Как облучать растения с пользой
Как известно, растения тянутся к свету. Но любой ли свет для них одинаково хорош? Ученые давно знают, что нет: одни фотоны ускоряют фотосинтез, а другие могут вызвать ожоги листьев и даже повреждения ДНК. Вместе с СФУ разбираемся, какие материалы излучают самые полезные для растений лучи и как в их поиске может помочь машинное обучение.
Этим текстом N + 1 вместе с Сибирским федеральным университетом (СФУ) открывает серию материалов «Зеленые проекты», посвященную экологической грамотности и разработкам, призванным уменьшить антропогенное воздействие на окружающую среду.
Падающее на Землю излучение Солнца состоит из электромагнитных волн разной длины: от 100 нанометров и до примерно 1 миллиметра. Для фотосинтеза растения преимущественно используют видимую часть спектра (излучение с длиной волны 400–700 нм). Хлорофилл — зеленый пигмент хлоропластов — поглощает практически только красный и синий свет. Значит ли это, что для растений полезен только красный и синий свет, а остальное можно отсечь как бесполезное?
На самом деле все сложнее. Свет для фотосинтеза улавливает не только хлорофилл, но и желто-красные пигменты каротиноиды, которые поглощают синий и сине-зеленый свет. Некоторые ученые также считают, что в процесс поглощения света в разной степени вовлечены не только части хлоропластов, но и другие близлежащие органоиды.
Однако и на этом сложности не заканчиваются, потому что свет нужен растениям не только для фотосинтеза. Световой режим определяет суточные ритмы движения листьев и открывания цветков и устьиц, влияет на процессы цветения, образования завязей плодов. Для этого у растений есть фоторецепторы — вещества, которые, поглотив свет с определенной длиной волны, могут влиять на обмен веществ в клетке и даже на экспрессию генов.
Так что понять, какой свет для растения полезнее, можно только экспериментально. Первые такие опыты во второй половине XIX века независимо друг от друга провели ботаники Климент Тимирязев и Теодор Энгельман (подробнее об этом можно прочесть в материале «Лучи поддержки»). Однако полной ясности нет до сих пор, и ученые продолжают ставить эксперименты по сравнению разных типов излучения. Фоторецепторы у растений устроены по-разному, поэтому и реакции на излучение могут различаться даже у близких видов. Тем не менее некоторые общие закономерности ученым найти удалось.
Например, почти все исследования сходятся на том, что для фотосинтеза очень важным является присутствие красного излучения (630–740 нм). Примерно 80 процентов используемой в фотосинтезе энергии приносят растениям фотоны с длиной волны около 650 нм. Кроме того, красный свет ускоряет процесс цветения.
В некоторых работах отдельно выделяют дальнее красное излучение (700–750 нм). Энергия этих фотонов недостаточна для возбуждения хлорофилла, но они все равно играют в фотосинтезе важную роль. В частности, в этой области расположен один из пиков поглощения фитохрома — исключительно важного регуляторного пигмента биосинтетического процесса. В 2017 году американские ученые выяснили, что такой свет помогает эффективнее передавать электроны в хлоропластах, а также снижает рассеивание света в виде тепла. Также дальний красный свет помогает растению ориентироваться в суточном цикле и готовиться к ночному холоду. Однако избыток дальнего красного света для растений вреден: из-за него листья становятся меньше, а количество хлорофилла в них снижается.
Для запуска процесса фотосинтеза одного лишь света недостаточно — нужны еще и хлоропласты. В развитии хлоропластов и производстве хлорофилла важную роль играет синий (441–500 нм) и фиолетовый свет (401–440 нм). Кроме того, фоторецепторы, реагирующие на синий свет, помогают растению защищаться от перегрева.
Зеленый свет (501–565 нм) хуже поглощается листьями. Однако у зеленого света и близкого к нему желтого (566–600 нм) тоже есть важная роль. Такой свет проникает глубже в крону, а также и в более глубокие слои самого листа и помогает активировать большее количество хлоропластов. Особенно полезно такое излучение для водных растений и растений, которые часто находятся в тени.
На самое высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение (УФ) приходится только 5 процентов солнечного спектра. Излучение этой области спектра не участвует в фотосинтезе напрямую, но несет регуляторную функцию, и пренебречь его влиянием на растения никак нельзя.
Менее энергетически «богатая» часть УФ-лучей (УФ-А, 320–400 нм) создает для растений небольшой стресс и таким образом способствует накоплению в листьях и плодах полезных антиоксидантов: флавоноидов, фенолов и аскорбиновой кислоты. Данные о влиянии этой части УФ-спектра на фотосинтез противоречивы. Некоторые растения, например австралийский цветок пимелия (Pimelea ligustrina), при таком длинноволновом ультрафиолете фотосинтезируют лучше за счет более быстрого возбуждения хлорофилла. Однако при избытке такого излучения скорость фотосинтеза может и замедляться.
