар и был получен в середине XX века, когда не было современных светодиодов и точного оборудования. Однако он по-прежнему отражает ключевую закономерность: если светить на хлорофилл жёлтым или, особенно, зелёным светом, почти никакие электроны возбуждаться не будут.
Обратите внимание: Как в сказке, или поездка на дачу, как часть фольклора. (фотоотчёт).
Такой свет будет преимущественно отражаться, и именно поэтому большинство растений мы видим зелёными.Учитывая, что хлорофилл составляет около 75% всех фотосинтетических пигментов у большинства растений, можно сделать вывод: для запуска фотосинтеза в принципе достаточно сине-красного освещения.
Именно поэтому раньше были так популярны лампы с сине-красным спектром (а до них — розоватые люминесцентные лампы типа Fluora), которые и называли "фитолампами". Их спектр хорошо совпадал с графиком поглощения хлорофилла. Это работало достаточно эффективно.
Но является ли такое решение самым оптимальным для современного фитоосвещения? И да, и нет.
Выше я упоминал, что хлорофилл плохо поглощает зелёный свет. Означает ли это, что такой свет бесполезен? Нет! Благодаря исследованиям мы знаем, что в хлоропластах есть и другие пигменты: каротиноиды (например, каротин), ксантофиллы (например, лютеин) и антоцианы.
Эти пигменты, как и хлорофилл, могут поглощать синий свет, но также способны улавливать зелёный, а антоцианы — даже жёлтый. Однако их содержание в листьях значительно меньше — в среднем на один каротиноид приходится три молекулы хлорофилла. Поэтому возможности поглощения зелёного света ограничены. Это скорее резервный механизм.
Малое количество поглотителей зелёного спектра имеет и эволюционный смысл: часть зелёного света проходит сквозь верхний ярус листьев к нижним, затенённым. Это даёт им шанс получить хоть немного энергии. Если бы зелёный свет был абсолютно бесполезен, растения в нижних ярусах леса имели бы крайне мало шансов на развитие.
Из-за небольшого количества каротиноидов растение под чисто зелёным светом будет расти, но очень медленно и в состоянии постоянного "светового голодания". Это подтверждают и любительские эксперименты на YouTube.
Свет — не только для фотосинтеза
Мы разобрались с основами фотосинтеза. Но роль света в жизни растений этим не ограничивается. У растений есть множество фоторецепторов, которые выполняют регуляторные и защитные функции.
Учёные подозревали об этом давно, но системно изучать эти процессы начали лишь в последние десятилетия, особенно с развитием светодиодных технологий. С каждым годом появляется всё больше исследований, имеющих практическое значение для сельского хозяйства.
В фоторегуляции очень много нюансов, и многое зависит от конкретного вида растения. Например, то, что эффективно для томатов, может не работать для салата и слабо влиять на петунии. Именно в сфере регуляторного воздействия света сейчас больше всего споров и, как следствие, маркетинговых спекуляций.
Как свет управляет ростом и развитием
В процессах фоторегуляции цвет (длина волны) часто важнее общей освещённости, так как реакция запускается специфическими фоторецепторами. Во многих случаях критично именно соотношение нескольких цветов. Также важен вид растения, так как генетика определяет его ответ на световые сигналы. Важно понимать: если определённый спектр, условно, увеличивает синтез хлорофилла, это не значит, что десятикратное увеличение интенсивности этого света даст десятикратный прирост урожая.
Я не буду углубляться в детали, а лишь обозначу общую картину. Для желающих изучить тему глубже в конце статьи будут ссылки.
В общих чертах:
Синий свет влияет на вегетативный рост (замедляет вытягивание стебля, способствует формированию коротких клеток и толстых листьев), отвечает за фототропизм (поворот к свету), регулирует газообмен (открытие устьиц), движение хлоропластов в клетке и процессы деэтиоляции у проростков.
