تويت
يمكن أن تنمو النباتات في الضوء الاصطناعي، لكن قوة الضوء الاصطناعي ليست بقوة ضوء الشمس، وضوءها الأحمر والأزرق أضعف من تلكما في ضوء الشمس. مصابيح الليد LED التي تستعمل خاصَةً في غرف النمو الداخلية تخفّض الفارق بين الضوء الاصطناعي وضوء الشمس، ويمكن أن تساعد النباتات على النمو بشكل أفضل.
لدى النباتات قوة خارقة -عملية البناء الضوئي- تسمح لها بصناعة غذائها من النشاء. فكل ما تحتاجه هو ثاني أكسيد الكربون وبعض الماء. لدعم هذا العمليات، يحتاج النبات إلى بعض الطاقة يحصل عليها من ضوء الشمس.
مع الأسف، الشمس لا تشرق بشكل كامل على مدار السنة في جميع أنحاء الكوكب، فعند القطبين في دول مثل آيسلندا وفنلندا في الشمال، أو في أنتاركتيكا في الجنوب، ينخفض وجود الشمس ليصل إلى 8 ساعات في اليوم فقط.
وإلى جانب التغيرات الموسمية، تشكّل المدن مشكلة للنباتات المنزلية، فالمباني العالية وناطحات السحاب يمكن أن تمنع وصول ضوء الشمس إلى المساكن. لذا، علينا تشغيل المصابيح!
ما الذي تحتاجه النباتات للنمو؟
في الواقع من غير الصحيح القول إن النباتات تحتاج إلى الشمس من أجل البناء الضوئي. بالمناسبة، إن تعبير البناء الضوئي أصله يوناني يوازي: “photo” للضوء، و”synthesis” إلى البناء. بكلمات أخرى، تحتاج النباتات في الحقيقة إلى الضوء للبناء الضوئي لا إلى ضوء الشمس على وجه الخصوص.
ولنكن أدقَّ، لنقل إنها تحتاج إلى الفوتونات.
إن الفوتونات هي الجزيئات التي تكوّن الضوء، وكل فوتون يملك جزءًا معينًا من الطاقة، وتسمى طاقة الفوتون. عندما يصطدم الفوتون بجسم، مثل النبات، يمنح طاقته لذلك الجسم عند الاصطدام به.
أشعة الشمس هي مصدر فوتونات مجاني وُجدت مع انطلاق الحياة. وتطورت الحياة لتستعمل هذا المصدر الوافر من الطاقة بغية الاستمرار؛ والنباتات هي جزء من الكائنات هذه التي تطورت من طحالب البناء الضوئي المبكرة.
بعد مليارات السنين، وبعد تطور أول أشكال حياة البناء الضوئي، تدخل الإنسان في ذلك المشهد، واكتشف كيفية صناعة ضوئنا الخاص. فالنار كانت أولًا، ثم اخترعنا مصابيح الضوء الساطعة.
الفيزياء لا تميز إذا كان الضوء ناتجًا عن اندماج ضوئي حراري أو عن مادة كميائية؛ فكل ضوء يتكون من فوتونات. وهكذا يمكّن الضوء الاصطناعي النباتات من النمو!
ضوء الشمس مقارنة بالضوء الاصطناعي
يقال إن هناك بعض التحفظات على إشعال ضوء الكشاف على النبات من أجل أن ينمو بصحة وقوة.
فبالرغم من أن الضوء الاصطناعي سيساعد، هناك بعض الاختلافات بين ضوء الشمس والضوء الناتج عن مصباح اصطناعي.
طيف الامتصاص لجُزَيْءِ الكلوروفيل، الذي يسمح للنباتات بتسخير طاقة الشمس. الرسم البياني لجزيئي كلوروفيل مختلفين مع تركيبات كيميائية مختلفة قليلاً. يبلغ الامتصاص ذروته في المرئي من طيف المناطق الحمراء والزرقاء. (مصدر الصورة: دانييل بوليزي/ويكيميديا كومنز)
الضوء الاصطناعي الذي يساعد النباتات على النمو في الأماكن المغلقة
ما يقال بالضبط فيما نشاهده هنا إن “الحَاجة أم الاختراع”، فحاليًا، يصمم الضوء الاصطناعي بخاصةٍ ليساعد النباتات على النمو كما لو أنها تتمتع بضوء الشمس.
