Физики и биологи управляют ростом растений при помощи света

Редактор · 13 января, 2018

Почти как солнце

Академик РАН Юрий КУЛЬЧИН - директор Института автоматики и процессов управления (ИАПУ) ДВО РАН. Область его интересов - лазерная физика, физическая и нелинейная оптика, фотоника нано- и микроструктур, фотонные сенсоры и нанотехнологии. Но последние месяцы и он, и его коллеги из ИАПУ - частые гости Биолого-почвенного института ДВО РАН. С чего вдруг?

- У нас оказались общие интересы и перспективы, - улыбается Юрий Николаевич, доставая ноутбук. - Дело в том, что земные растения, как известно, в процессе эволюции научились использовать солнечную энергию, а люди - создавать источники искусственного света, которые могут светить почти так же, как солнце. Когда мы в ИАПУ начинали конструировать для целей спектроскопии широкополосный источник света, то сразу определили себе задачу: сделать его таким, чтобы иметь возможность перестраивать длину волны излучения в широком диапазоне. А потом выяснилось, что с помощью искусственного источника света мы можем получить в видимом диапазоне спектр, аналогичный солнечному. Обнаружили это 1,5 года назад и поняли, что теперь можем сконструировать практически любой спектр излучения - за счет управляемой комбинации частот излучения используемых в матрице источников света. Вот эта красивая картинка - Юрий Николаевич демонстрирует в ноутбуке снимок из масштабной презентации для научного семинара - показывает, как разные спектры влияют на растения, начиная с ближнего ультрафиолета и заканчивая ближним инфракрасным светом. У природы такого источника нет, а у нас есть, и нам стало интересно, нельзя ли вернуться к вопросу эволюции, проверить, как спектры излучения в различной комбинации влияют на развитие живого.

- Решили поработать в роли бога?

- Нет, решили изучить, как поведут себя растения под разными световыми лучами. И мы, собственно, не первые, кто задается этим вопросом. Поглощение растениями синего и красного света придает листу зеленый оттенок из-за хлорофилла. Но у растений существует целый набор фоторецепторов - фитохромы, биохромы, которые поглощают свет и в других областях спектра. А поглощая свет других частот, они заставляют растения приспосабливаться к конкретным условиям. Вы, наверное, замечали, как растение, оказавшееся в тени, вдруг вытягивается?

Это оно поглощает свет определенной длины волны, а он запускает механизм, заставляющий растение расти вверх и выходить из тени. На высокогорье, где очень много синего и ультрафиолетового света, деревья не тянутся вверх, а наоборот, пластаются, часто становятся коренастыми. Словом, свои догадки, что свет играет особую роль в судьбе растений, мы пошли проверять к биологам, благо во Владивостоке все институты РАН рядом. Но пришли мы к ним не с пустыми руками, а с нашими источниками излучения. Мы установили их в специальные боксы и создали в каждом свой свет - монохромный или полихромный. Проще говоря, синий, красный, белый холодный, белый теплый и т.д. - предложили более десяти вариантов. Плюс, конечно, контрольный - солнечный. В каждый отдельный бокс со своим спектральным источником света биологами помещалась пробирка с растением или каллусной культурой.

Клетки каллусной культуры - это, по сути, то же самое, что и стволовые клетки у животных. Научиться управлять их ростом очень важно и перспективно как для промышленности, так и для фармацевтики. Так вот если на эту каллусную культуру направлять свет определенной частоты, то развивающиеся клетки культуры дифференцируются - из бесцветных трансформируются в цветные. Если используем голубой свет, то сначала каллусы зеленеют, в них образуется хлорофилл. Если облучаем белым, аналогом солнечного, но с разной интенсивностью, то сначала зеленеют (хлорофилл образуется), а потом могут пожелтеть, порыжеть (это возникли каротиноиды) и т.д.
Или, например, в экспериментах с растениями: дадим больше красного - будет интенсивно вытягиваться стебель, а если после этого увеличим интенсивность синего, то увидим, что увеличивается количество листьев. Видите, на одних снимках - контрольные всходы, что поднялись под солнечным лучом. А те, что под холодным белым светом, - у них листочки вверх не тянутся, но зато кустятся. А вот, что выросло под красным светом.

- Дохленькие - ни вверх, ни вширь...