А вот более коротковолновые области УФ-излучения (УФ-B, 295–320 нм) вредны для всех растений. Многочисленные исследования показывают, что избыток таких лучей не только негативно влияет на фотосинтез и замедляет рост растений, но и вызывает повреждения ДНК.
Долгое время ученые изучали влияние разного света на растения сугубо теоретически. Свет с определенной длиной волны вырезали из белого с помощью линз и фильтров. Такие установки были сложны, дороги и предельно далеки от полей с реальной картошкой и помидорами. Все изменилось во второй половине XX века, когда появились люминесцентные лампы и светодиоды, позволяющие достаточно легко получать свет с определенной длиной волны.
Работа обоих устройств основана на явлении электролюминесценции, но генерация цветного света в каждом из них происходит по-разному. В люминесцентной лампе электрический разряд проходит через пары ртути и выбивает из него фотоны ультрафиолетового излучения, которые затем переизлучаются в видимой области с помощью люминофора. В этом случае люминофор поглощает фотон, возбуждается, а через некоторое время сбрасывает возбуждение, испуская фотон с большей длиной волны. Какой именно — зависит от строения конкретного люминофора.
Что такое люминофоры?
Люминофорами называют вещества, которые могут люминесцировать, то есть преобразовывать поглощаемую энергию (электрическую, световую) в энергию света. Меняя структуру люминофора, можно получить свет с нужной длиной волны: красный, синий или любой другой. Для каждого растения можно найти подходящие люминофоры или их сочетания, которые позволят достичь максимальной скорости роста и урожайности. Однако важно, чтобы эти вещества были доступными и нетоксичными — тогда они смогут найти реальное применение в сельском хозяйстве.
В этот момент электроны и дырки движутся навстречу друг другу и рекомбинируют, а лишняя энергия выделяется в виде фотонов. Длина волны света, который получается на выходе, зависит от характеристик полупроводникового материала.
Первые эксперименты со светодиодными и люминофорными лампами проводились в 1991 году на МКС. Сегодня такие устройства более доступны и используются как дополнительные источники света не только в промышленном сельском хозяйстве, но и в частных теплицах. Более того, свет фиолетовых фитоламп можно увидеть по вечерам в окнах многих домов. На самом деле чаще всего такие лампы испускают не фиолетовый свет, а комбинацию красного и синего. Дополнительный источник света полезен для растений, особенно в зимний период. В то же время ученые продолжают искать новые, более эффективные и доступные электролюминесцентные материалы и подбирать более простые пути получения для уже известных.
Кроме того, ученые занимаются подбором оптимальных соотношений света для разных сельскохозяйственных задач. Например, в 2020 году китайские ученые облучали базилик душистый (Ocimum basilicum) красными, синими и зелеными светодиодами. Оказалось, что скорость фотосинтеза максимальна при соотношении красный/синий/зеленый, равном 4/1/1. А вот для того, чтобы в листьях накапливалось больше ценных антиоксидантов, количество красного света лучше немного уменьшить.
Самый полезный базилик получился при облучении светом с соотношением красный/синий/зеленый, равным 2/1/1.
Возбудителем люминесценции может быть и обыкновенное солнечное излучение. Для этого можно взять люминофор — такой же, как используется в электролюминесцентной лампе, но вместо искусственного УФ-излучения использовать натуральный солнечный свет. Конечно, интенсивность полученного цветного света будет ниже, но зато тратить дополнительную электроэнергию не придется.
Встроив такой материал, например, в прозрачную стенку теплицы, можно скорректировать спектральный состав света еще до того, как он упадет на поверхность листа. Вредные части излучения можно отсечь, а полезные, наоборот, усилить.
Наиболее популярны в агрофотонике так называемые down-conversion преобразователи, которые превращают коротковолновое излучение в длинноволновое. Их используют, чтобы отсечь избыток УФ-лучей и получить вместо него добавку полезного для фотосинтеза красного света. Например, японские материаловеды разработали прозрачные пленки на основе комплексов европия (Eu3+) c фотосенсибилизатором и испытали их действие на саженцах лиственницы Кемпфера. Скорость прироста биомассы увеличилась в 1,4 раза по сравнению с образцами, которые облучали стандартным солнечным светом.
