Зимой в окнах жилых домов вместо теплых желтых огней часто можно увидеть зловещее фиолетовое сияние. Это светятся фитолампы, с помощью которых цветоводы-любители надеются подбодрить свои комнатные растения и рассаду. Рассказываем, почему они используют такой необычный свет, действительно ли он помогает растениям и как в этой истории поучаствовали космонавты.
Редкий любитель растений — будь у него собственная ферма или только пара кадок на подоконнике — обходится без удобрений. Однако растения питаются не только через корни, но и через листья, которыми поглощают углекислый газ и свет. Значит ли это, что их можно «подкормить» не только удобрениями, но и светом? И можно ли таким образом заставить их дать еще больший урожай?
Какой свет вкуснее?
Ответ на этот вопрос независимо друг от друга нашли во второй половине XIX века Климент Тимирязев и Теодор Энгельман. Они раскладывали солнечный свет на спектр, освещали разными его частями растения и измеряли, насколько те активно фотосинтезируют (то есть поглощают углекислый газ, выделяют кислород и производят сахар). Методики они использовали немного разные, но получили похожие результаты. Оказалось, что не каждый участок спектра заставляет лист поглощать углекислый газ и выделять кислород с одинаковой эффективностью. Лучше всего это получалось у красного и синего света, а хуже всего — у зеленого. Дело в том, что пигменты, которые ловят свет для фотосинтеза — хлорофиллы и каротиноиды — хорошо поглощают красный и синий свет, а на зеленый почти не реагируют.
Сколько света разной длины волны поглощают фотосинтетические пигменты
OpenStax College, Biology / CC BY-SA 3.0
Позже все тот же Тимирязев выяснил, что у красного цвета есть еще одно ценное свойство. Заключенную в красных лучах энергию лист почти целиком использует на образование биомассы — в то время как в синем свете энергии слишком много, поэтому половина «теряется» в виде тепла. А значит, можно сэкономить: если освещать теплицы одним красным светом, электрическая энергия будет использоваться эффективнее и не пропадет, а растения станут продуктивнее — смогут накапливать больше питательных веществ, чем если бы они росли под обычным солнцем.
Есть только одно но: свет нужен растениям не только для фотосинтеза. А еще и для того, например, чтобы определить, в какую сторону расти, когда цвести и давать плоды. Кроме того, свет запускает открывание устьиц (через которые лист обменивается газами с воздухом) и регулирует суточные ритмы движения листьев и открывания цветков. Для этого в клетках растений есть особые молекулы — фоторецепторы, которые меняют экспрессию генов и обмен веществ в клетке в ответ на световые лучи. Основные фоторецепторы растений, как и пигменты фотосинтеза, работают с красным и синим светом, но могут улавливать еще зеленый, ультрафиолетовый и дальний красный.
Получается, что жизнь растения зависит от суммы световых сигналов разного цвета, но какой эффект производит каждый из них в отсутствие других, физиологи растений во времена Тимирязева не знали — и не вполне понимают до сих пор. Поэтому замена естественного света на сугубо красные лучи может привести вовсе не к увеличению урожая, а к строго противоположному результату — теоретически в таких условиях растения должны чахнуть или по меньшей мере давать меньше плодов, чем обычно.
Как прокормить космонавта
Первые попытки «подкормить» растения лучами определенного света начались в ХХ веке. Для «усечения» спектра использовали светофильтры, которые позволяли превратить обычный белый светильник в цветной. Выяснилось, что физиологи были правы: одной части спектра для полноценной жизни может не хватить. Оказалось, что только на красном и особенно зеленом свету растения растут плохо, получаются хилыми, с удлиненными стеблями и мелкими листьями — как если бы росли в тени. На синем свету растения чувствовали себя лучше всего — не хуже, чем на белом. Правда, светофильтры выделяли из света лампы довольно широкие области спектра — например, синий фильтр пропускал еще и ультрафиолет — поэтому все равно оставалось неясным, без каких именно лучей ничего не получится.
Все изменилось, когда появились светодиоды. Ими сразу заинтересовались инженеры и агрономы, которые конструировали космические оранжереи. Правда, первые диоды были как раз красного света — то есть растения (по крайней мере, те, на которых это уже проверяли) должны были под ними мельчать и хиреть. Но у диодов нашлись и другие преимущества перед обычными лампами. Они не только экономичнее, но и занимают мало места, почти не нагреваются при работе, у них пластиковые (а не стеклянные) линзы и они не содержат токсичной ртути (этим небезопасны люминесцентные лампы). Все это особенно актуально для космических кораблей и орбитальных станций, где пространство и электроэнергия ограничены, а требования к безопасности высоки. Поэтому в начале 90-х агрономы из Висконсинского университета в Мадисоне решили еще раз попробовать «скормить» растениям красные лучи.
Одна из главных задач растений в космосе — обеспечивать космонавтов клетчаткой и витаминами, которые сложно сохранить в сублимированных продуктах. Поэтому в первых экспериментах выбор пал на салат, который быстро растет, достаточно неприхотлив и богат витаминами. Салат высадили под светильник из красных светодиодов, и ничего толкового не вышло: растения получились мелкие и непригодные в пищу.
Но агрономы не сдавались. Послушавшись физиологов растений, они решили добавить к красному свету синий — в надежде на то, что он поможет правильно направить развитие растения. В те времена (а на дворе стоял 1991 год) хороших синих светодиодов еще не изобрели, поэтому над «космическим» салатом пришлось повесить синие люминесцентные лампы. И оказалось, что уже 10 процентов синих квантов в общем потоке дают салату возможность вырасти в полный размер.
