Биоэффективное освещение для людей, животных и растений

Освещение для создания настроения (Mood Lighting) часто ошибочно интерпретируют как человекоориентированное освещение (Human Centric Lighting, HCL). Но HCL — это намного больше, поскольку оно включает в себя биологически эффективный свет, который может быть как полезным, так и опасным, в зависимости от применения. Хотя соответствующие части спектра излучения могут отличаться, свет также биологически эффективен для растений и животных и может использоваться для достижения четко определенных эффектов.

Состояние освещения в растениеводстве

Стандартизированное использование биоэффективного управления спектром освещения уже довольно давно распространено в области выращивания растений. Использование света осуществляется на основе уже имеющихся знаний, а также на основе продолжающегося поиска возможных корреляций между излучением и ростом. Но также доступны и результаты фундаментальных исследований поведения растений при различных длинах волн.

Было обнаружено, что длины волн менее 400 нм (УФ-излучение) стимулируют криптохромы, фототропины и фитохромы растений, обеспечивая более крепкие листья и лучшую устойчивость к стрессам. Вышеуказанные фоторецепторы активны не только при воздействии такого коротковолнового излучения, но также и при сочетании длин волн, показанных на графике (рис. 1). Кроме того, низкие дозы УФ-излучения используются для защиты от микоза.

Рис. 1.
а) Спектр поглощения хлорофилла a и хлорофилла b;
б) спектр излучения светодиодного модуля для сельского хозяйства

Диапазон длин волн 400–500 нм дает ряд эффектов, но он не должен применяться в высоких дозах. Облучение синим светом может в значительной степени препятствовать высыханию растений (транспирация). Что касается бытовой техники, современные холодильники часто оснащены синей подсветкой овощ­ного отделения, что помогает дольше сохранять фрукты свежими.

Однако этот диапазон длин волн также становится причиной задержки роста растений в высоту, что может приводить к коротким интервалам между листьями (карликовые/приземистые растения), оказывая, таким образом, негативное влияние.

Применение света с диапазоном длин волн 600–700 нм компенсирует влияние синего света на замедление роста и предотвращает образование коротких интервалов между листьями.

Красный свет от 700 до 800 нм, в свою очередь, заставляет растения образовывать больше цветов и расти более компактно. Этот диапазон длин волн оказывает большое влияние на растения, особенно на вкус съедобных растений.

В результате правильное смешение этих диапазонов длин волн позволяет создавать световые сценарии, которые будут не только способствовать эффективному выращиванию растений, но и обеспечат потенциал для экономии электроэнергии и повышения качества растений (рис. 2). Энергоэффективность достигается корректировкой спектра в соответствии с фазой роста растений. Многоканальные системы позволяют подавлять нежелательные для растений факторы в любой момент времени. Преждевременное освещение длинноволновым красным светом не лучшим образом скажется на росте корней. Однако красный свет — при условии правильно выбранного времени — позволит плодам, таким как помидоры, созреть должным образом. Обеспечение одновременного созревания плодов максимизирует эффективность сбора урожая. Однако спектральная экспозиция не может быть определена из интегральных характеристик источника света. В этом случае само по себе значение микромоль, без дифференциации по излучаемым длинам волн, не имеет смысла и может служить только характеристикой светового потока источника света. Для практического использования гораздо лучше разделить свет на диапазоны длин волн, предназначенные для решения разных задач освещения. Такое разделение чем-то похоже на общий индекс цветопередачи, значение которого определяется частными индексами цветопередачи, описывающими отдельные цвета (рис. 3).

Рис. 2. Сложный «cветовой эквалайзер», 11-канальная система, осуществляющая спектральную настройку для управления ростом растений. Помимо управления ростом или цветением, эта система обеспечивает несколько дополнительных возможностей

Рис. 3. Сельскохозяйственное освещение в климатической камере

Современное состояние освещения в животноводстве

В животноводстве источники света с регулируемым спектром используются пока еще относительно редко. Хотя некоторые виды воздействия света известны и в отношении животных, основные биологические явления еще только предстоит понять. Использование же искусственного освещения в животноводческих хозяйствах, напротив, становится все более распространенным явлением, причины которого можно увидеть в большем распространении содержания скота в закрытых помещениях без доступа дневного света и в значительном глобальном увеличении спроса на мясо. Мясо птицы стало одним из самых востребованных во всем мире и превосходит по спросу даже свинину.

