Дилетант для дилетантов: про фитолампы и биофотонику

Если вы когда-то видели, проходя мимо домов и квартир, вот такие вот криповатые окна из квартала красных фонарей, но никогда не задумывались, что это, это - фитолампы.

Что это за зверь такой и в чем его польза, будем разбираться

Фитолампы, они же фитосветильники вошли в моду не так давно, выделившись, видимо, из тенденции подсвечивать растения всем подряд от люминисцентных ламп до обычных.

В общем-то, всем было интуитивно понятно или известно, что растения + свет = хорошо, но на помощь пришла ещё и молодая наука агрофотоника, которая изучает влияние света на физиологию растений. 

Агрофотоника появилась из биофотоники. 

Биофотоника изучает явления испускания, обнаружения, поглощения, селекции, модификации и генерации излучений живыми организмами и органические материалами (что находит широкое применение в медицине, генетике, биологии,  агротехнике и экологии).

Также биофотоника - это наука и технологии, имеющие дело со взаимодействие органического вещества со светом и другими формами излучений, в которых квантовой единицей служит фотон. 

(источники 1,2)

Мох, вода, насекомые и их реакция на свет тоже объект и предмет биофотоники

Агрофотоника изучает тот же спектр явлений, но исключительно в отношении растений, при чём имеющих сельскохозяйственное значение. 

Матчасть по свету 

Что важно помнить, Техника безопасности 

Я напишу это в самом начале, потому что важные пункты в конце теряются. 

1. Растения нельзя перегревать и обжигать, лампы нужно ставить на расстоянии. 
2. У фотосинтеза есть теневая фаза, для которой необходим световой покой, если бить растение светом 24/7 оно вполне возможно и погибнет
3. Чудодейственный способ только один - внимание и забота о растении, комплекс мер по условиям содержания, питанию, воде, свету, одной лишь лампы не достаточно для эффекта

Теперь к делу 

Столкнувшись с выбором света впервые, можно сойти с ума от непонимания огромного количества технической информации. Пробуем понять, какими свойствами должна обладать фитолампа и в чем её конкурентное преимущество перед обычной. 

Какие цвета растения "видят" и "едят" 

Для всех растений есть одна общая черта, не смотря на зону произрастания и длину светового дня - чувствительность к свету определённой длины волны (проще говоря, цвету света). Так вышло, что вещества в растениях (вроде того самого пигмента хлорофилла) более или менее восприимчивы к тем или иным цветам. 

Немного матчасти по волнам и соответствующим цветам в нашем зрении:

• <390 нм ультрафиолетовый свет, в отличие от человека, воспринимается растениями
• 390-440 нм фиолетовый
• 440-480 нм синий
• 480-510 нм сине-зелёный 
• 510-550 нм зелёный, практически не воспринимается растениями, они его отражают, поэтому мы видим листву зеленой
• 550-570 нм желто-зеленый
• 570-590 нм желтый
• 590-625 нм оранжевый 
• 625-700 нм красный
• >700 нм инфракрасный свет, тоже воспринимается растениями

Моя лампа красно-синего спектра и отражатель

Какие цвета поглощаются более эффективно 

Общепринято, что для растений эффективны волны от 300 до 800 нм. При этом его часть в 480-590 нм менее эффективна из-за низкого восприятия растениями.

Наиболее полезные волны в лампах - 650нм. и 450нм. - чистый синий и чистый красный. Они влияют на активность трёх ключевых процессов: наращивание зелёной массы, цветение и плодоношение. 

Однако последние исследования показывают, что растениям важен весь воспринимаемый ими спектр и если досвечивать можно отдельными цветами, то полноценное освещение должно быть, всё-таки полноспектральным,желательно естественным, белым.

Так как отдельные группы химических элементов (те, которые не хлорофилла, например) восприимчивы к другим цветам и эффективность дыхания и метаболизма растения зависит от их комплексного действия. 

Вот деревья тянутся к серому небу. Дальше посмотрим как картофель тянется к лампе

Для одного из сортов картофеля, исследования показали следующее (источник 3):

(СД - светодиод, БС - белый свет, СС - синий свет, КС - красный свет, ЗС - зелёный свет). 