ومن بين أنواع الضوء الاصطناعي، مصابيح الليد LED (اختصار: الثنائية الباعثة الضوء) هي الأفضل. وهي الأكفأ في بعث الضوء بجزيئين الطيف الأحمر والأزرق، ولها كثافة أعلى من مصابيح الفلورسنت. والأهم من ذلك، هي أيضًا أكفأ في استهلاك الطاقة.
زراعة النباتات في الضوء الاصطناعي باستعمال غرف النمو (مصدر الصورة: تصوير أندري آنا/ شاترستوك)
إن هذا اعتبار مهم للبحث وإنتاج المحاصيل. فمع ضغوط تغير المناخ وزيادة السكان على الزراعة، أصبح نمو النباتات في الأماكن المغلقة متزايد الأهمية للإنتاج الغذائي المستدام.
تأثير الضوء الاصطناعي على النباتات
من ناحية البناء الضوئي، قد يسد الضوء الاصطناعي احتياجات النبات، ولكن النباتات أيضًا تستعمل الإشارات الضوئية لمراقبة وظائفها ونموها. فالنباتات، مثل الحيوانات، لديها ساعة بيولوجية داخلية موقتة وفقًا لحركة الشمس على مدار اليوم. وهذه الساعة البيولوجية مسؤولة عن دوّار الشمس الذي يتبع الشمس طوال النهار، أضف إليه مسؤولية توقيت تفتح الأزهار وتحديد طول نمو النباتات.
وقد أظهرت الأبحاث التي أجريت على الخس أنه عند نموه في ضوء الليد الأحمر، نما جذعه أكثر مما فعل في الضوء الأبيض. كما أن نمو الساق عملية تعتمد على الضوء، وقد وجد الباحثون أيضًا أن إضافة بعض الضوء الأزرق يمنع الساق من أن ينموَ أكثر.
إلى جانب النمو، تتأثر الجزيئات التي تحتاج إليها النباتات للبناء الضوئي بالضوء الاصطناعي. فالكلوروفيل هو الجزيء الرئيس الذي تستخدمه النباتات من أجل التقاط طاقة الفوتونات، ويعتمد تراكمها في الخلية على الضوء. ووجدت البحوث أن الكلوروفيل يتراكم ببطء تحت ضوء الليد الأبيض وضوء الليد الأحمر، على عكس ضوء الليد الأزرق، إذ لا يتأثر به إنتاج الكلوروفيل.
وبصرف النظر عن الأخير، تتأثر أيضًا الجزيئات من النبات غير المشاركة في عملية البناء الضوئي. فيُنتج النبات هذه الجزيئات لأداء وظائف أخرى مختلفة، مثل مضادات الأكسدة أو الهرمونات. تسمى هذه الجزيئات المستقلبات النباتية الثانوية، وهي غالبًا ما تكون عناصر مهمة لتغذية الحيوان.
وأظهرت الأبحاث التي أجريت على النبات الطبي المعروف ب “شوارب القط” (Orthosiphon stamineus) أنه عندما يتعرض النبات إلى ضوء اصطناعي ذي درجة عالية من الإشعاع (قياس كمية الطاقة التي ينبعث منها الضوء)، تنخفض المستقلبات الثانوية الهامة. وهذا يشير إلى أن الإشعاع قد يكون عاملاً مهمًا يجب أخذه بعين الاعتبار.
الاستنتاج
تخطو البحوث خطوات متقدمة في فهم كيفية تأثير المصابيح على نمو النبات. ونأمل أن يؤدي هذا الفهم الأفضل إلى تكنولوجيا أفضل تساعد ذات يوم في معالجة مشاكلنا الغذائية.
وبالنسبة إلى أولئك الذين يعيشون منا في شقق لا تتلقى قدرًا وافيًا من أشعة الشمس، فهناك غرف نمو صغيرة ذات أسعار معقولة قد تعمل بجودة عمل الشمس. يجب الحذر فقط من إطالة الإضاءة، لأن الضوء الكثير يضر النبات!
بيد أنه في أفضل الأحوال، لا تغني الخيارات الاصطناعية عن ضوء الشمس، مصدر الضوء الأفضل للنباتات. لذا حاول إخراج نباتاتك للتشمس ما استطعت!
لدى النباتات قوة خارقة -عملية البناء الضوئي- تسمح لها بصناعة غذائها من النشاء. فكل ما تحتاجه هو ثاني أكسيد الكربون وبعض الماء. لدعم هذا العمليات، يحتاج النبات إلى بعض الطاقة يحصل عليها من ضوء الشمس.