- Да, но потом добавили синего - и масса начала увеличиваться. Для России уметь управлять режимами соляризации растений очень важно, ведь у нас на большинстве территории, 70% года - зима, а остальное - осень и хилая весна. Создать такое освещение для теплиц или других хозяйств не слишком дорого, но зато с помощью правильного управления характеристиками света за одно и то же время можно получить вдвое больше зеленой продукции.

- Любой?

- Мы экспериментировали с картофелем, хризантемами, цитронеллой, салатом, сейчас работаем с рисом. Главное, чтобы культуры были чистыми.

- И долго чистые культуры останутся таковыми в почве?

- Не очень, но зато мы можем вырастить таким путем семенной материал безвирусного картофеля. А пока безвирусный картофель здоров, он дает гигантские урожаи. А с помощью наших источников света мы можем воспроизводить здоровый посевной материал картофеля в два раза быстрее, чем это делается обычно.

- Фундаментальная физика пришла на помощь практикам сельского хозяйства?

- Еще не пришла, но работаем мы вместе. Пробирки с растениями, как я уже говорил, содержатся в лабораториях биологов. Они изучают, что может дать аграриям наш прибор, подсказывают, в каких временных рамках и как лучше менять спектр. То есть растягивать или сокращать сутки, времена года. Это - путь к безлюдным технологиям и полной программной управляемости. Например, есть культуры, приспособленные к короткому световому дню и длинной ночи. Если их высадить, допустим, под Питером, где белые ночи, то они не зацветут и не дадут плодов. Но затени эти растения на недолгое время белой ночью - они зацветут. Или высади там, где ночь длинна, а день короток, - тоже зацветут. Словом, наши наблюдения дают возможность управлять развитием растений. Для многих культур длительность темного времени в течение суток является ключевым фактором, определяющим онтогенетическое развитие растений. Например, земляника садовая закладывает цветочные почки при коротком световом дне, а максимальную продуктивность достигает при длине дня не менее 18 часов. Особенности фотопериода могут сказываться как на приросте биомассы, так и на накоплении вторичных метаболитов. В частности, была экспериментально продемонстрирована возможность двукратного увеличения биомассы салата при продолжительности фотопериода от 16 часов до круглосуточного освещения.

- Не дороговат ли салат получится?

- Все можно просчитать. Надо точно знать реакцию живых организмов на суточный ритм освещенности, продолжительность светового дня, соотношение между темным и светлым временем суток, а также реакцию на свет, подаваемый в коротких интенсивных импульсах длительностью от микросекунды до миллисекунды. Растения, оказывается, используют прерывистое освещение эффективнее, чем непрерывное.

- Выходит, вы вооружили аграриев технологией, которая позволяет управлять ростом и продуктивностью растений?

- Ну, пока сделали инструмент для биологов, а надо этот лабораторный образец превратить в технологическое оборудование, установленное прямо в трейлер, - стеллажи места занимают мало - подвести электричество, которое даст тепло, обеспечить подачу воды и света нужной интенсивности, спектра и длительности, вентиляцию. А дальше на базе таких контейнеров можно создавать хозяйства, фермы, которые будут кормить своей продукцией людей на Севере, в Арктике - хоть при минус 30 - даже в космосе.

- А содержание питательных веществ в полученных растениях изучали?

- Это - дело биологов, мы сделали удочку - изучайте, как ее лучше использовать.

Я давно говорю о необходимости развивать прецизионное сельское хозяйство. Нас избаловали наши просторы: у нас земли хватит, вырастим что захотим. Но у нас климат трудный: то зальет, то высушит, то вымерзнет. А где вообще не вырастет то, что туда сеять негоже. Зачем на Дальнем Востоке пшеница? Она плохо растет, зато отличные урожаи дают рожь, соя, рис, кукуруза, картофель, другие овощные культуры. Но у нас очень сложный состав почв, который сильно зависит от конкретного района. Поэтому начинать следует с детального анализа почв и выбора культур, которые в этом климате и на данной почве будут хорошо расти.

