Растения живущие в темноте поглощают инфракрасные лучи
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 19.09.2024
Цель: Изучить влияние различной длины волны на растения.
Гипотеза: Состоит в том, что различная цветовая гамма ящика для растений будет влиять на рост посаженных растений.
1)Изучить литературу по данной теме;
2)Сделать ящик, в котором будет проводиться опыт;
3)Провести опыт по изучению влияния света на растения.
Актуальность: Одно из популярных направлений биологических исследований в настоящее время - изучение влияния света на жизнь растений. Несмотря на наличие большого количества научных работ по этой проблеме, многие вопросы до сих пор ещё недостаточно исследованы.
Применение: Заключается в том, что разработанные нами рекомендации могут найти широкое применение на других планетах.
Растения — биологическое царство, одна из основных групп многоклеточных организмов, включающая в себя в том числе мхи, папоротники, хвощи, плауны, голосеменные и цветковые растения. Нередко к растениям относят также все водоросли или некоторые их группы. Растения (в первую очередь, цветковые) представлены многочисленными жизненными формами — среди них есть деревья, кустарники, травы и др.
| Вложение | Размер |
|---|---|
| doklad.docx | 1.34 МБ |
| vliyanie_razlichnoy_dliny_volny_sveta_na_rasteniya.pptx | 1.9 МБ |
Предварительный просмотр:
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Влияние различной длины волны света на растения
Содержание: 1)Введение; 2)Основные процессы растений; 3)Похожие опыты; 4)Спектр света, длина волны и их влияние на растения; 5)Заключение.
План исследования Цель проекта: Изучить влияние различной длины волны на растения . Гипотеза: Состоит в том, что различная цветовая гамма ящика для растений будет влиять на рост посаженных растений. Задачи работы: 1)Изучить литературу по данной теме; 2)Сделать ящик, в котором будет проводиться опыт; 3)Провести опыт по изучению влияния света на растения. Актуальность: Одно из популярных направлений биологических исследований в настоящее время - изучение влияния света на жизнь растений. Несмотря на наличие большого количества научных работ по этой проблеме, многие вопросы до сих пор ещё недостаточно исследованы. Применение: Заключается в том, что разработанные нами рекомендации могут найти широкое применение на других планетах.
Расте́ния (лат. Plantae ) — биологическое царство, одна из основных групп многоклеточных организмов, включающая в себя в том числе мхи, папоротники, хвощи, плауны, голосеменные и цветковые растения. Нередко к растениям относят также все водоросли или некоторые их группы. Растения (в первую очередь, цветковые) представлены многочисленными жизненными формами — среди них есть деревья, кустарники, травы и др.
Основные процессы растений Фотосинтез (от др.-греч. φῶς — свет и σύνθεσις — соединение, связывание) — это процесс, при котором из углекислого газа и воды на свету образуются органические вещества. Заглавная роль в этом процессе принадлежит фотосинтетическим сегментам. Благодаря питанию организм живет и растет. В процессе питания из окружающей среды поглощаются необходимые вещества. Далее в организме они усваиваются. Из почвы растения поглощают воду и минеральные вещества. Надземные зеленые органы растений из воздуха поглощают углекислый газ. Вода и углекислый газ используются растениями для синтеза органических веществ, которые используются растением для обновления клеток тела, роста и развития.
Рост растений — необратимое увеличение размеров, связанное с новообразованием клеток, тканей и органов. В процессе дыхания происходит газообмен. Из окружающей среды поглощается кислород, а из организма выделяется углекислый газ и пары воды. Кислород необходим всем живым клеткам для выработки энергии. Размноже́ние расте́ний — совокупность процессов, приводящих к увеличению числа особей некоторого вида; у растений имеет место бесполое, половое и вегетативное (бесполое и половое размножение объединяют в понятие генеративное размножение).
Опыты различных учёных 1)Опыт Пристли. Опыт был осуществлён английским химиком Джозефом в 1771 году. Он доказал, что растение на свету поглощает углекислый газ и выделяет кислород. Для этого он поместил в закрытый сосуд, поставленный на свет, зелёное растение и мышь. Благодаря кислороду, выделяемому в результате фотосинтеза, мышь могла существовать долгое время. В контрольном эксперименте (при отсутствии либо света, либо растения) мышь достаточно быстро задыхалась. 2)Большой вклад в изучение фотосинтеза в листьях растений от искусственного освещения внёс русский учёный Андрей Сергеевич Фаминцын. В 1868 году он впервые экспериментально доказал и научно обосновал применение искусственного освещения для выращивания растений, использовав керосиновые лампы вместо солнечного света. Выяснилось, что свет для растений выступает не только как источник энергии, но и как регулятор роста и развития ( фотоморфогенез ). Так, красный спектр отвечает за вытягивание стебля, его вертикальный рост. А синий спектр, наоборот, тормозит рост стебля в длину, но способствует его утолщению, наращиванию зеленых листьев.
