Влияние светового спектра на развитие растений
опыты и эксперименты по биологии (8 класс)

Областной форум научной молодежи «Шаг в будущее» Двадцать первая областная научная конференция молодых исследователей «Шаг в будущее»

Влияние светового спектра на развитие растений

Костромская область, Костромской район, п. Сухоногово

 Автор:

Ефимов Михаил Васильевич

Научный руководитель:

Шестова Ольга Вячеславовна

2019

Областной форум научной молодежи «Шаг в будущее»

областная научная конференция молодых исследователей «Шаг в будущее»

Влияние светового спектра на развитие растений

Автор: Ефимов Михаил Васильевич

Введение

Растения, как и все живое на планете, растут и развиваются только при условии хорошего питания. Причем «продуктами» – углеводородами – они обеспечивают себя сами, создавая их из углекислого газа и воды. Процесс вырабатывания – он называется фотосинтез – происходит с обязательным использованием световой энергии. Растения реагируют не только на интенсивность, но также на длину световой волны, а она у лучей разного цвета отличается. В своей работе мы постарались разобраться, какова степень влияния различных спектров освещения  на рост и развитие растений.

Цель исследования:

Изучить влияние различных спектров освещения  на рост и развитие растений

Задачи :

1.Изучить влияние спектра ламп на развитие растений

2.Провести серию экспериментов по выяснению возможного влияния излучения  различных спектров освещения  на рост и развитие растений

3. Сделать выводы на основе изученного материала и результатов проведенного эксперимента.

Свет и фотосинтез

Как известно фотосинтез является основополагающим физико-химическим процессом, проходящим в растениях.

        Изучив литературу по данной теме, мы выяснили, что эффективность фотосинтеза зависит от количества фотонов, падающих на лист растения, но спектральный состав света играет не меньшую роль, чем его интенсивность. Не весь спектр видимого света востребован при фотосинтезе, и , более того, наиболее полезные для растений участки спектра либо невидимы человеческим глазом, либо находится на границе нашего восприятия. То есть в тех частях спектра, где наш глаз имеет наибольшую чувствительность, фотосинтез минимален, и наиболее заметный для человеческого глаза зеленый свет растениям совершенно неинтересен. Они и выглядят зелеными именно потому, что листья отражают лучи этой части спектра. Хлорофиллы способны поглощать свет в красном и синем участках спектра.

        Однако для того, чтобы растение развивалось оптимально, важно не только наличие световой энергии, но и спектр света, а также длительность светового периода, когда растение бодрствует, и темного периода, когда оно отдыхает. 

Если правильно регулировать длительность светового дня, то стадиями роста растения можно управлять. Так, у растений длинного дня можно регулировать их вегетативную стадию, а также время цветения. В свою очередь, для растений короткого дня световой период должен оставаться на определенном уровне, ведь слишком длительный период света может существенно нарушить время его цветения. Существует и категория растений, которые растут в зависимости от наличия света, но при этом продолжительность темного и светлого периода суток на них не влияет.

Таким образом, правильно регулируя свет, можно достичь качественных результатов в процессе выращивания разных видов растений.

Что же такое спектр света, и как он влияет на развитие растений?

Солнечный свет не является однородным, если рассматривать его спектральный состав. Свет солнца – это лучи, которые имеют разную длину волны. Таким образом, свет – это частица спектра электромагнитных волн, которую человек может видеть. При этом различать человеческие глаза способны область электромагнитного спектра, которая пребывает в промежутке примерно от 400 до 700 нанометров. В нанометрах  измеряется длина, и именно эту единицу наиболее часто используют для измерения малых длин

 Но в жизни растений наиболее важное значение имеет физиологически активная и фотосинтетическая активная радиация.

Самые важные лучи для растений – оранжевые (620-595 нм) и красные (720-600 нм). Эти лучи поставляют энергию для процесса фотосинтеза, а также «отвечают» за процессы, влияющие на скорость развития растения. Например, пигменты с пиком чувствительности в красной области спектра отвечают за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение растений. Для этого в теплицах используются натриевые лампы, у которых большая часть излучения приходится на красную область спектра. 

Так, к примеру, слишком большое количество красных и оранжевых лучей могут задержать цветение растения.

Также в фотосинтезе непосредственное участие принимают и синие, а также фиолетовые лучи (490-380нм). Кроме того, в их функции входит стимулирование образования  белков и регулирование скорости роста растения. Те растения, которые растут в природных условиях короткого дня, быстрее зацветают именно под воздействием этих лучей.

Пигменты с пиком поглощения в синей области отвечают за развитие листьев, рост растения и т.д. Растения, выросшие с недостаточным количеством синего света, например, под лампой накаливания, более высокие - они тянутся вверх, чтобы получить побольше "синего света". Пигмент, который отвечает за ориентацию растения к свету, также чувствителен к синим лучам.

Лучи, которые имеют длинную волну (315-380 нм), не позволяют растению чрезмерно «вытягиваться» и отвечают за синтез ряда витаминов. В то же время  ультрафиолетовые лучи, которые имеют длину волны 280-315 нм, могут повышать холодостойкость растений.

