Современное состояние физиологии, генетики и селекции растений находится на таком уровне знаний, когда основные процессы жизнедеятельности могут быть детально изучены только на основе строгого учета факторов окружающей среды.

Исследователь должен иметь возможность выращивать растения и изучать их физиологические процессы при определенных, заранее заданных параметрах облучения, температуры, влажности, корневого питания, состава воздуха и пр. При этом в одних случаях желательно полное воспроизведение климата отдельных районов земного шара, в других, наоборот, детальное изучение влияния на растения какого-нибудь одного фактора, его качества, интенсивности, продолжительности, последействия и, наконец, оптимальной их совокупности для выяснения потенциальной продуктивности растений.

Большие возможности для подобных исследований представляют специальные инженерно-биологические устройства, в которых с помощью современной аппаратуры создаются условия, необходимые для проведения определенного эксперимента.

Первые сооружения, созданные для экспериментальной физиологии растений, были довольно простыми и позволяли изучать действие только одного какого-либо фактора. К ним относятся созданные в 20-х годах нашего столетия Н. А. Максимовым и И. И. Тумановым суховейные установки, холодильные камеры и фотопериодические домики Всесоюзного института растениеводства, люминостаты сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева, камеры Бойс-Томсоновского института в США со стеклянным потолком, облучаемые лампами накаливания, погруженными в проточную воду, и многие другие.

Внешний вид лаборатории искусственного климата Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева

Внешний вид лаборатории искусственного климата Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева

 

Современные устройства с регулируемым климатом имеют различную степень сложности. Самые простые устройства – обычные теплицы, в которых с относительной точностью можно изменять температуру и влажность воздуха и условия облучения растений.

К следующей по сложности оборудования группе относятся станции и лаборатории искусственного климата. В сооружениях этого типа отдельные элементы климата выдерживаются более строго. В них также имеются большие и малые камеры специального назначения. Эти сооружения можно назвать физиологическими лабораториями с регулируемыми параметрами климата.

В качестве примера можно привести первую в Советском Союзе лабораторию искусственного климата при ТСХА, начавшую функционировать в 1950 г. В лаборатории есть две теплицы общей площадью около 200 м². Каждая из них разделена на три отсека, в которых устанавливаются самостоятельные климатические режимы. С помощью частой смены воздуха (32 раза в час) в них поддерживается определенная температура (отклонение от заданной не более 1°С). При этом движение воздуха не оказывает механических воздействий на растения и создает однородную воздушную среду для всех растений в опыте. Воздух подается и выводится системой приборов для кондиционирования, все элементы которой размещены в специальном подвальном помещении. Другим регулируемым элементом климата является оптическое излучение. В лаборатории используются все современные источники искусственного облучения. Наибольшее распространение имеют люминесцентные трубки, лампы типа ДРЛ и ксеноновые лампы с водяным и воздушным охлаждением.

Основная проблема исследования этой лаборатории – изучение физиологических элементов регуляторной системы растений. В этом аспекте исследуются природа и роль биоэлектрических потенциалов, динамика процессов возбуждения и торможения; саморегуляция в системе «биологические часы» у растений, проявление регуляторной функции растений в поглощении и распре делении минерального питания; роль корреляций в мета-мерной изменчивости у растений; динамика физиологических процессов при различных режимах облучения; реакция растений на тепловой режим в корневой зоне и другие вопросы.

Самая большая станция искусственного климата в СССР принадлежала Институту физиологии растений АН СССР (Останкино).

Станция представляет собой большой комплекс лабораторий и камер с регулируемым климатом, в которых для облучения растений используются все современные источники искусственного излучения: люминесцентные лампы дневного, синего, красного, зеленого и других цветов; лампы накаливания с водяным фильтром и ксеноновые лампы большой мощности (20 кВт), отделенные от растений стеклом и толстым (около 20 см) слоем проточной воды. Столь мощные источники позволяют создавать любые условия облучения по спектральному составу и облученности (до 100 клк).