Спектр света, длина волны и их влияние на растения Практическая часть эксперимента Построение исследовательского устройства. Для изучения влияния различных длин волн на растения была разработана следующая модель ящика, которая в себя включала: сторона 1 – подложка, на которой находится исследуемые образцы. Закрепляется с боковыми сторонами (является центральной стороной); сторона 2 – низ ящика, на которую крепятся боковые и центральная стороны; сторона 3 – центральная перегородка, которая разделяет на секции разных цветов. В нашем эксперименте было использовано 2 цвета – красный и синий; стороны 4 и 5 – боковые стороны ящика. В стороне 1 находятся горшки с растениями, за которыми мы и ведём наблюдения.
Растения могут воспринимать более широкую часть солнечного спектра , чем видимое человеческим глазом излучение. Ультрафиолетовое и инфракрасное излучения также оказывают влияние на развитие растений. Есть такие части спектра, которые растения "не замечают", есть такие, от которых растения погибают. Путем наиболее важных экспериментов были вычислены те части светового спектра , которые наиболее благотворно и плодотворно влияют на растения. Исследования влияния разных частей спектра на рост и развитие растений начали проводиться ещё в начале прошлого века. В последнее десятилетие изучение этого вопроса только активизировалось. В некоторой степени этому способствовало развитие светодиодной индустрии, давшее возможность получать светодиоды с необходимой длиной волны.
В результате этих экспериментов были получены такие данные: 200-280 нм - ультрафиолет, токсичен и вреден для растений, эта часть спектра используется в медицине как бактерицидная; 280-315 нм - ультрафиолетовый спектр, может быть причиной увядания растений; 315-380 нм - часть ультрафиолетового спектра, которая действует угнетающе на растения. Однако было установлено, что при краткосрочном воздействии (порядка 20 минут в день) эта часть спектра положительно влияет на рост, время цветения и размер плодов у многих растений. Особенно это актуально для высокогорных растений; 380-400 нм - начало видимого спектра. Начинается процесс поглощения хлорофиллом; 400-500 нм - фиолетовый, синий и начало зеленого спектра. В этой части спектра (430-460 нм ) наблюдается пик поглощения излучения хлорофиллом. Оказывает сильное влияние на фотосинтез (обеспечивает набор вегетативной массы); 500-610 нм - зеленый, желтый и оранжевый спектры. Оказывает слабое влияние на растения; 610-720 нм - красный спектр. В этой части спектра находится второй пик поглощения хлорофиллом (630-670 нм ), очень сильно влияет на фотосинтез, стимулирует завязь бутонов, цветение и плодоношение; 720-1000 нм - в этой части спектра хлорофилл поглощает слабее. В некоторых случаях влияет на всхожесть и цветение; 1000+ - инфракрасный спектр. Вся энергия, поглощаемая на этом уровне, преобразуется в тепло.
Заключение Целью нашей работы было выяснить, влияет ли цвет на рост растений. В ходе работы мы решили следующие задачи: прочитали книги и статьи на тему влияния цвета освещения на рост растений , сделали ящик из оргстекла, провели опыты, сделали вывод о том, что цвет влияет на рост растений. При использовании подсвечивания в период короткого светового дня растения развиваются и хорошо растут, цветут. Искусственное освещение помогает выращивать здоровую рассаду, получать урожай в течение всего года и дольше любоваться цветением любимых растений .
Инфракрасная фотография в отраженном свете основана на использовании инфракрасного излучения, отраженного от листьев. Хлорофилл не дает такого излучения. Тем не менее оптические свойства хлорофилла крайне интересны для фотографа, поскольку они определяют метод воспроизведения зеленых листьев на снимках, выполненных с помощью излучения разных длин волн. Наибольший интерес представляют следующие свойства: сильное поглощение в красной области, высокая прозрачность в инфракрасной области, флуоресценция в видимой области и инфракрасная люминесценция. (См. следующий раздел, посвященный применению последнего явления.)
