Историю светокультуры растений можно разделить на два периода. Первый период продолжался с 1865г. до середины 60-х годов нашего столетия. Особенность этого периода — относительно малое знание потребности растений в излучении (его спектральном составе, величине облученности и продолжительности облучения в течение дня) и отсюда в значительной степени эмпирический подход к решению вопросов, связанных с искусственным облучением. Как логическое следствие такого положения долгое время развитие и прогресс светокультуры растений определялись в основном развитием физики и прогрессом в светотехнической промышленности.
Первый период создания и развития светокультуры растений, в свою очередь, можно разделить на три этапа в зависимости от применяемых источников искусственного излучения.
На первом этапе (1865—1922) источниками искусственного излучения были керосиновые лампы, газовые горелки, угольные дуги и небольшие лампы накаливания. Такие несовершенные источники искусственного излучения позволяли изучать только отдельные физиологические процессы у низших и высших растений в лабораторных условиях и выращивать растения в небольших экспериментальных установках..
На втором этапе (1922—1940), когда для облучения растений стали пользоваться мощными лампами накаливания (Гарвей, 1922; Максимов, 1925) и некоторыми типами небольших газоразрядных ламп (ртутных, неоновых, натриевых), светокультура растений вышла за пределы исследовательских учреждений и стала применяться (правда, еще очень ограниченно) в производственных теплицах.
Третий этап начался в 1940 г. с применения газоразрядных ламп. Эти лампы позволили выращивать растения в любое время года не только в лабораториях, но и в тепличных хозяйствах колхозов и совхозов.
За последние годы знания по светофизиологии растений значительно расширились и биологи теперь уже имеют достаточно данных, чтобы составлять технические задания на изготовление специальных видов ламп для облучения растений, так называемых фитоламп. В настоящее время наблюдается постепенный переход от использования ламп, созданных светотехниками для разных целей, к лампам и облучателям, имеющим оптические и технические параметры, соответствующие требованиям растений. Таким образом, в развитии светокультуры растений с середины 60-х годов XX в. начался новый период, характерная особенность которого — более детальное знание потребностей растения в лучистой энергии и тесная связь физиологии и агрономии с физикой и светотехникой.
Первые систематические опыты по изучению действия искусственного излучения на растения были проведены свыше 100 лет назад (1865) русскими ботаниками А. С. Фаминциным и И. П. Бородиным. Источником излучения им служили керосиновые лампы, смонтированные в специальный прибор, имеющий рефлектор и линзу. Несмотря на низкую облученность, они изучили ряд физиологических процессов, происходящих в растениях под действием облучения (образование крахмала, рост проростков и выделение углекислоты листьями высших растений). Впервые было показано, что для растений отсутствует принципиальная разница между искусственным и естественным излучением.
Позднее данное положение четко сформулировал К. А. Тимирязев. В статье «Возможна ли культура при электрическом свете»1, он указал, что коренного, качественного различия между действием электрического и солнечного света не существует.
В развитие этой идеи инженер Сименс (1881—1882) провел ряд успешных опытов по выращиванию зимой гороха, малины, земляники и винограда. Все эти культуры росли в теплице, где днем было естественное освещение, а ночью только излучение двух дуговых фонарей. Коротковолновое ультрафиолетовое излучение устранялось экраном из стекла. По размерам, вкусу, окраске и аромату плоды этих культур превосходили те, которые были получены в теплице без дополнительного облучения.
Несколько позже (1895) электрическая дуга была с успехом использована известным французским ботаником Боннье. Он проращивал семена, корневища и клубни травянистых растений, а также культивировал горшечные экземпляры древесных пород. Часть растений облучалась круглосуточно, а другие только 12 ч (с 6 ч утра до 6 ч вечера). Наблюдая строение органов и тканей у различных растений, Боннье впервые установил явление «зеленой этиоляции», т. е. такое упрощенное развитие органов тканей, которое обычно характеризует растения, выращенные в темноте.