مع الأسف، الشمس لا تشرق بشكل كامل على مدار السنة في جميع أنحاء الكوكب، فعند القطبين في دول مثل آيسلندا وفنلندا في الشمال، أو في أنتاركتيكا في الجنوب، ينخفض وجود الشمس ليصل إلى 8 ساعات في اليوم فقط.
وإلى جانب التغيرات الموسمية، تشكّل المدن مشكلة للنباتات المنزلية، فالمباني العالية وناطحات السحاب يمكن أن تمنع وصول ضوء الشمس إلى المساكن. لذا، علينا تشغيل المصابيح!
ما الذي تحتاجه النباتات للنمو؟
في الواقع من غير الصحيح القول إن النباتات تحتاج إلى الشمس من أجل البناء الضوئي. بالمناسبة، إن تعبير البناء الضوئي أصله يوناني يوازي: “photo” للضوء، و”synthesis” إلى البناء. بكلمات أخرى، تحتاج النباتات في الحقيقة إلى الضوء للبناء الضوئي لا إلى ضوء الشمس على وجه الخصوص.
ولنكن أدقَّ، لنقل إنها تحتاج إلى الفوتونات.
إن الفوتونات هي الجزيئات التي تكوّن الضوء، وكل فوتون يملك جزءًا معينًا من الطاقة، وتسمى طاقة الفوتون. عندما يصطدم الفوتون بجسم، مثل النبات، يمنح طاقته لذلك الجسم عند الاصطدام به.
أشعة الشمس هي مصدر فوتونات مجاني وُجدت مع انطلاق الحياة. وتطورت الحياة لتستعمل هذا المصدر الوافر من الطاقة بغية الاستمرار؛ والنباتات هي جزء من الكائنات هذه التي تطورت من طحالب البناء الضوئي المبكرة.
بعد مليارات السنين، وبعد تطور أول أشكال حياة البناء الضوئي، تدخل الإنسان في ذلك المشهد، واكتشف كيفية صناعة ضوئنا الخاص. فالنار كانت أولًا، ثم اخترعنا مصابيح الضوء الساطعة.
الفيزياء لا تميز إذا كان الضوء ناتجًا عن اندماج ضوئي حراري أو عن مادة كميائية؛ فكل ضوء يتكون من فوتونات. وهكذا يمكّن الضوء الاصطناعي النباتات من النمو!
ضوء الشمس مقارنة بالضوء الاصطناعي
يقال إن هناك بعض التحفظات على إشعال ضوء الكشاف على النبات من أجل أن ينمو بصحة وقوة.
فبالرغم من أن الضوء الاصطناعي سيساعد، هناك بعض الاختلافات بين ضوء الشمس والضوء الناتج عن مصباح اصطناعي.
- الطول الموجي للضوء: لقد تعلمنا أن الضوء الأبيض يتكون من ألوان الضوء جميعها، بيد أنه ومع الضوء الأبيض، توجد اختلافات واضحة في تركيب الطول الموجي بين الطبيعي والاصطناعي. فالضوء الاصطناعي لا يحوي ضوءًا أزرق وأحمر كما تحويه الشمس. والفوتونات مختلفةُ الأطوال الضوئية الموجية تختلف أيضًا من حيث كميات الطاقة فيها. فمثلًا، تمتص النباتات الخضراء الطاقة معظمها من الطولَين الضوئيين الأحمر والأزرق الموجيين، فيما تعكس هذه النباتاتُ معظم الطولَين الضوئيين الأصفر والأخضر (لذلك نرى النباتات خضراء).
- شدة الضوء:إن ضوء الشمس أشد من أي ضوء اصطناعي، إذ إن شدة الشمس العالية هي الأفضل ملاءمة للنباتات. والشدة العالية أيضًا تعني أن النبات سوف يصطدم به عدد أكبر من الفوتونات، مما يفعّل إتمام عملية البناء الضوئي.
طيف الامتصاص لجُزَيْءِ الكلوروفيل، الذي يسمح للنباتات بتسخير طاقة الشمس. الرسم البياني لجزيئي كلوروفيل مختلفين مع تركيبات كيميائية مختلفة قليلاً. يبلغ الامتصاص ذروته في المرئي من طيف المناطق الحمراء والزرقاء. (مصدر الصورة: دانييل بوليزي/ويكيميديا كومنز)
الضوء الاصطناعي الذي يساعد النباتات على النمو في الأماكن المغلقة
ما يقال بالضبط فيما نشاهده هنا إن “الحَاجة أم الاختراع”، فحاليًا، يصمم الضوء الاصطناعي بخاصةٍ ليساعد النباتات على النمو كما لو أنها تتمتع بضوء الشمس.
