Синие лазеры в сельском хозяйстве, биотехнологии и биологических науках

Исследования биологической материи часто требуют получения незагрязненных образцов, что исторически затруднялось трудоемкими и длительными методами механического разделения. Чтобы преодолеть эти трудности и повысить точность микродиссекции растений, ученые обращаются к лазерам как к передовому решению. В частности, синие лазеры становятся перспективным инструментом в науках о растениях, предлагая бесконтактный, высокоточный метод получения высококачественных и незагрязненных растительных образцов.

Механические методы разделения уже давно используются для препарирования различных частей растений, но их недостатки очевидны. Эти методы не только трудоемки, но и подвержены загрязнению, поскольку инструменты для обработки нуждаются в постоянной стерилизации, чтобы предотвратить перенос частиц между различными частями образца. В качестве решения этих проблем лазеры получили широкое распространение в таких областях, как хирургия, стоматология и растениеводство, благодаря своим возможностям бесконтактной резки.

Лазерное препарирование, как бесконтактный метод разрезания образцов, устраняет недостатки традиционного препарирования растений. Последние достижения в области компьютерного зрения еще больше усовершенствовали этот метод, сделав его быстрым и высокоточным процессом, обеспечивающим получение высококачественных и незагрязненных образцов. В то время как большинство коммерческих лазерных устройств для препарирования используют ультрафиолетовые лазеры, которые отлично подходят для тканей животных, известно, что ультрафиолетовое излучение может быть вредным для растительной массы.

Именно поэтому синие лазеры, длина волн которых обычно составляет от 400 до 495 нм, представляют собой жизнеспособную альтернативу для препарирования растений. Основной пигмент большинства растений, хлорофилл, поглощает преимущественно фиолетовый и синий свет. В частности, хлорофилл-a сильно поглощает в районе длины волны 430 нм, а хлорофилл-b достигает пика при 470 нм. Такой профиль поглощения делает синие лазеры высокоэффективными для препарирования растений, гарантируя, что при правильной настройке таких параметров лазера, как оптическая мощность, скорость и размер пятна, срез будет исключительного качества.

Преимущества использования синих лазеров для препарирования растений выходят за рамки их спектральной совместимости с хлорофиллом. При интеграции с системами позиционирования XY или гальванометрическими сканирующими головками синие лазеры обеспечивают высокоскоростные, малозатратные и повторяющиеся процессы препарирования. Это не только повышает точность сбора образцов, но и упрощает общий процесс исследований, позволяя ученым глубже погрузиться в тонкости биологии растений.

Поскольку технологии продолжают революционизировать область биологии, сочетание синих лазеров и передовых методов препарирования является маяком прогресса в науках о растениях. Предлагая бесконтактный, высокоточный метод, который сводит к минимуму загрязнение, синие лазеры оказываются бесценным инструментом в раскрытии секретов, скрытых в микроскопическом пространстве растительных тканей. Будущее препарирования растений действительно освещено голубым сиянием лазерной точности.

В последние годы растущая потребность в устойчивом производстве продуктов питания стимулирует разработку новых решений, таких как технология вертикального земледелия (комнатное садоводство). Особенно распространенное в регионах, сталкивающихся с такими проблемами, как нехватка воды и недостаток солнечного света для выращивания растений в открытом грунте, выращивание в закрытом грунте меняет представление о сельском хозяйстве. Однако, как и любое другое технологическое достижение, выращивание растений в закрытом грунте не обходится без проблем, и одно из существенных препятствий заключается в высоких требованиях к энергопотреблению, связанных с системами искусственного освещения.

Традиционные вертикальные фермы исторически полагались на люминесцентные лампы, но в последнее время наблюдается заметный сдвиг в сторону использования светоизлучающих диодов (LED) из-за их более высокой эффективности. Многочисленные исследования изучили влияние светодиодного освещения на развитие растений и показали, что сочетание красных и синих светодиодов может эффективно заменить лампы широкого спектра без ущерба для роста растений. Но как бы ни были хороши светодиоды, все равно существует острая необходимость в дальнейшем снижении энергопотребления.

Будущее освещения для закрытых ферм может найти свое решение в полупроводниковых лазерных диодах (ЛД). Эти диоды обладают высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в оптическую, что выгодно отличает их от светодиодов, особенно при больших токах. В отличие от светодиодов, у которых при больших токах наблюдается "спад эффективности", ЛД сохраняют практически ту же эффективность преобразования мощности. Эта характеристика делает ЛД идеальным кандидатом для решения проблем энергоэффективности, связанных с садоводством в закрытых помещениях.