В конце прошлого века при лабораторных исследованиях фотосинтеза во многих случаях применялась газовая горелка Ауэра. В настоящее время некоторые исследователи вновь возвращаются к мысли об использовании газа, предполагая, что одновременно с облучением растения будут снабжаться добавочной углекислотой. Однако практически это выполнить очень сложно, так как, помимо трудностей, возникающих при создании излучения высокой интенсивности и необходимого спектрального состава, нужно еще решить проблему очистки воздуха от вредных газовых примесей, которые вызывают нарушение физиологических процессов и ненормальное разрастание отдельных органов.
В начале 20-х годов нашего века Р. Гарвей, О. Мунератти и Н. А. Максимов впервые вырастили в темной камере, без доступа естественного излучения растения «от семени до семени». Источником излучения были вольфрамовые лампы накаливания. При круглосуточном облучении были получены зрелые семена пшеницы, ржи, овса, льна и гречихи. Более светолюбивые культуры — тыква, томаты и картофель — развивались только до цветения.
Глубокие многолетние исследования, начатые во Всесоюзном институте растениеводства, явились основой широкого применения искусственного облучения как при теоретических исследованиях без естественного света, так и в сельскохозяйственной практике (Максимов, 1925, 1933, 1934, 1935).
Предложение Н. А. Максимова (1933, 1934) применять искусственное облучение на контрольно-семенных станциях для ускоренного выращивания сельскохозяйственных культур широко использовали и используют как в СССР, так и за рубежом. В дальнейшем Н. А. Максимов приложил много труда для развития светокультуры древесных растений и организации станций искусственного климата, где растения выращивают без естественного излучения при определенных, заранее намеченных параметрах облучения (Максимов, Леман, 1946; Максимов, 1955).
Вскоре после классических опытов Н. А. Максимова в электротехнической лаборатории Сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева (ТСХА) под руководством Н. А. Артемьева и при участии Е. Д. Королькова, М. С. Калинина и Н. И. Гаврилова были выполнены исследования по выращиванию растений при искусственном облучении. Растения выращивали в специальных камерах, названных авторами люминостатами. Источником излучения служили 500-ваттные лампы накаливания. Температуру воздуха регулировали при помощи автомобильных радиаторов, через которые протекала холодная вода. Люминостаты, где выращивали от семени до плодоношения огурцы, овес, вику и многие другие сельскохозяйственные растения, можно считать непосредственными предшественниками современных лабораторий искусственного климата и фитотронов, число которых быстро увеличивается как в СССР, так и в других странах.
Немного позднее искусственное излучение начали применять и в теплицах. Так, на Овощной опытной станции ТСХА дополнительное облучение растений лампами накаливания позволило изучить фотопериодическую реакцию у салата, редиса и шпината, фотосинтез у цветной капусты, а также ускорить выращивание ранней рассады, огурцов и томатов. Урожай томатов и огурцов при дополнительном облучении растений в осенне-зимние месяцы значительно повышался.
В 1929 г. по светокультуре растений была выпущена большая монография шведского исследователя С. Одена. В этой работе были сопоставлены данные об естественном излучении, искусственных источниках света и методах измерения их излучения для биологических целей. Применяя различные лампы и изменяя напряжение тока, Оден сделал попытку изучить влияние спектрального состава излучения на биохимический состав растений. При этом он измерял интегральную облученность с помощью пиранометра и выражал ее в энергетических единицах. Долгое время этот способ измерения не применяли. Только в последние годы физиологи растений опять начали измерять лучистую энергию в абсолютных единицах с учетом спектрального состава излучения.
С 1932 г. под руководством Н. А. Максимова начались опыты В. П. Мальчевского по светокультуре в Физико-агрономическом (ныне Агрофизическом) институте ВАСХНИЛ в Ленинграде. Пользуясь исключительно искусственным облучением (лампы накаливания и неоновые), он изучил возможности выращивания 165 сортов различных сельскохозяйственных культур. Большинство из них сократили вегетационный период на 25—50%, сохранив или даже повысив урожаи. Пользуясь этим методом, можно получать за год 6—7 урожаев яровой пшеницы, 4—5.— льна, 3 — томатов, 4 — проса, 7 — гречихи и т. п. Особенно эффективно действовало непрерывное облучение на древесные породы — лиственницу, ель и березу. В. П. Мальчевский предложил методику «световых» ударов, т. е. периодического кратковременного облучения растений сильным светом (до 20 клк). Однако несмотря на благоприятные результаты первых опытов, этот прием пока не получил распространения.