Далее надо создавать роботизированные хозяйства на основе автоматики. Например, если в почве мало влаги, надо подводить трубы для полива. Не надо реки поворачивать и суперканалы рыть, понемногу надо воду подавать и именно тогда, когда в этом есть необходимость. Еще правильнее будет, если не просто лить воду, а адресно подавать ее растениям вместе с растворенными в ней удобрениями и именно теми, которые им нужны в данный момент вегетации. При этом на поле должна быть разветвленная система мониторинга, которая измеряет PH, влажность и другие параметры почвы, которая подскажет, чего конкретно не хватает, что требуется добавить. Должна быть система, которая наблюдает за развитием растений, контролирует наличие вредителей и др. Сейчас происходит массовое развитие беспилотников, с помощью которых можно чуть ли не ежедневно следить, как развиваются посадки, не заражены ли они чем, не напали ли на них насекомые, не надо ли их отпугнуть пестицидами или еще чем. На основании этой информации следует включать систему обратной связи, которая запустит соответствующие механизмы для обработки посевов. Это позволит собирать большие урожаи с очень маленьких площадей.

У нас в институте есть роботизированная система по управлению энергетическими системами городов и предприятий, которую мы много лет разрабатывали. Нами сформулированы общие принципы и конкретные инженерные решения для обеспечения полного цикла автоматизированного управления такими сложными объектами. Поэтому мы готовы к сотрудничеству с аграриями по созданию систем прецизионного земледелия. Самое простое, на мой взгляд, - заняться созданием “умной” теплицы.

Или, например, вместе с учеными Института биологии моря ДВО РАН мы показали, что спектральные характеристики источника излучения влияют и на развитие планктона, что открывает возможности для управления его размножением, а это - выращивание правильного корма для рыб или ускоренная наработка биомассы. Если научимся с ней работать, то перейдем к теме получения искусственного топлива из морской биомассы. Наверняка управляемая соляризация будет полезна животноводству, птицеводству.

- Это труд на несколько поколений исследователей?

- Да нет, у нас практически все готово. Сегодня мы главным образом упираемся в отсутствие финансовых средств. В нашей стране крайне трудно проходит процесс поиска инвесторов. Когда-то неверно сформулированная политиками идея о том, что все можно купить за границей, а не разрабатывать самим, прочно засела в умах промышленников. Наработки есть. Нужно собрать опытную плантацию, провести эксперимент, довести до конца рекомендации, а дальше создавать малые предприятия. Но РАН, тем более ФАНО, не может выделить на это средства, это уже не фундаментальные исследования. Фонд перспективных исследований этим не занимается, частных инвесторов не нашли. Обратились в Торгово-промышленную палату - обещают китайских инвесторов. Но они потом и внедрят у себя наши наработки, а ведь нам самим надо менять организацию сельского хозяйства в стране.

Оригинал статьи: http://www.poisknews.ru/

Изменено 15 января, 2018 пользователем BKB
Лишние картинки.

Askar · 13 января, 2018

Что-то речь у академика приблатнённая. Не нравится мне.

seriii · 14 января, 2018

11 час назад, Askar сказал:

Что-то речь у академика приблатнённая. Не нравится мне.

Я уже давно заметил ,и не придаю существенного внимания этому ,Идет массовая рекламная атака ,Лед освещения .

У меня лично два знакомых академика профессора (сын и отец),с купленными корочками ,пенсия у них ХОРОШАЯ и хорошие связи !

Вокси · 14 января, 2018

Очень хочется верить, что не все профессора такие.

Я искренне убеждён - есть порядочные и болеющие за страну люди и у нас.

Да, рекламы много (она приносит доход), но отрицать прогрессивность Лед освещения тоже , наверное, неправильно.

Изменено 14 января, 2018 пользователем Вокси

BKB · 14 января, 2018

13 часа назад, Редактор сказал:

А потом выяснилось, что с помощью искусственного источника света мы можем получить в видимом диапазоне спектр, аналогичный солнечному. Обнаружили это 1,5 года назад ...

Мощные ксеноновые лампы со спектром, аналогичным солнечному, существуют чуть ли не со времён Второй мировой, и подробно описаны во всех книгах и статьях по светокультуре растений, начиная с конца 1950-х. Их так и называют – "солнечные имитаторы", они бывают импульсные и непрерывного излучения, и много где используются.

По тону и смыслу всей статьи, крепко спал академик Кульчин со сотрудники лет 25, а то и больше...

Олег · 14 января, 2018

Если отбросить всю муть, то занимаются светильником для микроклонального размножения.

Это не академики плОхи, журналисты на дне.

22 марта, 2020

Вот не знаю в ту ли ветку...

Интересно, есть ли уже ответ на вопрос о том каковы предельные уровни освещённости для продуктивного роста.