Существуют и up-conversion преобразователи, которые преобразуют более низкоэнергетическое излучение в высокоэнергетическое. В агрофотонике такие материалы используют, чтобы преобразовывать дальние красные и инфракрасные лучи в просто красные — самые полезные для фотосинтеза. Например, российские ученые получили наночастицы фторида стронция, допированные эрбием и иттербием (Sr0.955Yb0.02Er0.025F2.045), которые излучают красный свет с длиной волны 660 нм и зеленые лучи на длинах волн 545 нм и 525 нм.
Облученные таким светом томаты (Solanum lycopersicum) росли быстрее, а листья у них были крупнее и содержали больше хлорофилла.
Чтобы цветной свет действительно помогал растениям быстрее развиваться, недостаточно просто получить нужные люминофоры. Важную роль играет и конструкция устройства: оно должно быть удобным, недорогим и безопасным как для растений, так и для оператора-человека. В Сибирском федеральном университете (СФУ) запатентовали фитолампу с регулируемым спектром, которая совмещает несколько видов подсветки в одном устройстве.
Для возбуждения люминесценции в ней используется синий диод (450–460 нм) — это позволяет экономить электроэнергию и снизить нагрев лампы, — а для получения красного и зеленого света применяются разные люминофоры. Благодаря конструкции состав спектра можно регулировать прямо во время эксперимента.
«Лампа устроена очень просто, — рассказывает доцент Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Максим Молокеев, — у нас есть подложка, на которую нанесены два типа люминофоров. При облучении синим светом один люминофор начинает светиться белым (смесью синего, красного и зеленого), а другой — красным светом. Меняя положения стекла, можно регулировать зону облучения каждого люминофора, в результате чего меняется и спектр полученного света».
Лампа позволяет получить соотношение синей, зеленой и красной частей спектра, которое нужно конкретному растению. Более того, состав спектра можно менять уже в процессе вегетации: например, во время активного вегетативного роста и набора биомассы использовать одно соотношение синего, красного и зеленого, во время цветения — другое, во время плодоношения — третье.
Пока что новая лампа работает на коммерческих люминофорах, но в планах у ученых перейти на люминофоры собственного дизайна. Над этой задачей сообща работают несколько групп ученых.
Создатель лампы Максим Молокеев также занимается машинным обучением и разрабатывает модели, предсказывающие свойства люминофора, исходя из его элементного состава и структуры. Они обучаются на базе данных известных люминесцентных материалов и могут прогнозировать не только квантовый выход люминесценции, но и длину волны с точностью до 15 нанометров.
В приоритете у Максима Молокеева и его коллег красные и инфракрасные люминофоры, которые бы давали высокие квантовые выходы при облучении синим светом.
«Уже существуют белые люминофоры с квантовым выходом почти 100 процентов, — рассказывает Максим Молокеев. — Это иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием. Из них мы берем зеленую часть спектра. Синюю часть спектра дает полупроводниковый диод. А вот красной и инфракрасной сильно не хватает. Например, есть коммерческий красный люминофор с длиной волны 620 нм, но для растений лучше бы побольше — около 650 нм. А для дальнего красного и инфракрасного света — 750 нм и выше — вообще нет хороших коммерчески доступных люминофоров. Поэтому я попытался „заточить“ нашу модель именно под красный и инфракрасный свет. Она может подсказать, как нужно изменить структуру уже известного люминофора, чтобы он излучал в нужном диапазоне. Например, берем тот, который излучает на 720 нм, немного модифицируем — и получаем 750 нм»
Химики под руководством заведующей кафедрой физической и неорганической химии Института цветных металлов Любови Денисовой разрабатывают оптимальные пути синтеза новых люминофоров. Ученые тестируют методы твердофазного высокотемпературного спекания, золь-гель синтеза, а также самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Их цель — добиться хорошей чистоты финального продукта и высоких значений квантового выхода, используя по возможности более мягкие условия. Это нужно, чтобы материал был недорогим и доступным.
Готовые фитолампы с люминофорами тестируют светофизиологи под руководством профессора Института биофизики СО РАН Александра Тихомирова. Ученые подбирают оптимальный состав спектра и световой режим для каждого периода вегетации: выясняют, какой процент дальнего красного света нужно добавить для быстрого набора биомассы, а какой — для хорошего цветения. Для этого у фитолампы есть режим записи, который позволяет сохранить историю работы с конкретной группой растений, чтобы в дальнейшем проанализировать информацию. Для первых испытаний лампы выбрали редис, который отличается коротким периодом вегетации (25–28 суток). На очереди — растения с более длинным периодом вегетации, в первую очередь томаты.
Максим Молокеев отмечает, что новые фитолампы просты в изготовлении, состоят из доступных материалов и подходят для массового производства. Вполне вероятно, уже скоро мы увидим выращенные под фитолампами овощи на полках магазинов.
Реклама: ИНН 2463011853, ФГАОУ ВО «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», Kra23YGJA