Фото: Марина Рубцова
Это световое программирование растений и технологии создания специальных световых режимов, использование управляемого растительного сырья для преодоления антибиотикорезистентности, а также создание федеральной программы «Агробиофотоника».
Сумма технологии
– Мы представляем новое междисциплинарное научное направление, которое в настоящее время активно развивается во многих отделениях Российской академии наук, и намерены четко определить стоящие перед ним фундаментальные и прикладные задачи, – сообщил академик Юрий Кульчин. – Территория России чрезвычайно масштабна: на нее приходится около десяти % мировых пахотных земель. Однако одновременно с этим порядка семидесяти % отечественных сельхозугодий располагается в зоне рискованного земледелия, характеризующейся весьма коротким вегетационным периодом. Данная базовая специфика существенно усугубляется вызовами, вызванными глобальными климатическими трансформациями. Общемировые процессы потепления особенно выраженно и остро проявляются именно в границах России, в первую очередь затрагивая ее уязвимые северные регионы.
Подобная динамика влечет за собой серьезную температурную нестабильность в различных субъектах страны, провоцирует нарастание засушливости обширных территорий и неизбежно меняет традиционные ареалы обитания дикорастущей флоры и фауны, а также районирование культурных растений. Масштабные климатические сдвиги наносят ощутимый удар по агропромышленному сектору, поскольку отечественное растениеводство исторически сохраняет критически высокий уровень зависимости от внешних природно-климатических факторов. Непредсказуемость условий среды дестабилизирует объемы сбора урожая, что напрямую сказывается на макроэкономических показателях и общем финансовом благополучии государства. В этой связи ключевым государственным приоритетом становится комплексная адаптация отрасли к глобальным климатическим изменениям ради гарантированной устойчивости агропроизводства.
Надежным фундаментом для принятия управленческих решений и базой для внедрения технологий контролируемого и предиктивного земледелия призваны стать передовые достижения широкого спектра научных дисциплин: от инженерно-технических областей и биологии до генетики, физиологии, агрохимии, почвоведения, защиты растений и смежных отраслей. Одной из наиболее перспективных инновационных практик в данном контексте выступает культивация овощных и иных культур в условиях полностью регулируемой внешней среды. Тепличные комплексы и системы закрытого грунта превращаются в стратегический фактор аграрной безопасности, так как они позволяют нивелировать климатические риски, сформировать оптимальный микроклимат для вегетации, перевести растениеводство на индустриальные рельсы и оградить посадки от агрессивных стрессоров и фитопатогенов.
Эффективный онтогенез растений в замкнутых системах требует строго выверенного синергетического баланса базовых факторов жизни: оптимального освещения для фотосинтеза, достаточного объема диоксида углерода, поливной воды, микро– и макроэлементов, а также жесткого контроля влажности и температуры. Малейшая дисгармония параметров среды незамедлительно трансформирует потенциальную выгоду в ощутимый физиологический ущерб. В процессе метаболизма растительный организм вырабатывает первичные и вторичные метаболиты. Первичные соединения, включая белки и аминокислоты, напрямую обеспечивают базовый рост, формирование биомассы и жизнедеятельность культуры. Вторичные же метаболиты не участвуют в фундаментальном клеточном строительстве, однако выполняют важнейшую адаптационную миссию, помогая растению противостоять биотическим и абиотическим угрозам, паразитарным атакам и суровым внешним воздействиям.
Свет по праву занимает доминирующее место среди средовых факторов: без него привычная биологическая жизнь на планете была бы в принципе невозможна. С момента выхода первых растений на сушу свыше четырехсот пятидесяти млн лет назад они научились виртуозно считывать и использовать тончайшие параметры излучения: амплитуду, спектральную плотность, интенсивность, частоту, фазу электромагнитных колебаний и длительность фотопериода. Накопленный за млны лет эволюции инструментарий позволяет растениям не просто осуществлять фотосинтез, но и синхронизировать внутренние регуляторные биоритмы, распределяться по географическим зонам и воспринимать тепловую энергию. При этом весь комплекс ответных реакций находится под строжайшим генетическим контролем самого организма.