Домашняя птица недорогая, полезная и быстро выращивается (рис. 4). В течение семинедельного периода, когда цыпленок вырастает в курицу весом 1,8 кг, предпочтение отдается определенным сценариям освещения на основе имеющейся в настоящее время информации. Зеленый свет приводит к хорошему росту мышц в первые недели жизни, а синий свет увеличивает производство гормонов. В качестве вспомогательного средства для ориентации и для улучшения усвоения пищи используется желто-белый свет. Если цыплята склонны к нападению друг на друга, красный свет может снизить уровень агрессии. Правильное освещение может оказывать позитивное влияние на проблему каннибализма и применения антибиотиков, но еще предстоит провести некоторые исследования, чтобы определить точные значения длин волн. Для получения новых результатов исследуется коротковолновый диапазон около 380 нм и красный диапазон 700–800 нм. Визуальный спектр курицы значительно шире, чем у человека. По этой причине трудно оценить использование обычных источников света (с поправкой на V(l)). То же самое верно и для других домашних птиц, таких как утки, гуси и индейки.

Рис. 4. Обычное освещение на птицефермах

Также стоит отметить, что синий свет с длиной волны 480 нм заставляет коров просыпаться и увеличивает непрерывную выработку молока на 8%. Следует отметить, что коровы не способны видеть за пределами 640 нм.

Более подробная оценка влияния света в свиноводстве пока не проводилась и в настоящее время не выполняется из-за текущих рыночных цен.

Особенности эксплуатации также являются фактором, который оказывает ключевое влияние на освещение в таких применениях. Освещение не должно сопровождаться какими-либо пульсациями или вспышками.

Животные и растения обрабатывают визуальные стимулы значительно быстрее людей. Использование светильников, работающих на постоянном токе, было бы лучшей альтернативой и могло бы оказать положительное влияние на здоровье птиц и животных.

Для диммирования не следует использовать простую широтно-импульсную модуляцию, лучше использовать «чистый» коэффициент управления (без модуляции светового потока), который также необходимо синхронизировать в случае спектрального (многоканального) освещения. Невозможность обеспечения этого приводит к стрессу сельскохозяйственных животных, что, в свою очередь, отрицательно влияет на качество продукции.

Краткое сравнение растений, животных и людей в контексте восприятия цвета

Если сравнить известные и проверенные «спектры растений» с теми, которые в настоящее время используются в животноводстве, легко увидеть, что преобладающие длины волн в основном одинаковы. В этом контексте нет убедительных результатов в отношении амплитуд спектрального состава. Диапазон воспринимаемых длин волн излучения у людей и растений примерно такой же, как у куриц (рис. 5).

Рис. 5. Сравнение длин волн и их влияния в теплице, животноводстве и человекоориентированном освещении

Однако влияние отдельных спектров излучения в качестве биологического стимула для людей изучено очень слабо. Как известно, синий свет (480 нм) подавляет производство мелатонина, и этот факт можно рассматривать как первый важный шаг в направлении использования HCL.

Исходя из результатов исследований, анализов и испытаний во всех трех областях (растения, сельскохозяйственные животные и люди) представляется логичным предположить, что будут найдены дополнительные сходства во влиянии разных длин волн на процессы, происходящие в организмах. Например, у цыплят уровень гормона стресса кортизола можно уменьшить с помощью красного света. Исследование с участием заключенных в тюрьмах США показало сопоставимые результаты.

Потенциальные последствия

В целом, остается вопрос о правильной системе обозначений для этих процессов и измеряемых величин. Световые величины — люксы и люмены — не могут быть распространены на длины волн в ИК- и УФ-диапазонах. Подавление мелатонина при 480 нм не может быть эффективно представлено кривой V(l). HCL не вписывается в традиционную фотометрию. Учитывая обычные условия тендеров на поставку светового оборудования, HCL-светильник проиграл бы по значениям эффективности (в люменах на ватт).

Различные параметры, применяемые для оценки освещения для различных видов использования света, могут стать основой для содержательной дискуссии. Но так как влияние HCL на людей, как и для всех других форм жизни и организмов, должно описываться через степень воздействия, единицей измерения этого спектрального диапазона должны быть микромоли.

Возможно оценить степень воздействия, которой подвергается какой-либо один биологический вид, используя кривую чувствительности для этого вида, как это уже принято в практике выращивания цыплят. Но может ли «цыплячий люкс», или gallus люкс, применяться ко всем видам птиц?

Эффект мерцающего и пульсирующего света (пульсации часто обусловлены схемой диммирования), воздействие на людей которого в настоящее время исследуется, уже хорошо известен в области птицеводства. Рабочие частоты до 1 кГц оказывают отрицательное влияние на здоровье с/х животных. К другим организмам с быстрым «визуальным» ответом относятся планктон и водоросли. Это обстоятельство не следует недооценивать при проектировании общего освещения. Многоканальные драйверы с питанием от постоянного тока могут оказать положительное влияние на желаемый результат, поскольку свет будет постоянным.

Заключение

В будущем стандартная практика освещения, применяемая в настоящее время в животноводстве, также должна применяться и в области общего освещения. Это также относится и к аргументам, выдвинутым в пользу HCL и его преимуществ, поскольку технические характеристики в значительной степени будут переносимыми. Для обеспечения безопасности планирования необходимы четко определенные характеристики изделия.