Таким образом, жизненно важными для развития растений не являются только желтые и зеленые лучи (565-490 нм).

Следовательно, при организации искусственного осветления растений необходимо в первую очередь учитывать их потребность в особенном спектре света.

Ход работы

Для опытов мы взяли растения, относящиеся к различным систематическим категориям - Горо́х посевно́й (лат. Pisum sativum) — типовой вид рода горох из семейства бобовых (Fabaceae) класс двудольные и Кукуру́за са́харная, также маи́с (лат. Zéa máys[2]) — однолетнее травянистое культурное растение[3], единственный культурный представитель родаКукуруза (Zea) семейства Злаки (Poaceae) класс однодольные.

Наблюдали за развитием растений. Выяснилось, что растения, подсвеченные светодиодной лампой, развивались активнее. Они сильно отличались от других растений высотой, листья были крупнее, их цвет – сочно зеленый, чего нельзя сказать, например, о растениях подсвеченных лампой накаливания. Подтверждения результатам своих экспериментов мы нашли в научной литературе. Оказалось, что лампы, предназначенные для освещения растений, должны содержать как красные, так и синие области спектра. При таком варианте освещения растения правильно растут и формируются.

Каждая из трех основных областей спектра (синяя, зеленая и красная), взятая в отдельности, мало пригодна для выращивания растений, и только излучение, взятое в определенном соотношении энергии по всему спектру, может обеспечить выращивание полноценных растений. Сильное нарушение этого соотношения, например, когда растения получают максимум излучения только в синей области спектра, приводит к формированию низкорослых растений с высоким фотосинтезом, но низкой продуктивностью. Избыток излучения в красной области спектра, наоборот, приводит к излишнему росту вегетативных органов в ущерб генеративным. Спектральный состав света, так же как и его интенсивность, является сильным морфогенетическим фактором, регулирующим как ростовые, так и фотосинтетические реакции в системе целого растения. При этом желательно иметь следующее соотношение энергии по спектру в растениеводческих лампах для многих сельскохозяйственных растений: 25-30%-в синей области (380-490 нм), 20% в зеленой (490-590 нм) и 50% - в красной области (600-700 нм). Такое соотношение различных частей спектра позволяет выявить генетический потенциал растений, который обычно не реализуется полностью в полевых условиях, где фотосинтез и рост трудно сбалансировать.

В результате опытов мы также выяснили:

1. Лампа накаливания имеет не самый лучший спектр для фотосинтеза, т.к. в спектре ее явно наблюдается нехватка синих лучей;
2. Люминесцентные лампы холодно-белого или дневного цветов более подходят для подсвечивания растений.

     3)  Спектр, излучаемый светодиодами – излучение узкой частью спектра (синий и красный) – необходим растениям.

Мы так же установили, что эффективность подсвечивания зависит не только от спектра, но и от мощности светового потока, который зависит от типа лампы, ее мощности и расстояния до листьев растения. В этом смысле оптимальны слабо нагревающиеся люминесцентные лампы, поскольку их можно приблизить к растениям на 15-20 см без риска перегрева. А учитывая богатый ассортимент  типов и размеров ламп, их можно выбрать для любых помещений. Набирающие все большую популярность энергосберегающие лампы – это те же люминесцентные, снабженные электронным стартером, которые можно вкрутить в обычный патрон. Уровень светового потока у них намного выше, по сравнению с лампой накаливания и в среднем колеблется в районе 50-70 лм на 1 ватт, что позволяет уже вполне небольшими финансовыми вложениями добиться хорошей подсветки. И недаром эти лампы называют лампами дневного света, потому что их спектр приближен к спектру светового дня.

Конечно, глупо было бы утверждать, что солнечный свет лампы могут заменить полностью, но в подсветке цветов они работают гораздо эффективней, чем лампы накаливания. А в результате небольшой выработки тепла такую лампу можно разместить максимально близко к освещаемому растению и не бояться, что растения получат ожоги.

Мы узнали, что лампы накаливания очень сильно нагреваются. Именно из-за этого они могут нанести ожог листьям или попросту их высушить. Кроме этого мощность светового потока от такой лампы неприлично низка и ее недостаточно для нормального роста растения. У данного типа ламп наименьший коэффициент полезности по соотношению силы света приходящегося на ватт мощности.

Выводы:

1. Для подсвечивания растений благоприятнее всего использовать светодиодные лампы, дающие излучение узкой части спектра (синий и красный) необходимые для растений.
2. Приемлемы и конструкции из люминесцентных и светодиодных ламп, дополняющие друг друга.
3. Не плохо бы сконструировать специальные фито-лампы для подсвечивания растений.

Информационные и литературные источники.

Жданович Б.Д., Жданович Л.И.

Справочное пособие по растениеводству.- Москва:

Росагропромиздат, 1989 .- 255с

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

http://habrahabr.ru/

aqua-farm.ru

elektri4estwo.ru/

http://www.mirsvetodiodov.ru/

http://www.floralworld.ru/care/light.

http://electrik.info/main/praktika