Künstliche Beleuchtung in der Landwirtschaft
Es ist seit langem bekannt, dass Pflanzen ohne Licht nicht wachsen können; Dennoch wurde die genaue Wirkung von Licht auf Pflanzen erst in den letzten hundert Jahren dank der Fortschritte in Wissenschaft und Technologie vollständig entdeckt.
Der Einsatz künstlicher Beleuchtung in der Landwirtschaft zielt darauf ab, eine dem Licht der Sonne analoge Lichtquelle bereitzustellen. Aufgrund der Fortschritte in der Technologie haben sich LED-Leuchten als die beste Option für die Beleuchtung im Gartenbau herausgestellt, insbesondere solche, deren Spektren speziell auf die Bedürfnisse der Pflanze zugeschnitten werden können. Im Vergleich zu konventionelleren Beleuchtungsoptionen wie Hochdrucknatrium (HPS) und Leuchtstofflampen bieten Leuchten mit LEDs erhebliche Vorteile hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Umwelt und ihrer Produktionseffizienz.
Ein Bericht über den Einsatz künstlicher Beleuchtung in der Landwirtschaft wurde von Valoya verfasst und von Forschern der Universität Almeria und Buresinnova gemeinsam verfasst. Der Bericht wurde im Januar 2018 veröffentlicht. Die Studie stellt Tests vor, die verschiedene Spektren und Lichtarten nutzen, um die Auswirkungen zu bestimmen, die jede Lichtform je nach den Umständen, unter denen sie wachsen, auf Pflanzen haben kann. Im Folgenden finden Sie einen Ausschnitt aus der Studie, den Sie lesen können.
1. Licht und die Kommunikation zwischen Pflanzen
Elektromagnetische Wellen sind für die Energieübertragung durch die Atmosphäre verantwortlich. Beispiele für elektromagnetische Wellen sind Mikrowellen, Radio- oder Fernsehwellen, Röntgenstrahlen, ultraviolette Strahlen oder sichtbares Licht. Elektromagnetische Wellen können durch unterschiedliche Frequenzen und Wellenlängen voneinander unterschieden werden. Das elektromagnetische Spektrum besteht aus einem breiten Spektrum an Frequenzen und Wellenlängen, von denen einige besser erkannt werden als andere (z. B. Mikrowellen, Radiowellen, sichtbares Licht usw.).
Elektromagnetische Strahlung besitzt eine Doppelnatur; Während es sich als Wellen durch den Raum bewegt, tauscht es auch Energie in Form von Teilchen (Photonen) aus. Albert Einstein war 1905 der erste, der argumentierte, dass Licht gleichzeitig Eigenschaften von Teilchen und Wellen besitzt. Photonen sind die Namen der Teilchen, die in einem Lichtstrahl enthalten sind. Photonen, deren Wellenlängen größeren Entfernungen entsprechen (niedrigere Frequenzen), tragen weniger Energie als Photonen, deren Wellenlängen kürzeren Entfernungen entsprechen.
Das menschliche Auge kann Licht mit Wellenlängen zwischen 400 und 700 Nanometern (nm) wahrnehmen, was in etwa dem Teil des elektromagnetischen Spektrums entspricht, den Pflanzen bei der Photosynthese nutzen. Daher wird Licht mit einer Wellenlänge zwischen 400 und 700 nm als photosynthetisch aktive Strahlung (oder einfach PAR) bezeichnet. Das Spektrum der im Sonnenlicht sichtbaren Wellenlängen ist kontinuierlich und reicht weit über den sichtbaren Bereich hinaus. Das menschliche Auge ist dafür verantwortlich, verschiedene Wellenlängen in Farben umzuwandeln, die dann im menschlichen Gehirn verarbeitet werden. Die Farbe Blau wird durch Licht mit einer Wellenlänge erzeugt, die näher bei 400 nm liegt, wohingegen die Farbe Rot durch Licht mit einer Wellenlänge erzeugt wird, die näher bei 600 nm liegt. Der gelbgrüne Wellenlängenbereich ist derjenige, auf den das menschliche Auge am empfindlichsten reagiert.
2. Pigmente, Photorezeptoren und der chemische Prozess der Photosynthese in Pflanzen
Das Lichtspektrum wird von Pflanzen nahezu im gleichen Bereich wie das menschliche Auge absorbiert; Allerdings sind Pflanzen im Gegensatz zu Menschen besser in der Lage, rotes und blaues Licht aufzunehmen.