Одно из отличительных преимуществ полупроводниковых лазерных диодов заключается в узком угле излучения света, который они испускают. Это свойство позволяет точно формировать лучи, направляя свет именно туда, куда нужно. Такое направленное освещение сводит к минимуму потери фотонов в пространстве между растениями, что еще больше повышает общую эффективность систем освещения на основе лазера в закрытых фермерских хозяйствах.

Высокое поглощение синего света хлорофиллом в растениях делает синие лазеры необходимыми для оптимизации фотосинтеза. Исследования показывают, что стратегическое использование синих лазеров на разных стадиях роста растений может положительно повлиять на их здоровье, что приведет к росту растений с более широкими листьями и увеличению количества цветов. Эти достижения приводят к обильным и здоровым урожаям, что знаменует собой значительный шаг в развитии технологий выращивания растений в закрытом грунте.

В мире комнатного земледелия интеграция синих лазеров и полупроводниковых диодов представляет собой заметное продвижение к энергоэффективным и точно направленным методам выращивания. Поскольку мы уделяем первостепенное внимание устойчивому развитию, эффективность лазерных диодов, особенно в тандеме с синими лазерами, открывает широкие перспективы для оптимизации фермерских операций в закрытом грунте. Помимо решения энергетических проблем, этот симбиоз ведет нас к будущему, в котором сельскохозяйственная практика будет не только более бережной по отношению к ресурсам, но и явно более продуктивной.

Одной из самых неприятных тем в сельском хозяйстве является эффективная и безопасная борьба с насекомыми, поскольку существующие механические и химические методы часто оказываются инвазивными и ненаправленными. Следствием применения этих методов является непреднамеренное уничтожение насекомых, в том числе тех, которые приносят пользу растениям, например, при опылении. А что, если бы существовал способ прямого воздействия на вредителей, не причиняя вреда растениям и даже потенциально помогая им? Ответ может заключаться в том, чтобы пролить свет на ситуацию - в буквальном смысле слова.

Свет давно известен своим влиянием на поведение насекомых, например, благодаря использованию ультрафиолетовых ламп, которые привлекают и ловят насекомых. Однако что, если свет сам по себе может быть использован для уничтожения вредных насекомых? В последние годы группа ученых из Японии изучала токсичность видимого света для них [1]. Хотя эти исследования находятся на ранней стадии, имеющиеся на данный момент данные свидетельствуют о том, что синий свет оказывает летальное воздействие на распространенных насекомых-вредителей, таких как комары, мучные жуки и плодовые мухи.

Эффективность синего света для гибели насекомых тесно связана с длиной волны, которая зависит от стадии развития насекомого и его вида [2]. Синие лазерные диоды имеют явное преимущество в этом отношении, поскольку их длины волн соответствуют летальному диапазону для этих распространенных вредителей. Тщательный подбор длины волны позволяет оптимизировать летальное воздействие. Кроме того, прелесть синего света заключается в его высокой степени поглощения большинством растений, что дает возможность одновременно уничтожать вредителей и стимулировать рост растений.

Такой целенаправленный подход с использованием синих лазеров способен произвести революцию в борьбе с вредителями в сельском хозяйстве, минимизируя воздействие на окружающую среду. Конкретно нацеливаясь на вредных насекомых и щадя полезных, этот метод предлагает точную и экологичную альтернативу традиционным пестицидам. Голубые лазеры, благодаря своей нехимической и целенаправленной природе, способствуют созданию устойчивого решения для сельского хозяйства, садоводства и индустрии борьбы с вредителями. Эта инновация органично сочетается с растущим вниманием к экологическим аспектам в современных сельскохозяйственных системах, прокладывая путь к более гармоничному сосуществованию между сельскохозяйственными культурами и насекомыми, которые их окружают.

[1] DOI: 10.1038/srep07383

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

Преимущества синего диодного лазера:

• Длина волны хорошо поглощается растениями - нет необходимости в чрезвычайно высоких оптических мощностях
• Бесконтактный метод означает отсутствие физических повреждений
• Экологически чистый
• Компактный размер и малый вес
• Экономичность, требует минимального обслуживания