На станции искусственного климата можно изучать также устойчивость растений в крайних условиях существования: при глубоком охлаждении (до -60°С), при очень высокой температуре (до 100° С). В камерах с искусственным облучением можно поддерживать температуру воздуха от 0 до 40° С с влажностью от 20 до 90%. Общая электрическая мощность станции превышает 1000 кВа. В лабораториях этой экспериментальной базы проводятся глубокие исследования по фотосинтезу, передвижению веществ, росту и развитию, зимостойкости, водному режиму, физиологии запасных отложений, корневому питанию, засухо- и солеустойчивости, культуре изолированных тканей, нуклеиновому обмену, биомагнетизму и другим важнейшим проблемам современной физиологии растений.

Наивысшая форма организации описываемого типа – фитотрон. Под фитотроном понимается замкнутый комплекс или система сооружений, состоящих из ряда помещений, в каждом из которых можно изменять все факторы климата: температуру, влажность и состав воздуха; облученность, спектральный состав излучения и суточную продолжительность облучения; скорость и направление движения воздуха и т. д.

Фитотрон должен быть тщательно герметизирован. Он изолируется от внешней среды как системой фильтров (механических и химических), так и более повышенным атмосферным давлением внутри здания. Специальные мероприятия осуществляются для защиты растений от болезней и вредителей.

С помощью фитотронов решаются основные проблемы фитотронологии, которая более известна под термином «фитотроника». К ним относятся:

  1. Воспроизведение климатических условий, соответствующих любой местности и любому времени года с целью изучения растений, предназначенных для культуры в новых земледельческих районах.
  2. Выяснение влияния отдельных климатических факторов – облученности, спектрального состава излучения, температуры воздуха и почвы, относительной влажности и скорости движения воздуха, содержания в нем газов (в первую очередь углекислого и кислорода) и их совокупности на рост, формирование и продуктивность растений.
  3. Разработка методики ускорения селекционных исследований и получения ряда поколений в течение одного года в воспроизводимых условиях среды и быстрое выявление устойчивости растений к внешним неблагоприятным условиям.
  4. Определение и воспроизведение физиологических, биофизических и биохимических процессов в динамике и онтогенезе.
  5. Генетические исследования с целью изучения механизма наследственности.
  6. Фитопатологические и энтомологические исследования и разработка мероприятий по борьбе с болезнями и вредителями сельскохозяйственных культур.

Таким образом, фитотроны, а также вегетационные шкафы и камеры – весьма сложные технические сооружения, подробное описание которых не входит в нашу задачу. Мы ограничимся только знакомством с источниками искусственного излучения, которые используются в этих сооружениях.

Первым фитотроном исследовательского типа была Эрхартовская лаборатория, созданная более 20 лет назад известным физиологом растений Ф. В. Вентом при Калифорнийском технологическом институте (США). Эффективность этого сооружения при решении теоретических и агротехнических проблем способствовала быстрому росту числа фитотронов в разных странах мира (от Швеции до Австралии).

Весьма совершенный фитотрон построен недалеко от Парижа (Жив-сюр-Иветт). Он состоит из 12 камер с искусственным облучением (ЛЛ, ЛН и КС) и 8 теплиц. Строго продуманная система коридоров, небольших тамбуров и рабочего пространства над камерами позволяет выращивать растения и проводить исследования с наименьшим вмешательством людей. Предусмотрена стерилизация воздуха. Широко используются стекло, плексиглас, алюминий и другие современные материалы, Его климатические параметры весьма широки: температура от -20 до 50° С; относительная влажность от 0 до 95%; освещенность более 30 клк.

Основные источники излучения в камерах, где выращивают растения, – люминесцентные лампы типа «Делюкс» с рефлекторами из полированного алюминия. На каждой раме (1,5 м²) смонтировано 16 ламп мощностью по 120 Вт каждая и 16 ламп накаливания мощностью в 15 Вт. Таким образом, общая установочная мощность составляет 1730 Вт/м². Соотношение мощностей источников коротковолнового (ЛЛ) и длинноволнового (ЛН) излучения равно примерно 3:1. Освещенность растений составляет 30 клк на расстоянии 50 см и 15 клк на расстоянии 100 см от источника излучения. В отдельных теплицах имеются ксеноновые лампы с водяным охлаждением, которые на расстоянии 2,5 м дают дополнительную к естественной освещенность порядка 12 клк.