Одной из характерных особенностей фотографий ландшафта в инфракрасных лучах является то, что трава и листья деревьев выглядят светлыми, а на обычных фотографиях — темными [2.66, 2.68, 6.70, 6.71]. Этот факт иногда приписывают большой отражательной способности хлорофилла в инфракрасной области. Хотя это объяснение может быть в незначительной степени и верным, правильное объяснение состоит, несомненно, в том, что в результате крайней прозрачности хлорофилла в инфракрасной области излучение, отраженное тканью листа, не поглощается хлорофиллом, а выходит наружу. Ткани очень сильно отражают белый свет и инфракрасное излучение. Но в случае белого света хлорофилл поглощает большую часть его, поэтому на снимках листья выходят темными. В случае инфракрасного излучения такого поглощения нет, и листья воспроизводятся светлыми.
Мек и Болдуин [6.32], а также другие ученые выполнили инфракрасные фотографии около сотни листьев различных видов включая листья, изменившие окраску осенью. Во всех случая: при приближении к критической области длин волн 700—750 ни листья теряли свои характерные свойства, касающиеся различий в структуре и цвете, и выглядели одинаково светлыми на инфракрасных фотографиях.
а — ход лучей света в структуре листа [6.57]; б — микрофотография нериума листа.
Объяснение светлого воспроизведения будет ясно из рис. 6.3 взятого из работы [6.57], на котором показано, как свет отражается внутри листа. Свет проходит через эпидермис и удлиненные клетки полисадной ткани, однако он рассеивается днффузно и даже отражается назад в направлении своего источника в губчатой паренхиме, промежутки между которыми заполнены воздухом. Мек и Болдуин отметили сходство в поведении между листой и свежевыпавшим снегом, яркое отражение которого происходит из-за того, что между маленькими кристаллами льда имеется воздух. Если снег сдавить или утрамбовать, он становится темнее к прозрачнее. То же самое имеет место и в случае листа. Если удалить воздух, поместив лист в вакуум, а затем поместить его е воду, чтобы заполнить воздушные промежутки, то заметных различий в результатах не будет, так как именно хлорофилл отражает большую часть света. Однако в инфракрасной области, где хлорофилл прозрачен, яркое отражение листа почти полностью теряется, и лист становится оностительно прозрачным. Обатан [6.36] понимал, что высокое отражение в инфракрасной области не вызвано ни эпидермисом, ни кожицей. Дингер [6.15], который измерял отражение и пропускание листьев в ближней инфракрасной области, нашел их высокими в диапазоне 800—1300 нм и обнаружил, что полосы воды при 1500 и 2000 нм резко выражены как в отраженном, так и в проходящем излучении, указывая, что большая часть отраженного излучения исходит изнутри. Подобные результаты были получены в 1974 г. Гаусманом [6.95], который выполнил серию опытов с помощью микроспектрофотометра и получил кривые вплоть до 2500 нм.
Отраженный свет из-за флуоресценции хлорофилла должен сопровождаться излучением в ближней инфракрасной области. В 1935 г. Дере и Раффи [6.14] установили, что светлое воспроизведение листьев на инфракрасных фотографиях обусловлено в первую очередь флуоресценцией хлорофилла. Однако в статье [6.13]
было сделано заключение, что это, вероятно, важно только в области около 740 нм. За пределами этой области существенна именно высокая отражательная способность тканей, сопровождающаяся крайней прозрачностью хлорофилла. Очень маловероятно, что красная флуоресценция играет доминирующую роль даже при более коротких волнах. В самом деле, она имеет очень низкую интенсивность вне области 750 нм.
Мек и Болдуин [6.32] показали, что инфракрасная флуоресценция не является важной. Они освещали листья голубым светом, который возбуждал инфракрасную флуоресценцию в хлорофилле, однако не смогли получить фотографий через инфракрасный фильтр даже тогда, когда экспозиция была в 1000 раз больше обычной. Гибсон [6.99—6.101] нашел, что эта люминесценция требует в 20000 раз большей экспозиции по сравнению с обычной, чтобы быть заснятой.
То, что светлое воспроизведение листьев на инфракрасных фотографиях не обусловлено флуоресценцией при более длинных волнах, очевидно из того факта, что на фотографиях, сделанных в излучении с длиной волны, значительно большей длины волн, при которых хлорофилл флуоресцирует, листья также воспроизводятся очень светлыми. Это ясно из серии снимков, представленных на рис. 6.4. Бишоп [6.78]1 выполнил такую же серию опытов, однако главным образом с ландшафтами, представляющими художественную ценность.
