Промені підтримки

Взимку у вікнах житлових будинків замість теплих жовтих вогнів часто можна побачити зловісне фіолетове сяйво. Це світяться фітолампи, за допомогою яких квітникарі-аматори сподіваються підбадьорити свої кімнатні рослини і розсаду. Розповідаємо, чому вони використовують таке незвичайне світло, чи дійсно воно допомагає рослинам і як у цій історії взяли участь космонавти.

Рідкісний любитель рослин - будь у нього власна ферма або тільки пара кадок на підвіконні - обходиться без добрив. Проте рослини живляться не тільки через коріння, але й через листя, яким поглинають вуглекислий газ і світло. Чи означає це, що їх можна «підгодувати» не тільки добривами, а й світлом? І чи можна таким чином змусити їх дати ще більший урожай?

Яке світло смачніше?

Відповідь на це питання незалежно один від одного знайшли в другій половині XIX століття Климент Тімірязєв і Теодор Енгельман. Вони розкладали сонячне світло на спектр, освітлювали різними його частинами рослини і вимірювали, наскільки ті активно фотосинтезують (тобто поглинають вуглекислий газ, виділяють кисень і виробляють цукор). Методики вони використовували трохи різні, але отримали схожі результати. Виявилося, що не кожна ділянка спектра змушує лист поглинати вуглекислий газ і виділяти кисень з однаковою ефективністю. Найкраще це виходило у червоного і синього світла, а найгірше - у зеленого. Справа в тому, що пігменти, які ловлять світло для фотосинтезу - хлорофіли і каротиноїди - добре поглинають червоне і синє світло, а на зелене майже не реагують.

Пізніше той же Тімірязєв з'ясував, що у червоного кольору є ще одна цінна властивість. Ув'язнену в червоних променях енергію лист майже цілком використовує на утворення біомаси - тоді як у синьому світлі енергії занадто багато, тому половина «втрачається» у вигляді тепла. А значить, можна заощадити: якщо освітлювати теплиці одним червоним світлом, електрична енергія буде використовуватися ефективніше і не пропаде, а рослини стануть продуктивнішими - зможуть накопичувати більше поживних речовин, ніж якби вони росли під звичайним сонцем.

Є тільки одне але: світло потрібне рослинам не тільки для фотосинтезу. А ще й для того, наприклад, щоб визначити, в який бік рости, коли цвісти і давати плоди. Крім того, світло запускає відкривання гирлів (через які лист обмінюється газами з повітрям) і регулює добові ритми руху листя і відкривання квіток. Для цього в клітинах рослин є особливі молекули - фоторецептори, які змінюють експресію генів і обмін речовин у клітці у відповідь на світлові промені. Основні фоторецептори рослин, як і пігменти фотосинтезу, працюють з червоним і синім світлом, але можуть вловлювати ще зелений, ультрафіолетовий і дальній червоний.

Виходить, що життя рослини залежить від суми світлових сигналів різного кольору, але який ефект виробляє кожен з них за відсутності інших, фізіологи рослин за часів Тімірязєва не знали - і не цілком розуміють досі. Тому заміна природного світла на суто червоні промені може призвести зовсім не до збільшення врожаю, а до строго протилежного результату - теоретично в таких умовах рослини повинні чахнути або щонайменше давати менше плодів, ніж зазвичай.

Як прогодувати космонавта

Перші спроби «підгодувати» рослини променями певного світла почалися в ХХ столітті. Для «усічення» спектра використовували світлофільтри, які дозволяли перетворити звичайний білий світильник на кольоровий. З'ясувалося, що фізіологи мали рацію: однієї частини спектру для повноцінного життя може не вистачити. Виявилося, що тільки на червоному і особливо зеленому світлі рослини ростуть погано, виходять хилими, з подовженими стеблями і дрібним листям - як якщо б росли в тіні. На синьому світлі рослини почувалися найкраще - не гірше, ніж на білому. Правда, світлофільтри виділяли зі світла лампи досить широкі області спектра - наприклад, синій фільтр пропускав ще й ультрафіолет - тому все одно залишалося неясним, без яких саме променів нічого не вийде.

Все змінилося, коли з'явилися світлодіоди. Ними відразу зацікавилися інженери та агрономи, які конструювали космічні оранжереї. Правда, перші діоди були якраз червоного світла - тобто рослини (принаймні, ті, на яких це вже перевіряли) повинні були під ними мельчати і хіреть. Але у діодів знайшлися й інші переваги перед звичайними лампами. Вони не тільки економічніше, але і займають мало місця, майже не нагріваються при роботі, у них пластикові (а не скляні) лінзи і вони не містять токсичної ртуті (цим небезпечні люмінесцентні лампи). Все це особливо актуально для космічних кораблів і орбітальних станцій, де простір і електроенергія обмежені, а вимоги до безпеки високі. Тому на початку 90-х агрономи з Вісконсинського університету в Мадісоні вирішили ще раз спробувати «згодувати» рослинам червоні промені.

Одне з головних завдань рослин у космосі - забезпечувати космонавтів клітковиною і вітамінами, які складно зберегти в сублімованих продуктах. Тому в перших експериментах вибір припав на салат, який швидко росте, досить невибагливий і багатий на вітаміни. Салат висадили під світильник з червоних світлодіодів, і нічого толкового не вийшло: рослини вийшли дрібні і непридатні в їжу.