Вскоре дешевые синие светодиоды, достаточно яркие для растений, все-таки появились — так у космонавтов появились полностью светодиодные красно-синие светильники. Их, например, использовали, чтобы выращивать листовую капусту на третьем этапе эксперимента «Марс-500», в котором имитировали полет на Марс. Сейчас в оранжерее Veggie на американском сегменте МКС стоит как раз такой светильник, а астронавты успешно выращивают под ним салат — правда, пока для опытов, а не на завтрак.
Астронавт Эндрю Морган поливает салат, который выращивали на МКС в 2019 году в рамках эксперимента Veg-04B
NASA Johnson / flickr
Одними витаминами космонавтов не прокормить, поэтому во второй половине 90-х годов ученые перешли от салата к карликовой пшенице. Она содержит достаточно белка и калорий, а также может пополнять запасы кислорода в космическом корабле или на планетарной станции. Часть семян пшеницы высадили под красные светодиоды, часть — под красные с добавлением синих, а оставшуюся часть — под традиционные люминесцентные лампы, для контроля. И совершенно неожиданно на красном свету взошли хоть и более мелкие по сравнению с контрольными, но полноценные растения, которые смогли зацвести и дать семена.
Пшеница, растущая под красными светодиодами в рамках эксперимента NASA
NASA
Физиологи растений до сих пор — а с того эксперимента прошло 24 года — не знают, как пшеница умудрилась полноценно вырасти без синего света. У нее немного другой набор фоторецепторов, и там, где салату необходим именно синий свет, рецепторы пшеницы, видимо, оказываются достаточно чувствительны и довольствуются красным.
Кому что светит
Когда светодиоды стали достаточно дешевыми, а их производство — массовым, ими заинтересовались не только исследователи космоса. Агрономы и физиологи растений заставили расти под диодными светильниками самые разные культуры: редис, томаты, огурцы, подсолнечник, базилик, розы, хризантемы и многие другие.
Цветок циннии, который вырастили на МКС
NASA Johnson / flickr
Так выяснилось, что даже красно-синий свет, так хорошо подошедший пшенице и салату, устраивает не всякое растение. Например, шпинат и редис на таком свету растут хуже, чем на белом. Чтобы уговорить редис дать полноценные корнеплоды, понадобился светильник, в который входили синий свет, дальний красный и два типа красного с немного разной длиной волны.
Стало ясно, что собрать фитосветильник из светодиодов — задача не такая простая, как казалось сначала. Многие виды и даже сорта растений требуют для себя другого спектрального состава света, чем их ближайшие родственники. И чаще всего эти тонкости выясняются уже в процессе подбора — предсказать их не получается. Вероятно, это связано с тем, что у разных растений набор фоторецепторов немного отличается: может не совпадать количество рецепторов для разного света, и функции между ними могут быть по-разному распределены.
Поэтому если современный агроном захочет построить теплицу там, где нет или мало солнечного света, ему придется крепко задуматься о том, каким именно светом ее освещать. Казалось бы, можно было обойтись белыми светодиодами, чтобы не мучаться с подбором условий. Но и их спектр не совершенен: он не воспроизводит спектр привычного растениям освещения, это смесь синего и желто-оранжевого света, которую человеческий глаз принимает за белый.
Спектр типичного белого люминофорного светильника. Люминофор, которым покрыт синий светодиод, поглощает часть квантов синего света и переизлучает их в желто-оранжевой части спектра — таким образом итоговый поток света становится близким к белому
Deglr6328 / wikimedia commons
Синего света в таком светильнике будет для растений многовато, а красного наоборот — слишком мало. Поэтому в таких условиях универсальными считаются светильники на основе белых светодиодов с добавлением красных (по крайней мере, для космических оранжерей). Согласятся ли с этими рекомендациями сами растения, покажет время.
Дотошные садоводы, которые займутся тщательным подбором светильника под конкретное растение, обнаружат, что спектр может изменять самые разные свойства растений. Например, для выращивания крупных растений с большим числом листьев может быть полезно добавить зеленый или белый свет: красный и синий эффективно поглощаются хлорофиллом, и их почти целиком «съедят» верхние листья; а кванты других цветов (в первую очередь зеленого) проникнут в глубину кроны и обеспечат фотосинтез нижележащим листьям. С помощью красных диодов можно сделать тимьян более ароматным, а добавляя в спектр ультрафиолет, можно усилить окраску листьев у красного салата, ускорить созревание томатов и повысить содержание в них каротиноидов и антиоксидантов.
Те же, кто хочет «подкормить» светом свои растения на балконе, подоконнике или в теплице, решают более простую задачу. Эти растения получают от солнечных лучей весь спектр света, нужного им для регуляции роста и развития. А фитосветильник служит просто приятным дополнением, «усилителем» фотосинтеза — особенно если на дворе зима, а растения привыкли к южным широтам и не успевают напитаться энергией и дать урожай за короткое северное лето. В такой ситуации для «досветки» прекрасно подойдут красные и синие лучи. Потому-то окна некоторых квартир и зажигаются фиолетовым светом по вечерам: их хозяева включают красно-синие фитосветильники. Наш глаз воспринимает их свет как фиолетовый, и кому-то это может показаться неэстетичным — но растениям такая поддержка нравится.
Ольга Аверчева