Листья различных деревьев воспроизводятся на инфракрасных фотографиях по-разному. В общем случае листья лиственных деревьев имеют высокую отражающую способность, тогда как хвоя воспроизводится намного более темной. Этот факт используется при фотосъемке сельскохозяйственных и лесных угодий; более подробно он рассматривается в гл. 9. Это также важно при обнаружении маскировки в военное время, в особенности в связи со спектральной зависимостью отражательной способности красок. Данный вопрос обсуждается в гл. 3. Из подробной таблицы спектров отражения для листьев, опубликованной Гайтсом и Тан-трапорном [6.94], легко обнаружить, почему инфракрасные фотографии заметно отличаются. Например, отражение зеленой кроны клена составляет 12%, а зеленой кроны большинства хвойных — 4,5% (разница в контрасте 7,5%). С другой стороны, сравнительные цифры для инфракрасного излучения составляют 40 и 18%, а разница в контрасте 22%. (См. также работу [6.136].)
Другие работы могут представлять интерес для тех, кто занимается вопросами, связанными с жизнью растений. Обатан [6.37] открыл, что листья горных растений отражают на 100% больше инфракрасного излучения, чем равнинные растения. Кажется, что его выводы противоречат результатам, полученным Дадыкиным и Станко [6.83]'. Этот факт трудно объяснить, и он предлагает интригующие исследования по физиологии растений, чтобы обнаружить причину. Вильсон [9.449] нашел, что бурно разросшиеся вновь посаженные хвойные деревья можно отличить от кустов с помощью видоизмененного черно-белого ИК-метода.
Рис. 6.4. Снимки, выполненные в областях спектра с возрастающей длиной волны.
Были использованы следующие области спектра: а — 450—690 нм; 6 — 510—690 нм; в — 74Л— 850 нм; г —760—850 нм; 5 — 850—970 нм; е — 900—970 нм.
В более ранней работе Обатан [6.36] сообщил о техническом усовершенствовании инфракрасного фотографирования растений.
Он включал в поле зрения своей камеры эталон отражения. Им служила пластина, покрытая карбонатом магния.
Ивес [6.28] описал результаты экспериментов по применению инфракрасной фотографии для экологического обследования на расстоянии. Он определил, что жизнеспособные злаковые травы и некоторые виды кактусов находятся среди наилучших отражателей инфракрасного излучения до тех пор, пока не созреют, а сухие злаковые травы и нежизнеспособные кактусы являются плохими отражателями; листопадные растения отражают хорошо, тогда как вечнозеленые — хуже. Молодая хвоя является прекрасным отражателем и на инфракрасных фотографиях воспроизводится светлее, чем зрелая. Ивес считал, что 18 км являются пределом полезного обзора при экологических работах, за исключением случая, когда необходимо различать резкие изменения растительности; в этом случае расстояние может быть больше. Линию леса можно определить с расстояния 90 км в горных областях, однако участки осины на флангах в пихто-еловых лесах в подобных областях определить нельзя. Можно считать, что инфракрасная фотография оказывает неоценимую помощь при проведении экологических работ, но не заменяет их. Каждая географическая область представляет свою проблему.
В более поздней работе [6.95] Гаусман выполнил эксперименты Мека и Болдуина [6.32] на более высоком экспериментальном уровне с использованием вакуумной инфильтрации жидкостей, варьирующей показатель преломления, и инфракрасной микрофотографии через микроспектрофотометр. Он нашел два источника отражения ИК-излучения — границы между стенками клетки и окружающими их воздушными промежутками и (менее интенсивные) подклеточные структуры, например ядра хлоропласты и включения кристаллика. Он представил несколько кривых спектрального отражения и микрофотографии. Гаусман отметил, что, чем более компактен лист, тем меньше отражение ИК-излучения из-за уменьшения размеров воздушных ячеек. Факторами ответственности за компактность являются недозрелость, задержка роста, обусловленная солевым стрессом, и некоторые болезни. Ориентация листа также влияет на отражение (Книплинг [6.111]). При созревании, обезвоживании из-за болезней и засыхании обнажается внутренняя структура листа и, как следствие, увеличивается отражение ИК-излучения. Среди растений различных видов были обнаружены изменения, связанные со строением листа. Архитектура листьев также влияет на внешний вид растений [6.122]. Это может объяснить факты, обнаруженные Ивесом [6.28].