На протяжении всей истории жизнь развивалась под естественным солнечным светом, обладающим непрерывным и богатым спектром – от ультрафиолетовой зоны до дальнего инфракрасного диапазона. На первых этапах развития светокультуры человек пытался компенсировать дефицит естественной инсоляции с помощью ламп накаливания, а позже – газоразрядных люминесцентных ламп, обладавших крайне ограниченными возможностями регулировки. Подлинный технологический прорыв произошел с появлением полупроводниковых светодиодных излучателей. Светодиодные твердотельные модули открыли возможность гибко комбинировать оптические потоки в широчайших диапазонах, с высокой точностью воссоздавать параметры естественного солнечного спектра и задавать ранее недоступные режимы облучения.
Накопленный практический опыт наглядно подтвердил, что растения чутко улавливают малейшие изменения оптической среды и глубоко реагируют на параметры световой волны. Варьируя режимы досветки чисто эмпирическим путем, агрономы нередко добиваются заметных хозяйственных успехов, однако глубинные молекулярные и биофизические механизмы этих явлений по-прежнему остаются не до конца раскрытыми. До сих пор растительный организм во многом воспринимается исследователями по принципу черного ящика: подавая на вход управляемый световой сигнал, специалисты фиксируют конкретный отклик, но точные пути передачи этого импульса через фоторецепторный аппарат, каскады фитогормонов и генетические регуляторы требуют фундаментального осмысления. Именно эти вопросы и находятся в фокусе новой науки – агробиофотоники.
Спектральное манипулирование обладает колоссальной силой воздействия: направленным изменением оптических параметров культуру можно как форсированно стимулировать к росту и сверхраннему цветению, так и полностью угнетать вплоть до увядания. Возникшая на стыке квантовой физики, биологии, генетики и материаловедения агробиофотоника берет на себя миссию прецизионного управления жизненными циклами живых систем при помощи искусственного программируемого излучения. Ключевым приоритетом направления является детальное исследование того, как спектральный профиль, фотонный поток, динамика световых импульсов и поляризация волны воздействуют на фотосинтетическую продуктивность, формообразование и стрессоустойчивость различных культур.
Определение индивидуальных фотобиологических потребностей имеет принципиальное значение, поскольку универсального рецепта не существует: каждому ботаническому виду и сорту требуется строго специфический световой рацион, меняющийся по мере прохождения фаз вегетации, бутонизации и плодоношения. Глубокий анализ фоторецепторных механизмов позволяет установить, как конкретные длины волн перестраивают пути биосинтеза веществ через специализированные фоторецепторные белки – фитохромы, криптохромы и фототропины. Опираясь на выявленные физиологические закономерности, ученые получают возможность разрабатывать идеальные протоколы световой среды, тонко управляя скоростью онтогенеза и продолжительностью жизненного цикла культур.
Современные светодиодные комплексы раздвинули горизонты научного эксперимента, охватив диапазон от жесткого и мягкого ультрафиолета до дальнего инфракрасного излучения. Это позволило создать принципиально новую парадигму управляемой вегетации, раскрывающую скрытый природный потенциал растений. Собственные эксперименты исследовательской группы наглядно продемонстрировали, что отказ от примитивного бинарного красно-синего спектра в пользу многокомпонентного широкополосного излучения оптимизированного профиля сокращает общие сроки выращивания культур и одновременно повышает совокупную урожайность в полтора-два раза, что является выдающимся прикладным достижением.
Растения в течение жизни непрерывно испытывают комплексное стрессовое давление среды: скачки влажности, резкие градиенты температур, аэродинамические нагрузки и перепады инсоляции вызывают угнетение вегетативной массы. Однако инструментарий агробиофотоники дает возможность использовать дозированное световое воздействие для управляемой стимуляции накопления ценных вторичных метаболитов, непосредственно определяющих потребительское качество сельхозпродукции. При визуальной схожести двух режимов освещения их реальные спектральные различия, фиксируемые приборами, могут оказывать диаметрально противоположное действие на физиологию растения, вызывая строго заданный адаптационный ответ.
Подобный подход открывает революционные возможности для скрининга и экспресс-селекции. К примеру, при параллельном сравнительном анализе контрастных сортов картофеля – высокоустойчивого к внешним аномалиям «Ред Скарлетт» и климатически уязвимого «Инноватора» – введение микроклонов в кратковременный контролируемый световой стресс позволяет безошибочно выявить уровень устойчивости генотипа всего за один-два месяца. В классической селекционной практике полевые испытания на стрессоустойчивость занимают долгие годы, тогда как методы фотоники обеспечивают колоссальную экономию времени и ресурсов.