С послевоенных лет этой лабораторией руководит Б. С. Мошков, который привлек к исследованиям по светокультуре, кроме биологов и агрономов, физиков и инженеров (Мошков, 1966).
В лаборатории разрабатываются методы- быстрого (за 60 дней) выращивания томатов в установке с водяными фильтрами, новые способы измерения температуры листьев и транспирации, изучается действие инфракрасного излучения, актиноритмическая реакция разных растений и другие вопросы светофизиологии.
Действие дополнительного облучения на цветочные культуры в СССР изучал Н. П. Красинский (1937). Пользуясь лампами накаливания и искусственно повышая содержание углекислоты в воздухе, он нашел новые пути в совершенствовании технологии выращивания цветов зимой. Многие промышленные цветочные культуры в его опытах цвели на 3—4 месяца раньше обычного, т. е. в декабре вместо марта—апреля. Сократились сроки выгонки цветов, что позволило в несколько раз увеличить пропускную способность оранжерей. Резко повысилось качество продукции.
В послевоенное время большие опыты с новыми источниками излучения были проведены в Измайловском цветочном комбинате (Москва) Е. В. Лебедевой (1956). В настоящее время светокультура цветочных растений успешно исследуется в секторе зеленого строительства Академии коммунального хозяйства Т. М. Алейниковой (1973).
В СССР в послевоенный период благодаря совместным усилиям С. И. Вавилова и Н. А. Максимова опыты с люминесцентными лампами были поставлены А. Ф. Клеш- ниным в Институте физиологии растений АН СССР. Его дальнейшие эксперименты и теоретические исследования дали большой материал для физиологических основ светокультуры растений. В обширной монографии «Растение и свет» (1954) А. Ф. Клешнин рассмотрел и обобщил литературу по разным вопросам светокультуры, а также привел результаты собственных исследований. В этой работе дана подробная физиологическая характеристика различных источников излучения, предложены методы измерения и расчета интенсивности физиологически активного излучения и измерения температуры листьев. В последующие годы им изучались оптические свойства листьев растений и были даны некоторые рекомендации сельскому хозяйству.
После долгого перерыва, в 1944 г., под руководством Н. А. Максимова были возобновлены исследования по светокультуре растений в ТСХА. На кафедре физиологии растений выращивали различные древесные растения при круглосуточном облучении лампами накаливания, что значительно ускорило их рост и наступление физиологической зрелости (Леман, 1946—1950).
С организацией в ТСХА в конце 1950 г. лаборатории искусственного климата, руководимой И. И. Гунаром, начались планомерные исследования по созданию оптимальных условий искусственного облучения растений в теплицах. Основным объектом изучения стали овощные культуры — томаты, огурцы, салат, редис и др. Было изучено действие большинства современных электрических ламп и рекомендованы новые источники излучения как для исследовательских целей, так и для производственных теплиц (люминесцентные лампы, ДРЛ, ДРЛФ, ксеноновые и др.). При этом были исследованы анатомические, морфологические, фенологические и физиологические показатели растений как однократно, так и в динамике. Особое внимание было обращено на фотосинтез, дыхание, накопление пигментов и поглощение искусственного излучения листьями разных культур в процессе онтогенеза (Леман и др., 1950—1974).
Высокая эффективность дополнительного облучения рассады овощей установлена многочисленными исследованиями, проведенными в производственных теплицах. Еще Е. Д. Корольков (1929) и Н. П. Родников (1929), а затем В. М. Марков (1936) установили прямую зависимость между величиной искусственной облученности рассады и величиной урожая. В 1932—1934 гг. В. А. Брызгалов и М. И. Русин отметили более раннее плодоношение огурцов при дополнительном облучении их рассады.