Гаусман с сотр. [6.96, 6.97] использовали вышеупомянутые методы для изучения гидропонного роста хлопка в растворах изменяющейся солености. Они отбирали листья с верхних частей растений, чтобы моделировать обстановку, которую можно зарегистрировать при аэрофотосъемке. Их результаты показывают, что субстрат соли увеличивает толщину листьев и межклеточные пространства и соответственно возрастает отражение ИК-излучения [6.96]. Очевидно, что концентрация была ниже стрессового уровня. Во второй работе они сообщили о воздействии опыления листьев цикоцелом в поле. Это вещество, регулирующее рост, увеличивает толщину листьев и создает пространство для хлорофилла, во много раз превышающее нормальное. В лабораторных условиях при фотографировании отдельных листьев было замечено увеличение отражения ИК-излучения. Однако аэрофотосъемка дала обратные результаты, которые были обусловлены группированием листьев друг над другом при наблюдении с воздуха. Тем не менее инфракрасная цветная фотография может обнаружить разницу между обработанными и необработанными участками.
Книплинг [6.111] обсуждал многие факторы, регулирующие отражение ИК-излучения от свода из листьев. Он отмечает, что, несмотря на то что группы листьев приводят к меньшему отражению по сравнению с отдельными листьями, они увеличивают отношение интенсивностей инфракрасного и видимого излучений, что приводит к тому, что инфракрасные снимки оказываются при правильной интерпретации более ценными.
В общем случае кажется, что пигменты растений, отличные от хлорофилла, имеют оптические свойства, схожие со свойствами анилиновых красителей, которые имеют характеристическое поглощение в видимой области спектра и практически полностью прозрачны в ближней инфракрасной области [6.52]. В результате этого цветы и фрукты, например апельсины, томаты и виноград, воспроизводятся на инфракрасных фотографиях так, как будто бы они были белыми. Однако утверждают, что естественные растительные пигменты индийского ореха (Semecarpus anacardium) и ягод китайского лакового дерева (Phytolocca clavigera) относительно непрозрачны для ИК-излучения. В самом деле, инфракрасные фотографии очень ясно показывают клетки пигментов в перикарпии ореха, когда он расколот пополам. Черный спороносный слой грибов является непрозрачным в ИК-области, и это приводит к их обычному воспроизведению на инфракрасных снимках [6.35].
Инфракрасные цветные изображения. Методы обнаружения в условиях маскировки, описанные в гл. 3, дают много ценных применений цветной фотографии в измененных цветах. В настоящее время имеются пленки не только для аэрофотосъемочной аппаратуры, что дает возможность выполнять работы в наземных и лабораторных условиях. В табл. 2.1 приведены некоторые ожидаемые цветопередачи листьев. Как будет видно в гл. 9, получаемые измененные цвета обеспечивают обследование лесных насаждений и раннее выявление болезней и стрессов. Подобные исследования небольших участков земли и отдельных растений можно выполнять и при съемках на расстоянии. Работа Фритца [6.92] дает хорошее введение в этот метод. Байт и Хэйс [6.135] обсуждают ценность стереоисследований при изучении роста растений и геологической среды.
Следует отметить эффект, который может искажать наземные фотоснимки (и иногда аэрофотоснимки). Дело в том, что при этом методе голубое небо воспроизводится почти в том же цвете, каким мы его обычно видим. Однако, когда голубое излучение зеркально отражается от мокрых, плавающих по поверхности воды листьев, листья и водоросли воспроизводятся голубыми вместо красных. По этой причине пасмурный день часто более благоприятен для проведения съемок.
6.1.3. Эффекты инфракрасной люминесценции
Одним из наиболее известных свойств хлорофилла является его флуоресценция в видимой области, которая проявляется как в листе, так и в растворе. Свечение флуоресценции — темно-красное. Оно наблюдалось еще в 1833 г. Брюстером и впервые было изучено Стокеом в 1852 г. Было выполнено множество наблюдений, касающихся характеристик этой флуоресценции, однако при этом у различных исследователей не было согласия относительно фактического положения спектральных полос флуоресценции. Это, по-видимому, обусловлено тем фактом, что хлорофилл изменяется при экспозиции на свету, в результате чего несколько изменяются и полосы флуоресценции; поэтому результаты, полученные в какой-либо момент времени, будут зависеть от предварительной экспозиции на свету. Согласно работам [6.62—6.64] (рис. 6.5), спектр флуоресценции хлорофилла а в эфире имеет два максимума— при 668—723 нм, тогда как хлорофилл b в том же растворителе имеет три максимума — при 648,5, 672 и 705 нм. Алберс и Кнорр [6.1] считали, что эти результаты относятся к хлорофиллу, который изменился за счет экспозиции к свету; они утверждали, что в начале экспозиции положения главных максимумов находятся при 638 и 672 нм в случае формы а и при 637 и 657 нм для формы b .