Chlorophyll ist eine der wichtigsten Chemikalien, die es Pflanzen ermöglicht, Licht zu absorbieren und die von ihm bereitgestellte Energie zu nutzen, um Wasser und Kohlendioxid in Sauerstoff und andere komplexe organische Moleküle umzuwandeln. Dieser Vorgang wird als Photosynthese bezeichnet. Chlorophyll ist ein Pflanzenfarbstoff, der in intrazellulären Chloroplasten vorkommt. Chlorophyllmoleküle haben eine grüne Farbe und sind tatsächlich die Ursache für die Grünfärbung von Stängeln und Blättern. Es gibt zwei Hauptformen von Chlorophyll, die in höheren Pflanzen vorkommen können. Dabei handelt es sich um Chlorophyll a und Chlorophyll b, deren Lichtabsorptionskurven sich nur geringfügig voneinander unterscheiden. Aufgrund dieses relativ geringen Unterschieds sind sie in der Lage, unterschiedliche Wellenlängen einzufangen und so einen größeren Teil des Sonnenlichtspektrums einzufangen. Aufgrund der Fähigkeit der Chlorophylle, hauptsächlich rotes und blaues Licht zu absorbieren und gleichzeitig grüne Wellenlängen zu reflektieren, erscheinen Pflanzen für unsere Augen grün.
Allerdings ist Chlorophyll nicht das einzige in Pflanzen vorkommende Pigment; sogenannte akzessorische Pigmente (wie unter anderem Carotinoide und Xanthophylle) und phenolische Substanzen (wie Flavonoide, Anthocyane, Flavone und Flavonoide) absorbieren andere Wellenlängen als nur Rot und Blau. Gelb, Rot und Violett sind die Farben, aus denen die Zusatzpigmente bestehen. Die Verwendung dieser Farbtöne lockt nicht nur Vögel und Insekten an, sondern trägt auch dazu bei, das Gewebe vor den schädlichen Auswirkungen äußerer Stressfaktoren wie intensiver Lichteinstrahlung zu schützen.
Photorezeptoren sind eine weitere Art von Partikeln, die Licht absorbieren können. Die drei Hauptklassen von Photorezeptoren werden als Phytochrome, Phototropine und Cryptochrome bezeichnet. Darüber hinaus ist der UVR8-Photorezeptor ein spezialisierter Photorezeptor, der nur auf ultraviolettes Licht reagiert. Jeder Photorezeptortyp reagiert empfindlich auf einen bestimmten Wellenlängenbereich des Lichts und ist für eine bestimmte physiologische Reaktion in Pflanzen verantwortlich. Diese Antworten lauten wie folgt:
Phototropine beeinflussen sowohl die physikalische Position der Chloroplasten als auch die Öffnung der Spaltöffnungen. Sie sind in der Lage, blaues Licht aufzusaugen.
Die innere Uhr von Pflanzen wird durch Kryptochrome gesteuert, die ihre Umgebung auf lichtbezogene Signale überwachen. Darüber hinaus sind sie mit morphologischen Reaktionen verbunden, wie der Unterdrückung der Stängelverlängerung, der Vergrößerung der Keimblätter, der Entwicklung von Anthocyanen und der photoperiodischen Blüte. Die Wellenlängen von UVA (ultraviolett), blauem und grünem Licht werden von Cryptochromen aufgenommen.
Die Blüte wird durch Phytochrome ausgelöst, die auch für die Samenbildung verantwortlich sind. Stängelverlängerung, Blattausdehnung und das „Schattenvermeidungssyndrom“ werden in Pflanzen alle durch Phytochrome gesteuert. Das in der Umgebung vorhandene Verhältnis von rotem und dunkelrotem Licht wirkt sich auf den photostationären Zustand des Phytochrommoleküls aus, der wiederum die durch Phytochrome regulierten Reaktionen vermittelt.
Blüte, Samenentwicklung und andere Funktionen wie Keimung, Zeitpunkt der Blüte und Pflanzenform sind lichtabhängige Aktivitäten. Die Photosynthese, der Prozess, der die Energie für die Bildung von Biomasse liefert, ist nur einer dieser Prozesse. Diese Verhaltensweisen hängen eng mit der Qualität des Lichts zusammen, das die Pflanze aus ihrer Umgebung empfängt, und mit der Art und Weise, wie die Pflanze Signale aus ihrer Umgebung interpretiert. Diese Reaktionen werden durch Wellenlängen vermittelt, die sowohl innerhalb als auch außerhalb des PAR-Bereichs liegen, einschließlich UV- und Fernrotstrahlung.
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