Не менее значим и фактор пищевой ценности выращиваемой продукции: современный потребитель заинтересован не просто в насыщении объемами биомассы, но и в получении растительной пищи с повышенным содержанием витаминов, минералов и антиоксидантов. Продуманный стрессовый досвет позволяет целенаправленно стимулировать сверхнормативное накопление аскорбиновой кислоты или таких ценнейших флавоноидов, как кверцетин. В результате привычная зеленная продукция одного и того же биологического вида может кардинально различаться по своей биологической активности в зависимости от примененного светового рецепта.
При этом оптическое воздействие простирается далеко за рамки классического фотосинтеза, оказывая определяющее влияние на фотоморфогенез. Естественное солнечное излучение динамически меняет спектральные характеристики в течение суток от рассвета к закату, а также трансформируется при смене сезонов года. Растения используют эти вариации как главную систему временных и пространственных координат. Овладевая данными природными механизмами, наука получает рычаг эпигенетического управления, направляющий онтогенез по заданному пути без какого-либо генетического вмешательства и создания трансгенных организмов, опираясь исключительно на активацию нативных ресурсов растительной клетки.
С практической точки зрения такие исследования обеспечивают два фундаментальных преимущества. Во-первых, при контролируемом облучении в закрытых агросистемах гарантируется переход к высокопроизводительным индустриальным регламентам, строго стандартизированному качеству сырья и глубокой автоматизации производства. Во-вторых, селекционеры получают возможность в сжатые сроки нарабатывать партии элитных семян с заданными посевными кондициями. Свет необходимо рассматривать не просто как источник калорий для синтеза углеводов, а как тончайший информационно-сигнальный фактор, запускающий сложные биохимические каскады.
Данная концепция закладывает технологическую основу для создания безлюдных «умных теплиц», функционирующих под управлением искусственного интеллекта и многоконтурных автоматизированных комплексов. Ярким примером подобного инжиниринга выступают модульные автономные сити-фермы на базе стандартного двадцатифутового морского контейнера: оператору достаточно заложить семенной материал, подключить силовые и гидродинамические магистрали и активировать цифровую программу культивирования, после чего система автономно ведет культуру до сбора урожая при минимальном участии человека.
Сфера применения фотоники отнюдь не ограничивается закрытыми пространствами: модули направленной досветки и предпосевной лазерной стимуляции показывают высокую эффективность в открытом грунте на масштабных полевых площадях. Кроме того, оптические технологии стали базисом высокопроизводительного неинвазивного фенотипирования. Этот метод служит ключом к выявлению механизмов взаимодействия генотипа и среды, оценке фактического и потенциального урожая и ускоренному выведению сортов с заданными хозяйственными признаками, что критически важно для прецизионного цифрового земледелия.
Арсенал неразрушающего фотонного мониторинга включает оптические камеры видимого спектра высокого разрешения, гиперспектральные сенсоры, флуоресцентные детекторы, тепловизионные инфракрасные матричные комплексы, лидарные сканеры и беспилотные роботизированные платформы. Комплексирование этих оптических систем обеспечивает непрерывный контроль состояния агроценозов в реальном времени. Наконец, фотоника предоставляет надежные решения для ранней фитосанитарной диагностики патогенов и их прецизионного уничтожения селективным импульсным лазерным излучением без применения избыточных доз химических пестицидов.
Сегодня агробиофотоника предлагает практически безграничные возможности для модернизации сельского хозяйства, производства функциональных продуктов питания и направленного повышения биологической ценности сырья за счет максимального задействования регуляторного потенциала света. Чтобы реализовать накопленный потенциал в масштабах страны, необходимо объединить разрозненные усилия ученых, агробиологов, оптиков и индустриальных партнеров. Значимой интеграционной площадкой на протяжении многих лет выступает специализированная научно-практическая конференция «Агробиофотоника», регулярно организуемая в рамках международной выставки «Фотоника» и объединяющая широкий круг авторитетных исследователей и практиков отрасли.
Назрела объективная необходимость выступить с масштабной государственной инициативой: Российская академия наук должна стать ключевым инициатором формирования комплексной федеральной научно-технической программы «Технологии искусственного солнечного света в сельском хозяйстве и природопользовании» под рабочим названием «Агробиофотоника», органично интегрированной в национальный проект «Биоэкономика». Реализация данной программы позволит разработать передовые инженерные решения для стандартизации, автоматизации и тиражирования производства целевых культур в закрытых системах, сформировать единую облачную информационную платформу мониторинга и культивации, развернуть сеть опорных демонстрационных хозяйств, внедрить индустриальные протоколы круглогодичного выращивания сырья и наладить отечественный серийный выпуск высокотехнологичного оптического и фитотронного оборудования для нужд аграрного сектора страны.