Рис. 6.5. Спектры флуоресценции хларофиллов а (------- ) и b (- - - - - ) в эфире
Эмиссия хлорофиллов а и b простирается от начала видимой красной до ближней инфракрасной области, а иногда даже далее 830 нм. (См. спектрографические исследования [6.13].) В листе она имеет низкую интенсивность по сравнению с эмиссией хлорофилла в растворе. Однако красную эмиссию листьев можно очень легко наблюдать с помощью подходящих фильтров и интенсивных источников освещения, например солнца. Подходящим является фильтр Kodak Wratten Dichroic № 97. Флуоресценция хлорофилла в видимом участке спектра была использована для отличия маскировки от естественных листьев при проведении военных операций. Однако в общем случае использование лишь одной красной эмиссии не очень полезно при фотографическом картографировании распределения хлорофилла. С другой стороны, очень полезна селективная запись люминесценции в лабораторных условиях.
Очевидно, что для добавки красной компоненты к люминесцентному изображению на инфракрасной пленке требуется светофильтр, который пропускает красное излучение так же хорошо, как и инфракрасное. Фильтр Kodak Wratten № 70 является наиболее эффективным для съемки красноты хлорофилла и люминесценции; фильтр № 87 дает возможность производить селективную съемку пика при 740 нм. Когда необходимо зарегистрировать оба вида излучения (красное и инфракрасное), необходимо использовать фильтр возбуждения, который резко отрезает область длин волн при 650 нм.
Чернота кольца чешуйки на ситнике была обусловлена поглощением зелено-голубого света возбуждения; это предотвращало' доступ к хлорофиллу, расположенному ниже. Интересно также отметить, что листья жестколистных растений не люминесцируют так ярко, как мягколистные. Тот же объект испытаний фотографировался после двухмесячной сушки в лаборатории; были получены сходные результаты. Так же люминеецирует сухой экстрагированный хлорофилл.
В других опытах Гибсон [6.100, 6.101> обнаружил, что желтоватые пигменты стеблей Equisetum arvense не люминесцируют, как зеленые пигменты Е. hymenale . Однако зеленые листья Е. агvense люминесцируют. Раствор резинового цемента, который использовался для крепления листа на рис. 6.6, выщелачивал хлорофилл из части листа. Эти обедненные области не люминесцируют, хотя ткани отражают инфракрасное излучение; никаких нарушений на панхроматической или инфракрасной фотографии, выполненной в отраженных лучах, наблюдать невозможно.
Гибсон разработал метод фотографирования и расчета степени инфракрасной фосфоресценции в веществах, проявляющих значительную стойкость, однако этот метод не достаточно точен для обнаружения крайне короткого послесвечения хлорофилла. Гёдхир [6.106] привел результат около 2 не для высших растений in vivo. Кроме того, Гибсон обнаружил обратимый эффект усталости в инфракрасной люминесценции хлорофилла листьев живых растений. Гарнье [6.93] открыл и заснял с помощью инфракрасной люминесценции некоторые аномалии в механизме фотосинтеза, проявляемые несколькими колониями зеленых водорослей Chlamydomonas reinhardl . В определенных условиях такие колонии проявляли повышенную флуоресценцию в инфракрасной области при возбуждении излучением с длиной волны менее 600 нм.
Рис. 6.6. Сравнительные снимки, демонстрирующие, что хлорофилл не отражает, а ткань листа не испускает инфракрасного излучения.
а — отражение инфракрасного излучения; б — инфракрасная люминесценция. На снимке б заметно, что цемент, используемый для крепления листа к подложке, выщелочил хлорофилл, который образовал концентрическое кольцо вокруг обедненной области. Другой снимок показывает, что ткань листа не повреждена. Никаких видимых признаков не наблюдалось
Майер [6.118] изучал излучение листьев, просвечиваемых зелено-голубым светом. Он также обнаружил, что бесцветные части пестрых листьев не люминесцируют. В этом отношении стоит упомянуть замечания Фрейтага [6.90] и Лаутеншлагера [6.112].
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):
- солнечный свет, основной источник энергии
- содержание диоксид углерода (СО2) в воздухе (углерод - основной элемент, используемый для формирования новых клеток)
- вода, в основном, как источник кислорода, входящего в ее состав, необходимого для реакции фотосинтеза
- температура окружающего воздуха.