В дальнейшем рентабельность этого нового агротехнического приема подтвердилась рядом исследований. Используя разнообразные источники и приемы искусственного облучения, удалось создать новую агротехнику и новую технологию выращивания овощных культур в закрытом грунте, а также внести большой вклад не только в практику, но и в теорию светокультуры растений.
Искусственное облучение растений получило широкое применение при теоретических исследованиях по различным разделам физиологии растений. За последние годы в СССР и других странах было опубликовано много работ, позволяющих приступить к разработке теории светокультуры. В первую очередь к ним относятся исследования по фотосинтезу, образованию пигментов, поглощению лучистой энергии, морфологии, органогенезу и другим проблемам фотофизиологии растений.
Говоря о возможностях светокультуры, необходимо подчеркнуть, что искусственное облучение растений не может быть заменено каким-либо другим приемом или способом выращивания, так как нормальное углеродное питание и формирование растений под действием оптического излучения — одна из основ их существования и получения урожая. В то же время светокультура может повысить эффективность других агротехнических приемов, например гидропоники, создающей лучшие условия корневого питания. Сочетание светокультуры и гидропоники позволяет создать новую, индустриальную технологию выращивания овощей с применением автоматики и практически без повседневного участия человека.
Введение в строй большого количества электростанций и быстрое развитие светотехнической промышленности создают материальную основу для широкого развития исследований и внедрения методов светокультуры растений в различные области народного хозяйства.
В настоящее время проблемы светокультуры и свето- физиологии растений исследуются во многих научных центрах. В СССР — в Институте физиологии растений АН СССР, Институте биофизики АН СССР, Институте фотосинтеза АН СССР, Агрофизическом институте ВАСХНИЛ, ТСХА, МИИСП, МГУ, Всесоюзном институте электрификации сельского хозяйства ВАСХНИЛ, Институте сельского хозяйства Крайнего Севера, Институте физики СО АН СССР и ряде других научных учреждений.
В США — это опытный центр в Белтсфилде, фитотрон в Пасадене, климатрон в Сан-Луисе, биатрон в Чикаго; во Франции — фитотрон в Жив-сюр-Иветт; в Голландии лаборатория фирмы Филипс и фитотроны в Вагенинге- не; в Бельгии — Льежский фитотрон; в ГДР — Институт овощного хозяйства в Гроссбиирне; в Швеции — Упсаль- ский университет; в Англии — университет и опытная станция Исследовательской электрической ассоциации в Ридинге и многие другие.
Хорошо известно успешное применение дополнительного облучения овощей в совхозах «Московский», «Марфино», «Тепличный», «Белая дача» (Московская область); в хозяйствах фирмы «Лето» (Ленинград); в Рижском, Минском, Челябинском, Воркутинском, Мурманском и других теплично-парниковых комбинатах, а также во многих колхозных и совхозных теплицах нашей страны.
С 1952 г. регулярно созываются совещания по светокультуре растений как в СССР, так и за рубежом. В СССР Первое всесоюзное совещание по светокультуре растений было в начале 1952 г. по инициативе Института физиологии растений АН СССР и Министерства сельского хозяйства СССР.
Вопросы светокультуры растений детально обсуждались и на неспециальных совещаниях: Второй всесоюзной конференции по фотосинтезу (1957), Совещании по вопросам измерения оптического излучения для целей агрометеорологии, физиологии и экологии растений (I960), Первом всесоюзном совещании по выращиванию растений без почвы (1963), Совещании по фотосинтезу при ВАСХНИЛ (1967), Конференции по фотоэнергетике растений (1974) и др.
Наконец, отдельные доклады по искусственному облучению растений были на международных конгрессах по фотобиологии, садоводству и ботанике. Исследования по светокультуре включены в Международную биологическую программу.
Краткий обзор современного состояния проблемы искусственного облучения растений показывает, что среди биологических и сельскохозяйственных наук светокультура растений занимает теперь прочные позиции и как теоретическая дисциплина, и как прогрессивный агротехнический прием, способствующий дальнейшей интенсификации сельского хозяйства. Использование искусственного облучения не только дает «два колоса там, где рос один», но и позволяет собрать урожай там, где не росло ничего.