Свет искусственный, рост естественный
Первый задокументированный опыт управления оптической средой и микроклиматом в культивационных сооружениях был осуществлен ботаником Яном Коммелином еще в 1672 году, по итогам которого вышел фундаментальный труд, посвященный регулированию тепличных условий и параметров инсоляции, – сообщил в продолжение академик Алексей Дорохов. – Основоположником же отечественной школы физиологии растений по праву признан Андрей Фаминцын. Именно он в 1868 году впервые в мире экспериментально доказал и строго научно обосновал, что искусственное освещение способно обеспечивать полноценное протекание фотосинтетических процессов при выращивании культур: тогда в качестве рукотворного источника света взамен естественного солнечного излучения успешно применялись керосиновые лампы. Благодаря инициативе Климента Тимирязева в 1872 году на территории Петровской земледельческой и лесной академии (ныне – Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева) была смонтирована первая в России и третья в мире исследовательская вегетационная теплица, где под его непосредственным руководством развернулись глубокие изыскания механизмов фотосинтеза под воздействием света.
Эстафету фундаментальных поисков перенял выдающийся агрохимик Дмитрий Пряничников, масштабировавший тимирязевскую теплицу до мощной опытной базы и детально сформулировавший физиологические требования к сбалансированному минеральному питанию и составу рабочих растворов. В 1930-х годах по инициативе Дмитрия Николаевича при Институте плодоводства была сконструирована одна из первых отечественных гидропонных систем закрытого типа. Полученные результаты нашли прямое практическое воплощение в ходе знаменитых советских полярных экспедиций 1937–1938 годов, когда беспочвенное выращивание свежих овощей на гидропонике было впервые успешно освоено в суровых широтах Заполярья. Представленный вегетационный домик наглядно иллюстрирует преемственность данных инженерных решений. По мере электрификации и создания газоразрядных источников света появились первые отечественные фитооблучатели на базе ртутных ламп высокого давления, применявшиеся для компенсационной досветки, а параллельно создавался специализированный приборный па
рк для высокоточного изучения фотосинтетической активности в контролируемых световых режимах.
Когорта выдающихся исследователей развила научное наследие основоположников, что позволило в наши дни окончательно оформить самостоятельное междисциплинарное направление аграрной фотоники. Бурное развитие микроэлектроники и оптоэлектроники открыло беспрецедентные возможности для масштабного внедрения лазерных и спектральных технологий во все звенья агропромышленного комплекса: от оперативной диагностики почвенных горизонтов, мониторинга физиологического статуса посевов и скота до прецизионного управления продуктивностью, ускорения селекционно-генетических программ, экологичной защиты от фитопатогенов, вредителей и сорной растительности, глубокого обеззараживания, инструментального контроля качества и многократного продления сроков сохранности сельхозпродукции. Решение столь масштабных задач требует развертывания глубоких фундаментальных и прикладных междисциплинарных программ, которые уже активно реализуются в тесной кооперации с профильными отделениями Российской академии наук – физическим, биологическим, нанотехнологическим и другими научными центрами.
В рамках данной концепции разрабатывается интеллектуальная цифровая теплица нового поколения. Эксплуатация интеллектуального культивационного комплекса опирается на непрерывный многопараметрический мониторинг среды и мгновенную передачу массивов телеметрии в управляющие контуры. Это принципиально недостижимо без широкого внедрения бесконтактных оптических сенсоров распознавания образов, лазерного сканирования и неинвазивной диагностики физиологического состояния биообъектов, а также без применения гибко программируемых источников искусственного света, прецизионно воспроизводящих параметры солнечного спектра. Для надежного обеспечения населения функциональными и экологически чистыми продуктами питания перед отечественной наукой стоит стратегическая задача: создать интеллектуальные технологические комплексы и роботизированное оборудование для управляемого синтеза растительного сырья с заранее заданными биохимическими характеристиками в строго изолированной среде.