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]
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.
Для количественной оценки светового воздействия на растения используется фотосинтетически активная радиация (ФАР). В англоязычной литературе - Photosynthetic Photon Flux (PPF). Поток ФАР/PPF измеряется как число фотонов, излучаемых источником света, которые могут быть поглощены растением при фотосинтезе (диапазон длин волн от 400 до 700 нм).
Величина PPF рассчитывается без учета неравномерного поглощения растением различных энергии различных длин волн. Поэтому в дополнение к PPF иногда используется величина YPF – Yield Photon Flux - т.н. усваиваемый растением поток фотонов. Для расчета YPF используется взвешенное значение ФАР и спектр эффективности фотосинтеза как весовые коэффициенты.
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.
Ультрафиолет C (280 - 315 нм)
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.
Ультрафиолет A (380 - 430 нм)
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
Самое большое количество хлорофилла вырабатывается при синем свете, меньшее – при белом и красном, самое меньшее - при зеленом свете и в тени. При разном свете, соотношение хлорофилла A и B также не одинаковое. Самая большая разница в соотношении А и B при желтом и синем свете. Красный свет способствует большой выработке хлорофилла типа A.
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).
Одним из условий существования жизни на Земле является солнечный свет, поступающий из космического пространства.
При прохождении солнечной радиации через атмосферу около 19 % поглощается облаками и водяными парами, 34 % отражается обратно в космос, 47 % достигает земной поверхности, из них 24 % — прямая радиация и 23 % — отраженные лучи. Растения связывают в ходе фотосинтеза в среднем 1 % поступающей к ним солнечной энергии.
В солнечном спектре выделяют три основных компонента: ультрафиолетовые лучи, видимый свет, инфракрасные лучи. Их характеристика представлена в таблице.
Таблица. Состав солнечного света, достигающего поверхности Земли
Содержание в спектре, %
Ультрафиолетовые лучи действуют на организмы неоднозначно в зависимости от дозы. Избыточное облучение ультрафиолетом может причинять существенный вред здоровью. Все живое на Земле защищено от губительного влияния ультрафиолетовых лучей озоновым слоем земной атмосферы. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, на долю ультрафиолетовых лучей приходится около 3 % солнечного света, достигающего поверхности Земли. Ультрафиолетовые лучи приводят к повреждению хромосом, могут вызывать рак кожи, преждевременное старение, стать причиной развития катаракты (помутнения хрусталика). Для людей со светлой кожей ультрафиолетовые лучи являются основным фактором, приводящим к меланоме — самой опасной форме рака кожи.
В то же время в небольших дозах ультрафиолетовые лучи стимулируют синтез пигмента кожи меланина и витамина D. Из курса биологии 9-го класса вы уже знаете, что витамин D оказывает влияние на обмен кальция и фосфора. Это в свою очередь влияет на рост и развитие скелета человека.
Видимый свет наиболее важен для существования жизни на Земле. Все разнообразие климатических условий и температуры верхних слоев морских и пресных вод определяется количеством поглощенной солнечной энергии. Различные участки спектра видимого света действуют на организмы по-разному. Красные лучи оказывают тепловое действие. Синие и фиолетовые лучи изменяют скорость и направление некоторых биохимических реакций. Особенно велико значение видимого света в жизни растений. Они поглощают его с помощью пигментов и используют в процессе фотосинтеза.
Растения способны изменять положение своих органов в пространстве под действием света, то есть проявлять фототропизм. Фототропизм (от греч. phōtós — свет) — ростовые движения органов растений под влиянием одностороннего освещения. Обычно у стеблей наблюдается положительный (по направлению к свету), а у корней — отрицательный (от света) фототропизмы. Положительный фототропизм можно наблюдать на посевах подсолнечника во время цветения. С восхода и до захода соцветия подсолнечника, как локаторы, поворачиваются вслед за солнцем.
Свет играет роль основного энергетического и сигнального фактора. Для подавляющего большинства организмов видимый свет является источником тепла. Дневным животным видимый свет позволяет ориентироваться в среде. Некоторые ночные виды (совы, филины) могут перемещаться даже при слабой освещенности.
Инфракрасные лучи являются источником тепловой энергии. На их долю приходится 45 % солнечного света, достигающего Земли. Некоторые наземные животные (ящерицы, змеи) используют инфракрасные лучи для повышения температуры тела.