Але агрономи не здавалися. Послухавшись фізіологів рослин, вони вирішили додати до червоного світла синій - в надії на те, що він допоможе правильно спрямувати розвиток рослини. У ті часи (а на дворі стояв 1991 рік) хороших синіх світлодіодів ще не винайшли, тому над «космічним» салатом довелося повісити сині люмінесцентні лампи. І виявилося, що вже 10 відсотків синіх квантів у загальному потоці дають салату можливість вирости в повний розмір.

Незабаром дешеві сині світлодіоди, досить яскраві для рослин, все-таки з'явилися - так у космонавтів з'явилися повністю світлодіодні червоно-сині світильники. Їх, наприклад, використовували, щоб вирощувати листову капусту на третьому етапі експерименту «Марс-500», в якому імітували політ на Марс. Зараз в оранжереї Veggie на американському сегменті МКС стоїть якраз такий світильник, а астронавти успішно вирощують під ним салат - правда, поки для дослідів, а не на сніданок.

Одними вітамінами космонавтів не прогодувати, тому в другій половині 90-х років вчені перейшли від салату до карликової пшениці. Вона містить достатньо білка і калорій, а також може поповнювати запаси кисню в космічному кораблі або на планетарній станції. Частину насіння пшениці висадили під червоні світлодіоди, частину - під червоні з додаванням синіх, а решту - під традиційні люмінесцентні лампи, для контролю. І абсолютно несподівано на червоному світлі зійшли хоч і більш дрібні порівняно з контрольними, але повноцінні рослини, які змогли зацвести і дати насіння.

Фізіологи рослин досі - а з того експерименту минуло 24 роки - не знають, як пшениця примудрилася повноцінно вирости без синього світла. У неї трохи інший набір фоторецепторів, і там, де салату необхідне саме синє світло, рецептори пшениці, мабуть, виявляються досить чутливі і задовольняються червоним.

Кому що світить

Коли світлодіоди стали досить дешевими, а їх виробництво - масовим, ними зацікавилися не тільки дослідники космосу. Агрономи і фізіологи рослин змусили рости під діодними світильниками різні культури: редис, томати, огірки, соняшник, базилік, троянди, хризантеми та багато інших.

Так з'ясувалося, що навіть червоно-синє світло, яке так добре підійшло пшениці і салату, влаштовує не всяку рослину. Наприклад, шпинат і редис на такому світлі ростуть гірше, ніж на білому. Щоб умовити редис дати повноцінні коренеплоди, знадобився світильник, в який входили синє світло, дальній червоний і два типи червоного з трохи різною довжиною хвилі.

Стало ясно, що зібрати фітосвітильник зі світлодіодів - завдання не таке просте, як здавалося спочатку. Багато видів і навіть сорти рослин вимагають для себе іншого спектрального складу світла, ніж їх найближчі родичі. І найчастіше ці тонкощі з'ясовуються вже в процесі підбору - передбачити їх не виходить. Ймовірно, це пов'язано з тим, що у різних рослин набір фоторецепторів трохи відрізняється: може не збігатися кількість рецепторів для різного світла, і функції між ними можуть бути по-різному розподілені.

Тому якщо сучасний агроном захоче побудувати теплицю там, де немає або мало сонячного світла, йому доведеться міцно задуматися про те, яким саме світлом її освітлювати. Здавалося б, можна було обійтися білими світлодіодами, щоб не мучитися з підбором умов. Але і їх спектр не досконалий: він не відтворює спектр звичного рослинам освітлення, це суміш синього і жовто-помаранчевого світла, яку людське око приймає за білий.

Синього світла в такому світильнику буде для рослин забагато, а червоного навпаки - занадто мало. Тому в таких умовах універсальними вважаються світильники на основі білих світлодіодів з додаванням червоних (принаймні, для космічних оранжерей). Чи погодяться з цими рекомендаціями самі рослини, покаже час.

Допитливі садівники, які займуться ретельним підбором світильника під конкретну рослину, виявлять, що спектр може змінювати різні властивості рослин. Наприклад, для вирощування великих рослин з великою кількістю листя може бути корисно додати зелене або біле світло: червоний і синій ефективно поглинаються хлорофілом, і їх майже цілком «з'їдять» верхні листя; а кванти інших кольорів (в першу чергу зеленого) проникнуть в глибину крони і забезпечать фотосинтез нижчим листям. За допомогою червоних діодів можна зробити тем'ян більш ароматним, а додаючи до спектру ультрафіолет, можна посилити забарвлення листя біля червоного салату, прискорити дозрівання томатів і підвищити вміст у них каротиноїдів і антиоксидантів.

Ті ж, хто хоче «підгодувати» світлом свої рослини на балконі, підвіконні або в теплиці, вирішують більш просту задачу. Ці рослини отримують від сонячних променів весь спектр світла, потрібного їм для регуляції зростання і розвитку. А фітосвітильник служить просто приємним доповненням, «підсилювачем» фотосинтезу - особливо якщо на дворі зима, а рослини звикли до південних широтів і не встигають напояти енергією і дати урожай за коротке північне літо. У такій ситуації для «досвітки» чудово підійдуть червоні та сині промені. Тому-то вікна деяких квартир і запалюються фіолетовим світлом вечорами: їх господарі включають червоно-сині фітосвітильники. Наше око сприймає їх світло як фіолетове, і комусь це може здатися неестетичним - але рослинам така підтримка подобається.