Сини лазери в селското стопанство, биотехнологиите и биологичните науки

Изследванията на биологичната материя често изискват набавянето на незамърсени проби - задача, която в миналото е била възпрепятствана от трудоемки и отнемащи време механични техники за разделяне. За да преодолеят тези предизвикателства и да повишат прецизността на микродисекцията на растения, учените се обръщат към лазерите като авангардно решение. По-специално, сините лазери се очертават като обещаващ инструмент в науките за растенията, предлагайки безконтактен, високопрецизен метод за получаване на висококачествени и незамърсени растителни проби.

Техниките за механично разделяне отдавна се използват за разрязване на различни части на растенията, но недостатъците им са очевидни. Тези методи са не само трудоемки, но и податливи на замърсяване, тъй като инструментите за обработка се нуждаят от постоянна стерилизация, за да се предотврати пренасянето на частици между различните части на пробата. Като решение на тези предизвикателства лазерите придобиха популярност в области като хирургия, стоматология и растителни науки заради възможностите си за безконтактно рязане.

Лазерната дисекция, като безконтактен метод за рязане на образци, се справя с недостатъците на традиционната дисекция на растения. Неотдавнашните постижения в областта на компютърното зрение допълнително усъвършенстваха техниката, превръщайки я в бърз и прецизен процес, който гарантира получаването на висококачествени и незамърсени проби. Въпреки че повечето налични на пазара лазерни устройства за дисекция използват UV лазери, които са отлични за животински тъкани, известно е, че UV светлината може да бъде вредна за растителната материя.

Именно тук сините лазери, чиято дължина на вълната обикновено варира между 400 и 495 nm, представляват жизнеспособна алтернатива за дисекция на растения. Основният пигмент в повечето растения, хлорофилът, поглъща предимно виолетова и синя светлина. По-конкретно, хлорофил-а поглъща силно около 430 nm дължина на вълната, а хлорофил-б достига своя пик при около 470 nm. Този профил на поглъщане прави сините лазери високоефективни за разрязване на растения, като гарантира, че когато параметрите на лазера като оптична мощност, скорост и размер на петното са правилно зададени, разрезът е с изключително качество.

Предимствата на използването на сини лазери при разрязване на растения надхвърлят спектралната им съвместимост с хлорофила. Когато са интегрирани със системи за XY позициониране или галванометрични сканиращи глави, сините лазери позволяват високоскоростни, нискоефективни и повторяеми процеси на дисекция. Това не само повишава точността на събиране на пробите, но и рационализира цялостния работен процес на изследванията, позволявайки на учените да навлязат по-дълбоко в тънкостите на растителната биология.

Тъй като технологиите продължават да правят революции в областта на биологията, съчетаването на сини лазери и усъвършенствани техники за дисекция се откроява като фар на прогреса в науките за растенията. Предлагайки безконтактен, високопрецизен метод, който свежда до минимум замърсяването, сините лазери се оказват безценен инструмент за разкриване на тайните, скрити в микроскопичните области на растителните тъкани. Бъдещето на растителната дисекция наистина е осветено от синия блясък на лазерната прецизност.

През последните години нарастващата нужда от устойчиво производство на храни стимулира разработването на нови решения, като например технологията за вертикално земеделие (закрито градинарство). Особено широко разпространено в региони, изправени пред предизвикателства като недостиг на вода и недостатъчна слънчева светлина за отглеждане на открито, отглеждането на закрито променя облика на селското стопанство. Въпреки това, както всеки технологичен напредък, отглеждането на открито не е лишено от предизвикателства, а едно от съществените препятствия се крие във високите енергийни изисквания, свързани със системите за изкуствено осветление.

Традиционните вертикални ферми в миналото са разчитали на флуоресцентни лампи, но в последно време се наблюдава значителна промяна към използването на светодиоди (LED) поради тяхната по-висока ефективност. Многобройни проучвания изследват въздействието на светодиодното осветление върху развитието на растенията, като разкриват, че комбинацията от червени и сини светодиоди може ефективно да замени широкоспектърните лампи, без да влошава растежа на растенията. Но колкото и да са добри светодиодите, все още има належаща нужда от по-нататъшно намаляване на потреблението на енергия.

Бъдещето на осветлението за закрити ферми може да намери своето решение в полупроводниковите лазерни диоди (ЛД). Тези диоди притежават висок коефициент на преобразуване на електрическата енергия в оптична, което ги отличава от светодиодите, особено при високи токове. За разлика от светодиодите, при които се наблюдава "спадане на ефективността" при високи токове, LD запазват почти същата ефективност на преобразуване на енергията. Тази характеристика прави LD идеални за справяне с проблемите на енергийната ефективност, свързани с градинарството на закрито.