В настоящее время Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ совместно с Институтом автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН ведет разработку интеллектуального фитооблучателя, способного моделировать естественную динамику солнечного дня – воспроизводить спектральный состав рассветных, полуденных и закатных часов с учетом географического происхождения культуры, ее онтогенетических потребностей и возможности тонкой модуляции поляризации оптического потока. Подобные технические решения позволяют выстраивать предиктивные стратегии культивирования, направленно стимулируя максимальное накопление целевых фракций ценных вторичных метаболитов. Специалистами Центра ВИМ сконструирована и серийно изготавливается широкая линейка адаптивных фитосветильников с динамическим управлением спектральным составом, а также климатические фитотроны с автоматизированным приготовлением и подачей питательных растворов, прецизионным поддержанием температурно-влажностного и газового состава атмосферы, способные воссоздавать любые природные биомы – от аридных зон до влажных субтропиков и тропиков.
Данный инструментарий обеспечил беспрецедентное ускорение вегетации широкого спектра сельскохозяйственных и экзотических культур. Успешно отработаны протоколы форсированного культивирования земляники садовой, ананасов, кофейного дерева и иных ценных растений. В частности, цикл развития кофейного дерева от момента посадки до формирования полноценных зрелых плодов в искусственных условиях был сокращен более чем в три раза: исследователи не просто вырастили сырье в замкнутом объеме фитотрона, но и освоили полный цикл его послеуборочной ферментации и технологической переработки, получив готовый высококачественный напиток.
Назрела объективная необходимость объединить интеллектуальный потенциал отделений Российской академии наук для проектирования единого наукоемкого интеллектуального фитотрона, оснащенного алгоритмами искусственного интеллекта, энергоэффективными оптическими блоками солнечного спектра, прецизионным приборным комплексом измерения биометрических маркеров, адаптивными автоматизированными системами управления и сервисными роботами, обеспечивающими автономный круглогодичный цикл воспроизводства биомассы. Такой мегакомплекс позволит проводить фундаментальные исследования мирового уровня и добывать принципиально новые знания о механизмах регуляции метаболизма светом и составом газовой среды на субклеточном и молекулярно-генетическом уровнях.
Ключевым звеном разрабатываемого фитотрона выступает оригинальная отечественная система оптического фенотипирования, создаваемая учеными Центра ВИМ. Комплекс осуществляет прецизионную оценку нарастания биомассы, автоматически идентифицирует фазы онтогенеза, диагностирует скрытые признаки дефицита макро– и микроэлементов, фиксирует 3D-геометрию габитуса и ведет оперативный контроль водного баланса тканей. Это радикально ускоряет сбор экспериментальных данных и позволяет перейти от грубого группового регулирования климатической зоны к индивидуализированному управлению микросредой каждого конкретного растения. На практике реализуется важнейший физиологический принцип: не внешняя среда жестко диктует регламент, а само растение формирует управляющий сигнал биологической обратной связи, на основе которого система в режиме реального времени корректирует спектральный состав досветки, дозирование минерального питания и гидротермический режим. Это знаменует качественный переход к динамическому адаптивному управлению биологической продуктивностью.
Валидация получаемых данных и изучение влияния световых рецептов осуществляется на ультрасовременной исследовательской приборной базе. Эксперименты неопровержимо подтвердили, что тонкое варьирование спектральных композиций позволяет направленно изменять концентрацию витаминов, хлорофиллов, каротиноидов и флавоноидов, а также регулировать вкусоароматические свойства продукции за счет тонкой балансировки сахарокислотного индекса. Биохимический скрининг выявил, что индивидуально подобранные светодиодные спектры активируют каскадный биосинтез полифенольных соединений, аскорбиновой кислоты, антоцианов, каротинов, токоферолов и широкого спектра иных биологически активных веществ. В руках исследователей оказались точные физиологические ключи к программированному обогащению культур витаминами и ценными микронутриентами.
При этом возможности фотоники далеко не исчерпываются культивацией в защищенном грунте и находят продуктивное применение в открытом полеводстве. Учеными Центра ВИМ разработаны комплексные мониторинговые комплексы на базе беспилотных авиационных систем, оснащенных мультиспектральными и гиперспектральными сенсорами, способными регистрировать и обрабатывать гигантские массивы пространственных данных в режиме реального времени. С воздуха с высокой точностью оценивается обеспеченность посевов азотом, рассчитывается проективное покрытие и вегетационные индексы биомассы, картографируются очаги инфекционного поражения и ареалы распространения фитофагов. Создаваемая архитектура на основе искусственных глубоких нейросетей берет на себя комплексную фильтрацию и автоматический анализ всего поступающего потока геопривязанных оптических данных.
