Растениям необходим свет для фотосинтеза, процесса, посредством которого растения преобразуют энергию света в химическую энергию, которая хранится в связях молекул глюкозы. Не все длины волн или цвета света могут одинаково эффективно управлять фотосинтезом. Растения используют определенные длины волн или цвета света более эффективно для фотосинтеза.
Основная функция света для растений — фотосинтез. Фотосинтез состоит из светозависимых реакций и фиксации углерода (цикл Кальвина). В светозависимых реакциях растения поглощают фотоны света для преобразования углекислого газа и воды в богатые энергией молекулы, такие как АТФ и НАДФН. В цикле Кальвина растения используют АТФ и НАДФН для фиксации углерода из углекислого газа в молекулы сахара.
Растения не могут выполнять фотосинтез без света. Однако не все длины волн или цвета света работают одинаково хорошо. Растения преимущественно поглощают красный (600-700 нм) и синий (400-500 нм) свет. Между тем, зеленый свет (495-570 нм) наименее эффективен для фотосинтеза. Эта селективность обусловлена наличием специализированных молекул пигмента, таких как хлорофилл, которые сильно поглощают красные и синие длины волн.
Растения обладают специализированными молекулами пигмента, которые поглощают определенные длины волн видимого света. Основными пигментами, участвующими в фотосинтезе, являются хлорофилл a, хлорофилл b и каротиноиды.
Хлорофилл a имеет пики поглощения при 430 нм и 662 нм, что соответствует синим и красным длинам волн. Он отражает зеленый свет, придавая листьям зеленый цвет. Хлорофилл b максимально поглощает при 453 нм и 642 нм. Между тем, каротиноиды, такие как бета-каротин, максимально поглощают при 449 нм и 475 нм, что также соответствует синим длинам волн.
Если посмотреть на спектр поглощения, показывающий относительное поглощение различных длин волн видимого света, хлорофиллы и каротиноиды демонстрируют повышенное поглощение в синей (400-500 нм) и красной (600-700 нм) частях спектра. Зеленые длины волн (495-570 нм) поглощаются минимально и вместо этого отражаются, придавая растениям их зеленый цвет.
Спектр действия отображает относительную эффективность различных длин волн излучения в обеспечении биологического процесса, которым для растений является фотосинтез. Спектры действия показали, что растения максимально используют синий и красный свет для фотосинтеза.
В частности, спектр действия показывает, что фотосинтетическая активность наибольшая между 400-500 нм и 600-700 нм. Синий свет немного эффективнее индуцирует фотосинтез, чем красный. Между тем, зеленый свет от 495 до 570 нм наименее эффективен в управлении фотосинтезом.
Спектр действия фотосинтеза близко соответствует спектрам поглощения хлорофиллов и каротиноидов. Это указывает на жизненно важную роль, которую эти пигменты играют в захвате световой энергии для фотосинтеза.
Растения преимущественно поглощают синие и красные длины волн света из-за наличия хлорофилла и каротиноидных пигментов, настроенных на использование этих длин волн.
Роль хлорофилла заключается в поглощении световой энергии и направлении ее в биохимические реакции фотосинтеза. Его структура включает сеть чередующихся одинарных и двойных связей, которые позволяют электронам возбуждаться при поглощении синих и красных фотонов.
Между тем, каротиноиды, такие как бета-каротин, расширяют способность растений собирать синий свет. Каротиноиды поглощают избыточную энергию из хлорофилла, чтобы предотвратить повреждение, а также помогают в сборе света и передаче энергии хлорофиллу.
Без этих пигментов растения не смогли бы выполнять фотосинтез. Пигменты предоставляют растениям возможность поглощать преобладающие длины волн света, которые достигают поверхности Земли.
Большинство растений обладают одним и тем же основным набором фотосинтетических пигментов, включая хлорофилл a, хлорофилл b и различные каротиноиды. Поэтому диапазон максимально используемых длин волн не сильно отличается между видами растений.
Однако могут существовать некоторые вариации. Определенные вспомогательные пигменты могут точно настраивать поглощение света растением. Например, красные водоросли обладают фикоэритрином, который усиливает поглощение зеленого света. Между тем, у ламинарии есть фукоксантин для максимального поглощения сине-зеленых длин волн.
Кроме того, растения, адаптированные к определенным световым условиям, могут демонстрировать некоторые различия. Растения, произрастающие в затененных условиях, часто имеют повышенный уровень хлорофилла b, что повышает их теневыносливость. Растения из солнечных мест могут обладать большим количеством фотозащитных каротиноидов.
Разные длины волн света и его интенсивность могут влиять на рост растений по-разному:
| Цвет света | Влияние на растения |
|---|---|
| Синий |
|
| Красный |
|
| Зеленый |
|
| Дальнекрасный |
|
В целом, синий свет сохраняет растения короткими и компактными, а красный свет способствует цветению и плодоношению. Воздействие только одного цвета может вызвать аномальный рост. Вместо этого баланс длин волн оптимизирует здоровье и развитие растений.
Интенсивность света или плотность потока также влияет на рост растений. В то время как фотосинтез увеличивается линейно с интенсивностью света на низких уровнях, при более высокой интенсивности фотосинтез выходит на плато из-за насыщения.
Слишком мало света может привести к маленьким, слабым растениям. Чрезмерно сильный свет вызывает фотоингибирование, при котором растения закрывают устьица хлоропластов, чтобы предотвратить повреждение. Умеренная интенсивность света обычно оптимизирует рост.
Растения предпочтительно поглощают свет в дневное время для питания фотосинтеза. Однако закономерности поглощения в течение дня зависят от типа фотосинтеза, который использует растение.
Такие растения, как соя, используют только фотосинтез C3, наиболее активно поглощая свет рано утром. Между тем, такие растения, как кукуруза, используют фотосинтез C4, интенсивно поглощая свет поздним утром и ранним днем.
Некоторые растения, такие как сахарный тростник, обладают фотосинтезом CAM, поглощая CO2 ночью, чтобы использовать его для роста в течение дня. Такие растения потребляют световую энергию в основном во второй половине дня и в начале вечера.
Поглощение света растениями следует сезонным колебаниям, коррелирующим с изменением продолжительности дня. В северном полушарии растения поглощают максимальное количество света летом, когда дни самые длинные. Продолжительность и интенсивность света уменьшаются осенью и зимой.
Сезонные изменения света запускают рост и репродуктивные переходы у растений. Сокращение дней в конце лета дает растениям сигнал к переходу к осени. Изменения света также стимулируют цветение весной и переход в состояние покоя осенью/зимой.
Несмотря на сезонные сдвиги, растения стремятся поглощать как можно больше полезного света для фотосинтеза в определенное время года. Их пигменты и фотосистемы адаптированы для захвата доступного света.
Растения реагируют на взаимодействие красного и дальнего красного света через систему фитохромов. Фитохромы существуют в двух формах: неактивной форме Pr и активной форме Pfr.
Красный свет преобразует фитохром в активную форму Pfr, вызывая такие реакции, как прорастание семян и развитие рассады. Дальний красный свет преобразует фитохром обратно в неактивную форму Pr, подавляя развитие.
Соотношение красного и дальнего красного света дает растениям информацию об их световой среде. Растения растут более компактно в тени, обогащенной дальним красным, чтобы избежать конкуренции за солнце.
Помимо фотосинтеза, растения также используют некоторые длины волн света в качестве сигналов. Синий свет, воспринимаемый фоторецепторами криптохрома, регулирует рост и развитие. Он подавляет удлинение стебля, поэтому растения вырастают короткими и компактными.
Ультрафиолетовый (УФ) свет, хотя и вреден в избытке, служит сигналом в малых дозах. УФ-В-свет сигнализирует растениям о необходимости вырабатывать защитные пигменты и антиоксиданты. Он также регулирует развитие и метаболизм.
Искусственное освещение можно использовать для выращивания растений в помещении, где естественного света недостаточно. Часто используются светодиоды (СИД), которые излучают определенные длины волн.
Светодиоды, излучающие красный, синий и/или белый свет, могут поддерживать рост растений. Часто используются комбинации красных и синих светодиодов, так как эти длины волн управляют фотосинтезом. Дальнекрасные светодиоды также могут дополнять лампы для роста.
Лампы для роста, излучающие УФ, обычно не используются, так как УФ может повредить растениям. Зеленый свет также не нужен, так как растения почти не поглощают зеленые длины волн.
Растения преимущественно поглощают синие и красные длины волн света с помощью своих фотосинтетических пигментов. Хлорофиллы и каротиноиды оптимизируют улавливание света в спектральных областях 400-500 нм и 600-700 нм. Следовательно, растения зависят от синего и красного света для фотосинтеза и здорового роста.
Хотя большинство растений поглощают схожие длины волн, некоторые специальные пигменты могут изменять характер поглощения. Общая интенсивность и продолжительность света также влияют на развитие и морфологию растений.
Понимание того, как растения используют свет, позволяет оптимизировать стратегии освещения для садоводства и сельского хозяйства. Адаптация качества, интенсивности и продолжительности света к потребностям растений может повысить производительность и здоровье растений.