Едно от отличителните предимства на полупроводниковите лазерни диоди се състои в тесния ъгъл на излъчване на светлината, която те излъчват. Това свойство позволява прецизно оформяне на лъчите, като позволява насочване на светлината точно там, където е необходима. Това целенасочено осветяване свежда до минимум загубата на фотони в пространствата между растенията, което допълнително повишава цялостната ефективност на лазерните осветителни системи в закритите ферми.

Високата абсорбция на синята светлина от хлорофила в растенията прави сините лазери от съществено значение за оптимизиране на фотосинтезата. Изследванията показват, че стратегическото използване на сини лазери в различни етапи от растежа на растенията може да окаже положително въздействие върху тяхното здраве, което води до по-високи растения с по-широки листа и повишено производство на цветя. Тези постижения водят до обилни и по-здравословни добиви, като бележат значителна крачка в развитието на технологиите за отглеждане на растения на закрито.

В света на отглеждането на растения на закрито интегрирането на сини лазери и полупроводникови диоди представлява забележителен напредък към енергийно ефективни и прецизно насочени практики за отглеждане. Тъй като поставяме на първо място устойчивостта, ефективността на лазерните диоди - особено в тандем със сини лазери - е обещаваща за оптимизиране на операциите по отглеждане на закрито. Освен че се справя с енергийните предизвикателства, тази симбиоза ни води към бъдеще, в което селскостопанските практики са не само по-щадящи ресурсите, но и очевидно по-продуктивни.

Една от най-неприятните теми в селското стопанство е ефективният и безопасен контрол на насекомите, като настоящите механични и химични методи често се оказват инвазивни и нецелесъобразни. Последицата от тези методи е непреднамереното изкореняване на насекоми, включително и на такива, които са полезни за растенията чрез дейности като опрашване. Какво би станало, ако съществуваше начин за директно насочване на вредителите, без да се нанасят вреди на растенията или дори потенциално да им се помага? Отговорът може да се крие в хвърлянето на светлина върху ситуацията - буквално.

Отдавна е известно влиянието на светлината върху поведението на насекомите, например чрез използването на ултравиолетови лампи, които привличат и улавят насекомите. Какво би станало обаче, ако самата светлина може да се използва за премахване на вредните насекоми? През последните години екип от учени от Япония изследва токсичността на видимата светлина спрямо тях [1]. Въпреки че това изследване е все още в начален етап, наличните към момента данни сочат, че синята светлина проявява смъртоносно въздействие върху често срещани вредни насекоми, като комари, брашнени бръмбари и плодови мухи.

Ефективността на синята светлина по отношение на смъртността на насекомите е тясно свързана с дължината на вълната - фактор, който се влияе от етапа на развитие на насекомите и техния вид [2]. Сините лазерни диоди имат ясно изразено предимство в това отношение, тъй като дължините на вълните им съвпадат с диапазона на смъртност за тези често срещани вредители. Чрез прилагането на щателен процес на подбор на дължината на вълната става възможно да се оптимизира леталното въздействие. Освен това красотата на синята светлина се крие в нейната висока степен на поглъщане от повечето растения, което повишава възможността за едновременно елиминиране на вредителите и насърчаване на растежа на растенията.

Този целенасочен подход, използващ сини лазери, има потенциала да направи революция в борбата с вредителите в селското стопанство, като сведе до минимум въздействието върху околната среда. Като се насочва конкретно към вредните насекоми, като същевременно щади полезните, този метод предлага прецизна и екологична алтернатива на традиционните пестициди. Сините лазери със своя нехимичен и целенасочен характер допринасят за устойчиво решение за селското стопанство, градинарството и индустрията за контрол на вредителите. Това нововъведение безпроблемно се съчетава с нарастващия акцент върху екологосъобразните практики в съвременните земеделски системи, проправяйки пътя за по-хармонично съжителство между културите и насекомите, които ги заобикалят.

[1] DOI: 10.1038/srep07383

[2] DOI: 10.1371/journal.pone.0199266

Предимства на синия диоден лазер:

• Дължина на вълната, силно поглъщана от растенията - няма нужда от изключително високи оптични мощности
• Безконтактен метод, без физически увреждания
• Щадящ околната среда
• Компактен размер и ниско тегло
• Икономически ефективен, изисква минимална поддръжка