Максимальная скорость карбоксилирования (страшное слово значит, грубо говоря, переработку углекислого газа путем его реакции с другими химическим веществами) и большая эффективность реакции наблюдались при облучении растений люминесцентным светом и светодиодом белого света. 

По сравнению с ними показатели при 

Светодиод синий свет 77,9 %

Светодиод красный свет 67,9 %

Светодиод зелёный свет 11,1 %

Скорость электронного транспорта (переноса электронов и протонов, проще говоря, распределения энергии в процессе дыхания) при облучении люминесцентными лампами была наибольшей, и составила в вариантах 

Светодиод белый свет 97,3 %

Светодиод синий свет 68,0 %

Светодиод красный свет 75,1 %

Светодиод зелёный свет 20,8 %

Простыми словами, часть спектра влияет на дыхание, часть на теневую фазу и обмен веществ, при чём не одинаково эффективно. 

Волны синего спектра сильнее влияют на процессы дыхания, метаболизма и наращивания зелёной массы, красного - на цветение и плодоношение, формирование дополнительной зелени так сказать вширь. Полное исключение одного из цветов плохо скажется на балансе растения. 

Редиска под лампой даёт сильный прирост листа за 3 дня

Матчасть по лампам

Что такое фитолампа

В общих чертах, это источник освещения, спроектированный таким образом, чтобы благоприятно влиять на биохимию роста и развития растения.

Простыми словами - лампа, которая стимулирует процесс фотосинтеза и связанных с ним процессов метаболизма растения.

Что такое фотосинтез, думаю, все мы помним из школьной биологии, но на всякий случай напомню: процесс переработки растением химических веществ под действием света.

Типичная линейная светодиодная лампа двойного спектра

Лампы бывают разные - люминесцентные, светодиодные, натриевые и другие. 

• Люминесцентные более эффективны, но более вредны для глаз и излучают больше тепла. 
• Светодиодные в этом плане проще: дешевле, безвреднее, практически не греются, для новичка самое то. 

Польза и необходимость ламп

Итак, если фотосинтез происходит под действием света, свет нам даёт солнце, а белый растения любят больше всего, то расходимся? 

Увы, в научном садоводстве всё не так просто. Мы вынуждены выращивать растения в разных условиях среды, не всегда благоприятных. Чтобы компенсировать недостаток естественного света и ускорить рост растений, и используются фитолампы. 

Их основная функция - досветка и стимулирование, гармонизация процессов, которым может не хватить естественного света. 

Второй день досветки среза орешника - почки распускаются активнее, чем теневые

Скорость фотосинтеза напрямую зависит от фотонов (частиц света), которые поглощаются растениями. Чем больше света и чем он качественнее - тем активнее идёт фотосинтез, тем больше накапливаются полезные вещества, тем более гармоничнее развивается растение, крепче зелень и выше урожайность. 

Как измеряется эффективность освещения 

Свет, эффективный для поглощения растениями, именуется фотосинтетически активная радиация (ФАР) и лежит в диапазоне примерно 300-800 (разные исследования дают несколько разные цифры). 

Фотосинтетический фотонный поток (измеряется в мкмоль/с) отражает количество фотонов, проходящих за секунду времени. 

Фотосинтетическая фотонная облученность (измеряется в мкмоль/(м2*с)) отражает количество фотонов, получаемых 1 квадратным метром поверхности за секунду, то есть плотность или интенсивность освещенности.

То есть, такое число отражает, сколько фотонов полезного света "скушает" квадратный метр вашего салата за секунду. 

Микровывод

Таким образом, фитолампа помогает выделить и сконцентрировать свет необходимого спектра для дополнительной досветки растения, при этом не расходует энергию на спектр лишний (зелено-жёлтый), которого достаточно в солнечном свете и тепловую энергию (поэтому я люблю именно светодиодные лампы, они не нагреваются и не мешают тепловой атмосфере в теплице в отличие от натриевых и люминесцентных). 

Важно как реализована технология отвода тепла в корпусе светильника. 