Красный свет также влияет на вегетативный рост, но часто действует противоположно синему — может стимулировать рост стебля и увеличение листовой пластинки. Он также участвует в регуляции цветения. Важную роль играет соотношение красного (660 нм) и дальнего красного света (700-750 нм). Если доля дальнего красного возрастает, растение "решает", что находится в тени, и может начать вытягиваться. Современные исследования показывают сильное влияние дальнего красного на размер листьев и так называемый эффект Эмерсона.
Ультрафиолетовый свет регулирует процессы акклиматизации (например, синтез защитных каротиноидов при избытке света) и защитные реакции, стимулируя выработку вторичных метаболитов (флавоноидов, терпеноидов и др.). В определённой степени УФ является антагонистом синему свету. По их соотношению растение оценивает интенсивность освещения. Избыток УФ может привести к закрытию устьиц и снижению фототропизма.
Вместе синий и красный свет участвуют в синхронизации циркадных ритмов растения с внешним миром.
Зелёный свет практически не участвует в регуляторных процессах, разве что в слабовыраженных реакциях "избегания тени".
Отдельно стоит вопрос синтеза самого хлорофилла. Он производится растением в темноте, но для активации одного из заключительных ферментов требуется немного света определённого спектра. Такого света в искусственном освещении почти всегда достаточно, и его нужно очень мало. Поэтому заявления некоторых продавцов о том, что их лампа "способствует синтезу хлорофилла", — не более чем маркетинговая уловка.
В завершение отмечу, что каротиноиды и ксантофиллы могут выполнять двойную функцию: участвовать в улавливании света в составе фотосистем и защищать эти системы от повреждения при избыточной интенсивности освещения.
Итак, резюмируем первую часть:
Роль света для растений комплексна, но основные принципы можно понять.
В хлоропластах есть две фотосистемы, поглощающие фотоны.
Основной пигмент — хлорофилл — поглощает синий и красный свет. Другие пигменты (каротиноиды и др.) поглощают также зелёный и жёлтый свет, но их в 3-4 раза меньше.
Каждый поглощённый фотон возбуждает один электрон независимо от своей длины волны.
В Фотосистеме II в результате поглощения фотонов "добываются" протоны, которые используются для запасания энергии и работы темновых реакций (цикл Кальвина).
(Это важно запомнить!) Для основного процесса фотосинтеза критично количество поглощённых фотонов, а не их цвет.
Растения также обладают множеством фоторецепторов, которые регулируют их рост, развитие и защитные реакции, не связанные напрямую с запасом энергии.
В следующей части мы поговорим о типах ламп, которые использовались и используются для подсветки растений, и немного углубимся в тему светодиодов (материал будет опубликован в другом сообществе).
Полезные материалы для углублённого изучения
К сожалению, большинство качественных материалов — на английском языке и на YouTube.
Для изучения фотосинтеза и смежных тем:
Несколько отличных роликов на YouTube (на английском).
Их переводы на русский (при наличии).
Подборка ссылок на научные статьи и публикации (некоторые ссылки могут быть неактуальны).
Научный обзор, посвящённый каротиноидам.
Материалы о влиянии света и фоторегуляции:
Базовое интервью с Брюсом Багби (Bruce Bugbee) на английском — несмотря на название, информация в ролике общая и полезна не только для определённой культуры.
Его же лекция о влиянии УФ и дальнего красного света (95% теории, 5% рекламы измерительного оборудования в конце).
Общее интервью с Эриком Ранклом (Erik Runkle) на английском. Это ещё один известный исследователь с большим количеством научных работ.
Рекомендую искать публикации этих учёных на платформах вроде ScienceDirect. По спискам литературы можно выйти на другие интересные исследования. Также полезны запросы вида "(название культуры) LED".
Хорошая обзорная статья о методах управления ростом растений с помощью света — чтобы оценить современный уровень знаний в этой области.
Запись Николая Слепцова (gorshkoff) о фоторегуляции.
Ещё одна его запись, более академичная, с коллегой.
Больше интересных статей здесь: Дача.
Источник статьи: Да будет фитосвет. Часть 1, база.