В тесном сотрудничестве с Институтом общей физики имени А. М. Прохорова РАН Центр ВИМ ведет проектирование семейства специализированных сенсорных приборов, включая портативные полевые оптические анализаторы для экспресс-оценки структурно-химического статуса почвенного покрова, реализующие полный цикл спектрального разложения. Разработана и успешно апробирована технология оперативного фитосанитарного спектрального контроля зерновых колосовых культур с помощью мобильного спектрометра, предназначенного для высокоточного обнаружения токсигенных микромицетов и опасных микотоксинов на доклинических стадиях – задолго до появления явных визуальных признаков заболевания.
Для точной бонитировки урожайности, обнаружения вредителей и болезней листового аппарата и плодов непосредственно на каждом дереве создается интеллектуальный роботизированный комплекс мониторинга многолетних насаждений. Самоходная платформа в движении строит высокоточную цифровую 3D-модель промышленного сада и инструментально оценивает степень зрелости плодов. Параллельно лазерные технологии внедряются в системы адресного бесконтактного уничтожения сорной растительности, инфицированных побегов и насекомых-вредителей сфокусированным световым импульсом, что формирует экологически безопасный каркас агротехнологий и сводит к минимуму химический прессинг пестицидов на экосистемы.
Парадигма фотоники столь же успешно трансформирует и животноводство в рамках масштабного проекта «Цифровая ферма», где оптические инструменты служат прецизионными регуляторами биоритмов, благополучия и продуктивности поголовья. В селекционно-племенной работе с крупным рогатым скотом решающую роль играет объективная оценка экстерьера и конституции животных. Разработано принципиально новое бесконтактное оптико-электронное устройство трехмерного сканирования и спектрального анализа, фиксирующее тончайшие физиологические параметры и конституциональные особенности особи, на основе чего интеллектуальная система выдает предиктивное заключение о племенной ценности и целесообразности дальнейшего воспроизводства животного. Для поточного контроля качества молока непосредственно в процессе доения создан проточный оптоволоконный датчик, работающий на четырех длинах волн и определяющий массовую долю жира и белка в непрерывном режиме реального времени. В зонах содержания животных проводятся масштабные опыты по подбору спектральных характеристик освещения, оптимизирующих эндокринный статус, санитарно-ветеринарную обстановку и этологический комфорт стада.
Комплексный контур управления охватывает и процессы постобмолотной обработки и хранения растениеводческой продукции, реализуемые в рамках концепции цифровых хранилищ. Опираясь на грантовую поддержку, научный коллектив разработал серию специализированных приборов, включая экспресс-анализатор индивидуального семенного материала: оператор помещает единичное зерно в диагностическую камеру, после чего вычислительный блок по спектральной диаграмме безошибочно фиксирует наличие скрытой патологии, прежде всего поражение фузариозными токсинами. Для сортировки сочных плодов и корнеплодов при закладке в промышленные овощехранилища спроектирована гиперспектральная конвейерная линия, надежно отбраковывающая экземпляры с микро– и макротравмами, подкожной гнилью и нестандартными кондициями, что радикально сокращает технологические потери сырья в период длительного хранения.
Таким образом, в современном высокотехнологичном аграрном производстве фотоника превращается в сквозной системообразующий инструмент прецизионного управления жизненными процессами растений и животных. Высочайшая актуальность этого научного вектора подтверждается признанием мирового научного сообщества: именно оптогенетика – революционный метод управления клеточной активностью и светозависимыми ионными каналами посредством целевых светочувствительных белков – стала центральной темой передовых исследований, отмеченных высшими мировыми научными наградами. Присуждение престижных научных премий за открытия в области оптогенетических механизмов служит для нас глубоким символическим подтверждением стратегической правильности выбранного пути. В этой связи объединение фундаментальных компетенций и прикладных ресурсов институтов и отделений Российской академии наук представляется безальтернативным шагом, способным обеспечить опережающее развитие отечественной агробиофотоники и технологический суверенитет страны.