Тематика исследований очень разнообразна: фотопериодизм, ростовые вещества, минеральное питание, генетические и экологические исследования и др.

Подобно французскому фитотрону, комбинированные облучатели (ЛЛ + ЛН = 3:1) используются в фитотроне Дюкского университета (США), Канберрского университета (Австралия), сельскохозяйственной опытной станции Министерства сельского и лесного хозяйства Японии на о. Хоккайдо и др.

В голландских фитотронах (Институт полевых и луговых культур, Центр физиологических исследований, Институт техники в садоводстве и др.) чаще применяют лампы типа ДРЛФ (ХЛРГ-400) – совместно с небольшими лампами накаливания. Во избежание перегрева растений источники излучения отделены от рабочего объема камер стеклянными потолками.

Оригинальный фитотрон построен в Калифорнийском университете (США). Он поставлен на специальную платформу, которая с помощью мощного электрического привода вращается на вертикальной оси, следуя за движением солнца. Отсюда его название – «поворотный фитотрон», или solatron. Управляет его движением фотоэлемент, находящийся на внешней стене. Лучи солнца, попадая на фотоэлемент, включают механизм поворота. С наступлением темноты с помощью другого фотоэлемента solatron возвращается в исходное положение. Таким образом, передняя стена фитотрона всегда обращена к солнцу. Поскольку этот университет находится южнее 40° с. ш., а годовая освещенность внутри фитотрона достигает 98% освещенности на открытом месте, в этом фитотроне выращивают растения практически без искусственных источников излучения.

Помимо описанных фитотронов, в последние годы появились сооружения близкого к ним типа, например климатрон, созданный под руководством Ф. Вента в Сан-Луисе (США). Он представляет собой монументальное куполообразное сооружение высотой около 30 м и диаметром свыше 50 м, сделанное из стали и плексигласа. На отдельных участках и ярусах климатрона, не имеющего внутренних перегородок, созданы различные климаты земного шара, где растут соответствующие растения. Температуру и влажность воздуха регулируют с помощью скрытых труб, подающих кондиционированный воздух.

Для изучения роста корней в ряде стран созданы так называемые ризотроны. В них имеются подземные тоннели со специальными окнами, позволяющими систематически наблюдать за корневой системой. В ризотроне регулируются температура, влажность воздуха, содержание газов. Предусмотрена смена почв в зависимости от эксперимента.

Сооружения с искусственным климатом (в том числе и с искусственным облучением) в настоящее время применяются и в других отраслях естествознания. В Японии существуют акватрон, зоотрон и гомотрон. В США проф. Сенн создал биотрон, в котором имитируются различные экологические комплексы с участием растений, животных и людей.

В связи со сложностью сооружения больших фитотронов в последнее время иногда пользуются так называемыми микрофитотронами. Микрофитотрон – это устройство, состоящее из небольшой (от одного до 5 м²) рабочей камеры для выращивания растений и машинной части, создающей нужный климат. Микрофитотроны занимают относительно небольшую площадь и объем и могут быть поставлены в любом помещении, имеющем воду, канализацию и электроэнергию. Их часто называют вегетационными шкафами или камерами.

В нашей стране проводится большая конструкторская работа, которая позволяет надеяться, что в ближайшее время исследовательские организации получат достаточное количество шкафов и камер разного типа.

Так, в институтах Министерства сельского хозяйства и ВАСХНИЛ подготовлен для эксплуатации вегетационный климатический шкаф для ускоренного выращивания растений (до получения семян) при воспроизводимых и контролируемых факторах внешней среды. Он особенно важен для работ по селекции злаков (селекцентры). Шкаф будет эксплуатироваться в помещении со следующими параметрами: диапазон температур от 15 до 35°С, относительная влажность не более 85%, запыленность не должна превышать санитарных норм. Отсутствуют резкие колебания давления, температуры, влажности, вибрация, сильные магнитные, радиационные и электрические поля. Для его работы необходимы системы: электроснабжения (с напряжением 220/380 В и частотой 50 Гц), водоснабжения и канализации, а также система принудительной вентиляции.