Как дилетанту подобрать лампу, мой сценарий 

С понятием ФАР и ФФП, спектром мы познакомились. По прежнему нифига не понятно, что делать. 

Есть ещё понятия площади освещения, мощности лампы и много много других факторов. 

Всё это можно посчитать, на это есть формулы, но для нас, дилетантов, не владеющих питомниками и теплицами в гектар, всё куда проще: производители всё за нас посчитали и написали в инструкциях. 

Вот, например, инструкция от моих ламп

Ключевой показатель для меня это ФФП, остальное можно вести от этого. 

Но начать следует с главного:

Само растение 

Всё зависит от этого. Нужно изучить, светолюбивое оно или теневыносливое, какую длину светового дня предпочитает, на какой свет лучше реагирует, какую температуру нужно обеспечить и так далее.

В пасмурно лесу уже открылись подснежники, вот уж пример того, что каким-то растениям нужно очень мало для активизации роста, а каким-то ждать до июня

Исходя из потребностей растения выбираем дальше.

Фотосинтетический фотонный поток (ФФП) 

Можно почитать про необходимые характеристики непосредственно под конкретное растение (на Киберленинке много статей про агрономию сортов). Есть общие примерные рекомендации:

• 15 – 30 обеспечивает общее улучшение роста и здоровья растений 
• 30 – 45 хороши для рассады и горшечных растений, увеличивают плотность зелёной массы и обеспечивают прирост
• 40 – 100 для круглогодичного роста и пышно цветущих растений 
• 100 – 200 такой свет любят растения с очень высокой потребностью в освещении 
• 300 – 800 для выращивания растений без естественного света 

Площадь освещения 

Обычно указана на упаковке, всё логично, подбираем под место расстановки рассады по квадратному метражу. 

У меня это пока небольшое окно, лампы две, так как ветки среза высокие

Спектр и зрение

• Сейчас есть полноспектральные лампы, светят нейтральным белым светом и безопасны для глаз. Квартал красных фонарей в комнате, если нет возможности изолировать рассаду, немного раздражает. Ещё мы выяснили, что растениям полезно воспринимать весь спектр, это всё равно, что нам нравится питаться разнообразно, а не есть только один конкретный высоко энергичный продукт.  Минусы: качественные стоят дорого. 
• Есть лампы смешанного или переключаемого спектра: в основном синий + красный. Самый оптимальный, на мой взгляд, вариант для досветки рассады при естественном свете. 
• Есть лампы отдельного спектра: одна лампа - один цвет, это для экспертов, извращенцев и любителей держать ситуацию под полным контролем, менять свет в зависимости от фазы роста растения.

Готовимся, что лампа на окне будет освещать ещё и половину улицы

Понятно, что ничего не понятно

На самом деле, самый верный способ определить, что подойдёт в каждом конкретном случае, это старый добрый метод перебора, метод проб и ошибок. Экспериментов и озарений.

Я начала его с простых линейных ламп 37 мкМоль/сек красно-синего спектра для досветки рассады на окне и впоследствии орешков в стеллаже.

Так как собиралась и закупалась я экстренно в последние дни перед карантином, выбор был не велик и пал на ближайший Максидом.

Жаль нет возможности сделать контрольную группу и проверить эффект лампы.

Часть источников

1. Соснин Э.А., Кульчин Ю.Н., Астафурова Т.П. /СТАНОВЛЕНИЕ АГРОБИОФОТОНИКИ КАК ЗАКОНОМЕРНОЕ РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ/ СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019», №6
2. Ковалевская Т.Е., и др. Фотоника: Словарь терминов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004.
3. Ю.Ц. МАРТИРОСЯН, Т.А. ДИЛОВАРОВА, В.В. МАРТИРОСЯН, В.Д. КРЕСЛАВСКИЙ, А.А. КОСОБРЮХОВ / ДЕЙСТВИЕ СВЕТОДИОДНОГО ОБЛУЧЕНИЯ РАЗНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА НА ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЙ АППАРАТ РАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ (Solanum tuberosum L.) В КУЛЬТУРЕ in vitro / СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2016, том 51,  номер 5