Имею ввиду идеальный случай. Имеем идеальный спектр для данного растения вообще без паразитных излучений (УФ, ИК), растение под обдувом идеально охлаждается до отпимальной температуры, т.е. перегрева от неусвоенного фотосинтетической системой света нет.

Вот что-то известно о пределе? О точке перегиба, после которой кадый последующий люмен приносит всё меньше результата?

Марите · 22 марта, 2020

22 минуты назад, Химик сказал:

Вот не знаю в ту ли ветку...

Интересно, есть ли уже ответ на вопрос о том каковы предельные уровни освещённости для продуктивного роста.

Имею ввиду идеальный случай. Имеем идеальный спектр для данного растения вообще без паразитных излучений (УФ, ИК), растение под обдувом идеально охлаждается до отпимальной температуры, т.е. перегрева от неусвоенного фотосинтетической системой света нет.

Вот что-то известно о пределе? О точке перегиба, после которой кадый последующий люмен приносит всё меньше результата?

Поройтесь в материалах Марденкро, там много практически полезной информации

https://www.redusystems.ru/ru/innovation/P40

УФ и ИК вовсе не являются "паразитными" излучениями по определению. Все зависит от их доли в общем спектре в определенных условиях.

Зеленый змий · 22 марта, 2020

https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотоингибирование

Если "маловато будет",то это в Пущено.)))

Возможно не правильно понял и Вам нужно

https://ru.wikipedia.org/wiki/Кривая_светового_насыщения_фотосинтеза

Статья слабенькая,но "теги" есть.

Изменено 22 марта, 2020 пользователем Зеленый змий

Askar · 22 марта, 2020

1 час назад, Зеленый змий сказал:

в Пущено

Пущино. Запишите где-нибудь себе на память.

22 марта, 2020

3 часа назад, Марите сказал:

Поройтесь в материалах Марденкро, там много практически полезной информации

https://www.redusystems.ru/ru/innovation/P40

УФ и ИК вовсе не являются "паразитными" излучениями по определению. Все зависит от их доли в общем спектре в определенных условиях.

Спасибо, почитаю.

Читаю и местами грустно от их безграмотности. Громко нахваливают свою продукцию, а в размерностях путаются постоянно. Сложно доверять таким "специалистам". Животворящий маркетинг сплошной. Для них животворящий.

Изменено 22 марта, 2020 пользователем Химик

22 марта, 2020

1 час назад, Зеленый змий сказал:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотоингибирование

Если "маловато будет",то это в Пущено.)))

Возможно не правильно понял и Вам нужно

https://ru.wikipedia.org/wiki/Кривая_светового_насыщения_фотосинтеза

Статья слабенькая,но "теги" есть.

Да, именно второе! Спасибо.

22 марта, 2020

Всё же интересно. Сколько примерно Вт/м.кв., люменов или мутных "микромолей" в максимуме у томата, огурца, земляники?

Исходя из формы кривой в пикиведии, следует работать именно в точке максимума. Левее неё наклон довольно крутой.

Зеленый змий · 22 марта, 2020

Они жлобятся и заварку не досыпают.Стараются работать на мах. производной на графике. + - специфика .На современном языке это называется "бизнес план".))) Таких не берут в космонавты.)))

Изменено 22 марта, 2020 пользователем Зеленый змий

Марите · 22 марта, 2020

26 минут назад, Химик сказал:

Сколько примерно Вт/м.кв., люменов или мутных "микромолей" в максимуме у томата, огурца, земляники?

В зависимости от всех прочих условий. Люмены здесь вообще не гордятся, это для людей, а не для растений.

Вт/м2 зависит от температуры воздуха в теплице и фактической светопроизводительной способности светильника. Есть хозяйства, которые применяют 330-340 Вт/м2, при этом излучение ими ФАР в мкмоль/м2/сек может отличаться в два раза в зависимости от срока службы лампы. Например 600 Вт лампы могут выдавать и 323 мкмоль/м2/сек и 194 мкмоль/м2/сек.

Те же Марденкро писали, что для томатов максимум около 1600 Дж, выше только стресс, но это зависит от температуры воздуха.

Лучше всего к настоящему времени изучены томаты, над огурцами сейчас Ditto очень серьезно работает. С земляникой Делфи работали и продолжают исследования.