Основные технико-эксплуатационные показатели климатического шкафа:

  • уровень облученности в диапазоне 400-700 нм, не менее 160 Вт/м² на расстоянии 0,5 м от защитного стекла,
  • температура воздуха в диапазоне от 10 до 45° С;
  • влажность воздуха в диапазоне от 55 до 85% относительной влажности.

Облучательные устройства предполагают несколько модификаций с использованием различных источников излучения (ЛЛ, ДРЛ, ДКСТВ, ЛН и т. п.). Лампы будут отделены от рабочего объема шкафа защитным стеклом или водным экраном из дистиллированной воды. Размеры рабочего объема шкафа: высота – 2,5 м, полезная площадь- 1,5; 3,0; 6,0; 9,0 и 12,0 м² (разные модификации) .

В последние годы в связи с развитием фитотроники конструкторы и ученые разных стран проводят многочисленные работы по созданию принципиально нового аппарата для управляемого культивирования высших растений. Этот аппарат обеспечит:

  • моделирование сложного комплекса параметров, составляющих фитоэкосистему, включая климатический, газовый, лучистый и питательный режимы растительного ценоза – в общей сложности 30 параметров; возможно дополнительное (вне комплекта аппарата) контролирование нескольких десятков параметров, а также моделирование естественных климатических условий;
  • исследования на уровне популяции растений;
  • гидропонную и аэропонную систему корнеобитания с устройствами контролирования и регулирования;
  • контроль за системой физиологических показателей жизнедеятельности растений – фотосинтеза, дыхания, транспирации, веса, роста, корневого питания, а также ряда других параметров, учитываемых дополнительными датчиками;
  • прижизненный динамический учет биомассы;
  • удобство наблюдений и обслуживания благодаря удлиненной конфигурации камеры;
  • возможность подключения аппарата к ЭВМ.

Возможность моделирования климатического комплекса позволяет более эффективно культивировать растения в искусственных условиях.

Вышеперечисленное ставит аппарат для выращивания растений в разряд особого класса, впервые разрабатываемый в мировой практике. Создание подобного прибора позволит успешнее исследовать различные актуальные проблемы в области физиологии и селекции растений. Имеющиеся образцы шкафов и камер не имеют аппаратуры для полного исследования процессов жизнедеятельности растений. Кроме того, они имеют ограниченный выбор параметров, что не позволяет их использовать для комплексных исследований (например, отсутствие системы корнеобитаемой зоны; существующая аппаратура рассчитана только на горшечную культуру).

В связи с многокомпонентностью и своеобразием конструкции аппарата он не может быть построен путем простой реконструкции существующих камер, в частности, невозможен простой дополнительный монтаж системы облучения, корнеобитания, учета биомассы и транспирации и ряда других узлов и устройств.

Аппарат может найти применение при исследовании жизни на уровне сообществ с динамической регистрацией одновременно большого комплекса параметров для обоснования математического моделирования этих сложных систем, для разработки принципов сигнализации и самооптимизации фитоэкосистем в целях управления продукционными процессами в них, получения по программе максимальных урожаев, выявления потенциальных возможностей генофонда (продуктивности) растений. На его основе возможна разработка новых теоретических принципов возделывания растений.

Получение обширной информации в целях достоверного количественного описания компонентов экосистемы и их сложных соотношений возможно лишь в строго контролируемых условиях на натурной модели; в естественных условиях оно крайне затруднено из-за постоянно произвольно меняющихся факторов внешней среды.