*Фотопериод и фотопериодизм
В умеренных широтах цикл развития животных и растений приурочен к сезонам (временам) года. Сигналом для подготовки к изменению сезона служит продолжительность светового дня — фотопериод, которая в отличие от других факторов всегда остается постоянной в определенном месте и в определенное время. В течение года длина дня изменяется строго закономерно и не подвержена воздействиям колебаний других экологических факторов.
Фотопериод — длина светового дня, определяющая времена года. Смена сезонов происходит вследствие изменения длины светового дня. Причиной этого является движение Земли вокруг Солнца и расположение ее оси под углом к плоскости орбиты. Длина светового дня в области экватора относительно постоянна в течение всего года (около 12 ч), но в умеренных и высоких широтах фотопериод значительно отличается в разные времена года. Наибольшая длина светового дня бывает в день летнего солнцестояния (около 22 июня в Северном полушарии, около 22 декабря — в Южном), а наименьшая — в день зимнего солнцестояния (около 22 декабря в Северном полушарии и около 22 июня в Южном). Изменение фотопериода играет сигнальную роль как для растений, так и для животных. Оно является для них пусковым механизмом, включающим последовательность физиологических процессов и определяющим их сезонные ритмы.
Фотопериодизм — характерная реакция живых организмов на изменение длины светового дня, синхронизирующая их биологическую активность с временами года.
По типу фотопериодической реакции наземные растения разделяют на три основные группы: короткодневные, длиннодневные и нейтральные к длине светового дня.
Короткодневные растения цветут ранней весной или осенью и нуждаются в короткой длине светового дня (менее 12 ч). К ним относятся земляника, хризантемы, рис, соя, просо и др. Длиннодневные растения цветут летом и нуждаются в длине светового дня более 12 ч. Представителями длиннодневных растений являются картофель, рожь, ячмень, овес, пшеница, редис и др. Растения, нейтральные к длине светового дня, цветут вне зависимости от длины светового дня. Такой способностью обладают огурец, подсолнечник, кукуруза, томат, горох, одуванчик.
Таким образом, регулируя длину светового дня в условиях закрытого грунта, можно ускорять или замедлять наступление периода цветения у растений короткого или длинного светового дня в зависимости от поставленных целей. В Республике Беларусь широко развито тепличное хозяйство с использованием автоматических систем светодиодного освещения, сдвигающих сроки цветения и сбора плодов овощных культур. Это позволяет собирать в теплицах два и более урожая за год.
Под фотопериодическим контролем находятся практически все процессы жизнедеятельности, связанные с развитием и размножением организмов. Эти реакции основаны не просто на количестве получаемого света, а на закономерном чередовании периодов света и темноты, продолжительности дня и ночи.
Следует отметить, что организмы по-разному реагируют на смену светлого и темного периода суток, то есть проявляют суточный фотопериодизм. У них периоды активности и покоя наступают в разное время суток.
Особенно заметно эта зависимость проявляется у животных. Среди них можно выделить три группы: дневные, ночные и сумеречные. Дневные животные активны в светлое время суток (пчела, ласточка, заяц). Они представляют самую многочисленную группу. Добывание пищи у ночных организмов происходит в ночное время (таракан, сверчок, сова, филин). Сумеречные организмы активны только во время сумерек (бражник, жук майский).
*Повторим главное. Солнечный спектр состоит из видимого света, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Фотопериод — длина светового дня, определяющая времена года. Фотопериодизм — характерная реакция живых организмов на изменение длины светового дня, синхронизирующая их биологическую активность с временами года. Наземные растения по типу фотопериодической реакции разделяют на короткодневные, длиннодневные и нейтральные к длине светового дня. Животных по приуроченности периодов активности и покоя к определенному времени суток можно разделить на три основные группы: дневные, ночные и сумеречные.
Проверим знания
Ключевые вопросы
Сложные вопросы
1. Объясните, почему на птицефабриках применяют дополнительное искусственное освещение?
2. Из приведенного перечня животных выберите представителей, у которых период активности приурочен к ночному времени суток: пчела, таракан, жук майский, сова, ласточка, сверчок, бражник, заяц.
*3. Распределите указанные ниже растения на группы по типу фотопериодической реакции: овес, редис, одуванчик, рис, картофель, просо, огурец, рожь, кукуруза, томат, подсолнечник, соя, пшеница, горох. Назовите, какие из них не смогут плодоносить в наших климатических условиях. Объясните почему.
*Индивидуальное домашнее задание. Проведите наблюдение за растениями, произрастающими в вашей местности. Сравните их по срокам цветения и распределите на группы по типу фотопериодической реакции.
Читайте также: