Версия для печати

Почти как солнце. Физики и биологи управляют ростом растений при помощи света

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.

Елизавета ПОНАРИНА, Поиск