Применение этих аппаратов возможно в комплексных исследованиях по биогеоценологии, экологии, физиологии и биохимии растений, генетике и селекции, промышленному растениеводству, космической биологии, при решении задач Международной научной программы «Человек и биосфера» и комплексной программы СЭВ по разделу «Охрана природы», при инженерной разработке методов и устройств по использованию средств автоматики и телемеханики в биологических исследованиях и практике растениеводства.

Принятые в аппарате диапазоны отклонений по основным параметрам системы находятся в пределах уровней, действующих в существующих климатических камерах для биологических исследований. Средний уровень точности обусловлен большим числом и широким диапазоном одновременно регулируемых параметров.

В Агрофизическом институте ВАСХНИЛ с успехом применяются камеры небольших размеров. Общая площадь, занимаемая всей установкой, равна 9 м² при высоте около 3 м. Установка состоит из камеры для выращивания растений (объем 1 м³), кондиционера, пульта управления, холодильной фреоновой машины и распределительного силового щита. Максимальная мощность установки 10 кВт. Источниками излучения служат 15 зеркальных ламп накаливания общей мощностью 4,5 кВт/м², помещенных в воду, протекающую по стеклянному потолку. Водяной фильтр регулирует температуру воздуха в камере и поглощает длинноволновое инфракрасное излучение. Стенки камеры покрыты теплоизолирующим слоем пенопласта и облицованы белым пластиком с высоким коэффициентом отражения.

В камере регулируется облученность растений, фотопериодические циклы (в пределах 24 ч), температура (от -5 до 40° С) и относительная влажность воздуха.

Система электронных самопишущих потенциометров позволяет непрерывно регистрировать температуру растений, интенсивность транспирации, рост, ростовые движения и другие показатели физиологического состояния растений.

В том же институте создана и апробируется климатическая фитокамера с регулируемым газовым составом. Ее полезный объем (для надземной части растений) равен 0,5 м³, облучение осуществляется люминесцентными лампами, расположенными на потолке и по трем стенам, что позволяет создать облученность порядка 16-18 кал/ч-см², т. е. около 200 Вт/м². Температуру можно изменять от 10 до 48° С, а относительную влажность – от 60 до 95%. Регулируются также отдельные компоненты воздуха – углекислота, кислород и азот.

В настоящее время в разных странах (Канада, ГДР, ФРГ, Франция, Япония и др.) выпускается большое количество разнообразных типов микрофитотронов, в которых программируются и поддерживаются все параметры внешней среды вплоть до газового состава воздуха и содержания химических элементов в корнеобитаемом слое.

Примером может служить изготовляемая в Чехословакии кондиционированная камера КБ-1, используемая в Институте экспериментальной ботаники для физиологических, биохимических и Генетических исследований. Пространство для экспериментов представляет собой куб с полезной площадью около 2,5 м² и высотой 170 см. Источниками излучения служат люминесцентные трубки мощностью 120 Вт каждая и небольшие лампы накаливания по 25 Вт. Совместная удельная мощность ламп обоих типов равна 1,28 кВт/м², а соотношение люминесцентных ламп и ламп накаливания по мощности составляет почти 2,5 : 1. Камера обеспечивает двухступенчатую фильтрацию воздуха, который проходит в количестве 1500 м³/ч при относительно небольшой скорости движения – 0,2 м/с. Внешние размеры камеры: длина – 4,4 м, ширина – 1,7 м, высота – 2,5 м. Масса 3000 кг, полезный внутренний объем более 4 м³.

В камере регулируется и регистрируется длительность облучения, величина облученности (до 20 клк), температура (от 5 до 40° С) и относительная влажность воздуха (от 30 до 95%)- Для регулирования различных факторов среды имеется пульт управления с устройством для программирования режимов температуры и облучения.

В нашей стране использование фитотронов и лабораторий искусственного климата расширяется с каждым годом. Уже сейчас проектируют и строят мощные фитотроны в Одессе, Краснодаре, Мироновке, Харькове и других городах; всего их будет построено 20.

Необходимо отметить, что и фитотроны, и камеры искусственного климата, несмотря на их техническую сложность, как правило, находятся под руководством биологов – физиологов растений, фитопатологов, селекционеров или агрономов.