ومن بين أنواع الضوء الاصطناعي، مصابيح الليد LED (اختصار: الثنائية الباعثة الضوء) هي الأفضل. وهي الأكفأ في بعث الضوء بجزيئين الطيف الأحمر والأزرق، ولها كثافة أعلى من مصابيح الفلورسنت. والأهم من ذلك، هي أيضًا أكفأ في استهلاك الطاقة.
زراعة النباتات في الضوء الاصطناعي باستعمال غرف النمو (مصدر الصورة: تصوير أندري آنا/ شاترستوك)
إن هذا اعتبار مهم للبحث وإنتاج المحاصيل. فمع ضغوط تغير المناخ وزيادة السكان على الزراعة، أصبح نمو النباتات في الأماكن المغلقة متزايد الأهمية للإنتاج الغذائي المستدام.
تأثير الضوء الاصطناعي على النباتات
من ناحية البناء الضوئي، قد يسد الضوء الاصطناعي احتياجات النبات، ولكن النباتات أيضًا تستعمل الإشارات الضوئية لمراقبة وظائفها ونموها. فالنباتات، مثل الحيوانات، لديها ساعة بيولوجية داخلية موقتة وفقًا لحركة الشمس على مدار اليوم. وهذه الساعة البيولوجية مسؤولة عن دوّار الشمس الذي يتبع الشمس طوال النهار، أضف إليه مسؤولية توقيت تفتح الأزهار وتحديد طول نمو النباتات.
وقد أظهرت الأبحاث التي أجريت على الخس أنه عند نموه في ضوء الليد الأحمر، نما جذعه أكثر مما فعل في الضوء الأبيض. كما أن نمو الساق عملية تعتمد على الضوء، وقد وجد الباحثون أيضًا أن إضافة بعض الضوء الأزرق يمنع الساق من أن ينموَ أكثر.
إلى جانب النمو، تتأثر الجزيئات التي تحتاج إليها النباتات للبناء الضوئي بالضوء الاصطناعي. فالكلوروفيل هو الجزيء الرئيس الذي تستخدمه النباتات من أجل التقاط طاقة الفوتونات، ويعتمد تراكمها في الخلية على الضوء. ووجدت البحوث أن الكلوروفيل يتراكم ببطء تحت ضوء الليد الأبيض وضوء الليد الأحمر، على عكس ضوء الليد الأزرق، إذ لا يتأثر به إنتاج الكلوروفيل.
وبصرف النظر عن الأخير، تتأثر أيضًا الجزيئات من النبات غير المشاركة في عملية البناء الضوئي. فيُنتج النبات هذه الجزيئات لأداء وظائف أخرى مختلفة، مثل مضادات الأكسدة أو الهرمونات. تسمى هذه الجزيئات المستقلبات النباتية الثانوية، وهي غالبًا ما تكون عناصر مهمة لتغذية الحيوان.
وأظهرت الأبحاث التي أجريت على النبات الطبي المعروف ب “شوارب القط” (Orthosiphon stamineus) أنه عندما يتعرض النبات إلى ضوء اصطناعي ذي درجة عالية من الإشعاع (قياس كمية الطاقة التي ينبعث منها الضوء)، تنخفض المستقلبات الثانوية الهامة. وهذا يشير إلى أن الإشعاع قد يكون عاملاً مهمًا يجب أخذه بعين الاعتبار.
الاستنتاج
تخطو البحوث خطوات متقدمة في فهم كيفية تأثير المصابيح على نمو النبات. ونأمل أن يؤدي هذا الفهم الأفضل إلى تكنولوجيا أفضل تساعد ذات يوم في معالجة مشاكلنا الغذائية.
وبالنسبة إلى أولئك الذين يعيشون منا في شقق لا تتلقى قدرًا وافيًا من أشعة الشمس، فهناك غرف نمو صغيرة ذات أسعار معقولة قد تعمل بجودة عمل الشمس. يجب الحذر فقط من إطالة الإضاءة، لأن الضوء الكثير يضر النبات!
بيد أنه في أفضل الأحوال، لا تغني الخيارات الاصطناعية عن ضوء الشمس، مصدر الضوء الأفضل للنباتات. لذا حاول إخراج نباتاتك للتشمس ما استطعت!