Понимаете, урожай зависит от оптимального сочетания вида/сорта, освещенности (именно количества света) и спектрального состава, температуры воздуха и растения, обеспеченности водой и элементами питания, концентрации СО2 и состояния здоровья растения. Листья должны быть идеально здоровыми и зелеными.

Стоит изменить один из этих параметров, сразу же приходится изменять все остальные. Необходимо сравнивать одну технологию с другой. А наука к такому не готова, этот подход противоречит принципу единственного различия или как оно там правильно называется.

Это сложная для изучения тема.

22 марта, 2020

Так никто и не говорит, что она простая.

Понятно, что работать на максимальной производительности сложно и опасно. Как двигатель крутить на максимальных оборотах всё время.

Так на то и датчики как в фильме про передовых кибернетиков. А сейчас и быстродействующая электроника копейки стоит.

Есть повод для консенсуса.

Зеленый змий · 22 марта, 2020

Как обычно,если Марите что-то скажет,то и добавить нечего.

19 минут назад, Химик сказал:

Есть повод для консенсуса.

Если шо,на Марите,я тоже "глаз положил".

Вокси · 22 марта, 2020

Решил подойти к этому вопросу экспериментом..

50 000 люкс, 2 недели по 12 часов.

...Прут , как на дрожжах...

Изменено 22 марта, 2020 пользователем Вокси

22 марта, 2020

В 22.03.2020 в 17:27, Вокси сказал:

Решил подойти к этому вопросу экспериментом.

Нужна "раститровка" для того, чтобы поймать точку перегиба. Ну и параметры снимать нужно, целую кучу параметров.

Изменено 27 марта, 2020 пользователем Химик
Сокращение цитаты.

Вокси · 22 марта, 2020

Под менее мощным (20 000 Люкс) заметно вытягивание...

Зеленый змий · 22 марта, 2020

И когда Вы решите этот вопрос,придут идиоты,типа нас.И спросят,я где Вкус (органолептика)?.

Изменено 22 марта, 2020 пользователем Зеленый змий

22 марта, 2020

1 час назад, Зеленый змий сказал:

И когда Вы решите этот вопрос,придут идиоты,типа нас.И спросят,я где Вкус (органолептика)?.

ИМХАется мне, что в точке максимально эффективного фотосинтеза и при адекватном питании со вкусом всё будет более чем прекрасно!

Зеленый змий · 22 марта, 2020

Я рад,что Вы так верите Растениям.Посмотрите на "тепличников",последние проценты дожимают.А мы как ветер, пробежались.Ничего,у Господа обителей много."И тебя вылечат, и меня вылечат…")))

22 марта, 2020

15 минут назад, Зеленый змий сказал:

Я рад,что Вы так верите Растениям.Посмотрите на "тепличников",последние проценты дожимают.А мы как ветер, пробежались.Ничего,у Господа обителей много."И тебя вылечат, и меня вылечат…")))

Что они дожимают? Утрамбовывают светильники, чтобы световой поток увеличивать?

Сомневаюсь.

Зеленый змий · 22 марта, 2020

«Юпитер, ты сердишься — значит, ты не прав».

Как можно,если не фейк,спрашивать запрос про "фотосинтез",И утверждать ,что ты познал?Научи меня,я так хочу.)))

Марите · 23 марта, 2020

В 22.03.2020 в 17:27, Вокси сказал:

Решил подойти к этому вопросу экспериментом. ...Прут , как на дрожжах...

Александр, на этом фото растения неодинаковые по высоте. Тут дело скорее в составе субстрата, чем в интенсивности освещенности. И в любом случае рассаду необходимо расставлять, чтобы свет проникал не только сверху, но и с боков. Иначе она все равно вытянется просто немного позже.

Изменено 27 марта, 2020 пользователем BKB
Сокращение цитаты.

Физики и биологи управляют ростом растений при помощи света

Вопрос

Почти как солнце

Ссылка на комментарий

30 ответов на этот вопрос

Рекомендуемые сообщения

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Гость Химик

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Гость Химик

Ссылка на комментарий

Гость Химик

Ссылка на комментарий

Гость Химик

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Гость Химик

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Гость Химик

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Гость Химик

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Гость Химик

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Ссылка на комментарий

Для публикации сообщений создайте учётную запись или авторизуйтесь

Создать аккаунт

Войти

Важная информация