В зыбком свете свечей
– В продолжение дискуссии необходимо подробнее остановиться на ключевых аспектах биофотоники, находящих прямое практическое воплощение как в фундаментальных изысканиях, так и в прикладных агротехнологиях, – сказал директор ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии Геннадий Карлов. – Важнейшим катализатором научно-технологического рывка в этой области стало появление полупроводниковых источников излучения – LED-технологий. Особого внимания заслуживают два магистральных взаимосвязанных направления: технологии форсированной селекции (спидбридинг, *speed breeding*) и высокопроизводительное цифровое фенотипирование растительных организмов.
Концепция спидбридинга, получившая мощный импульс развития в мировой науке начиная с 2018 года, позволяет за рекордно короткие сроки получать полноценные семенные поколения сельскохозяйственных культур. Если в классических теплицах селекционеры могли рассчитывать максимум на два-три семенных цикла в год, что само по себе считалось пределом продуктивности, то современные отечественные разработки обеспечивают прохождение полного жизненного цикла растения – от семени до семени – всего за два месяца. Это открывает возможность собирать как минимум шесть семенных генераций за один календарный год, что фактически означает шестикратное ускорение селекционного процесса.
Фундаментом такого технологического прорыва выступают специализированные климатические фитотронные комплексы. Они обеспечивают прецизионное регулирование фотонного потока, спектрального состава излучения, а также синхронизированное поддержание сопутствующих гидротермических и средовых факторов: температурного профиля, влажности воздуха, фотопериодичности и газового баланса. Благодаря столь высокой точности калибровки создаются условия, при которых метаболизм и органогенез культур протекают с максимальной интенсивностью.
Ярким примером служит опыт работы с перспективной зерновой культурой тритикале: оптимизация спектрального распределения и повышение плотности фотосинтетического фотонного потока, реализуемые современными светодиодными модулями, форсируют ростовые и дифференцировочные процессы без признаков угнетения растительного организма. На сегодняшний день коллективом созданы и успешно валидированы протоколы спидбридинга для базовых продовольственных культур, позволяющие стабильно получать до шести поколений в год: злаковых (пшеницы, ячменя, тритикале), кукурузы, сои, подсолнечника, ярового рапса и гороха. Особым успехом стало преодоление двухлетнего цикла развития сахарной свеклы: биологический интервал, традиционно требующий двух полных лет для завязывания семян, в специализированных камерах удалось сократить всего до шести месяцев.
В результате ведущие сельскохозяйственные культуры превратились в полноценные модельные объекты для генетико-биологических исследований. Долгие десятилетия фундаментальная генетика опиралась преимущественно на дикорастущую модель – резуховидку Таля (*Arabidopsis thaliana*), ценность которой заключалась именно в быстрой смене поколений. Сегодня спидбридинг позволяет перенести самые тонкие генетические эксперименты непосредственно на целевые хозяйственно ценные растения. Недавнее достижение исследователей – отработка двухмесячного цикла «от семени до семени» на томате, что открывает широчайшие горизонты для биотехнологии, молекулярной селекции, сортоиспытания и скрининга агрохимикатов.
Прикладная результативность метода наглядно подтверждается конкретными селекционными кейсами. Всего за семнадцать с половиной месяцев была выполнена сложнейшая генетическая работа по созданию отечественных аналогов исходных линий восковидной кукурузы, тогда как в классических полевых условиях на аналогичную задачу уходит от шести до восьми лет. Полученные линии представляют стратегическую ценность для глубокой переработки зерна и выделения высококачественного крахмала. Аналогичным образом прецизионное световое воздействие позволяет целенаправленно индуцировать процессы дифференциации микрорастений и микроклубней картофеля в культуре *in vitro*.
Технология спидбридинга раскрывает свой потенциал в полной мере при интеграции с цифровым неинвазивным фенотипированием. Внутри климатической камеры создаются условия для одновременного параллельного сравнения генетических линий, несущих контрастные аллельные варианты генов. Оптико-электронный фенотипический комплекс осуществляет непрерывный автоматизированный мониторинг динамики роста, архитектоники побегов и физиологического статуса растений от первых всходов до фазы созревания урожая, не повреждая живые ткани. Это формирует структурированные массивы первичных биометрических данных для последующей аналитики.
Накопленный институтом опыт фенотипирования ключевых культур позволил получить фундаментальные знания и прикладные решения, востребованные в создании коммерческих гибридов. Комплекс позволяет оперативно сопоставлять физиологическую эффективность различных видов минерального питания, включая трудноусвояемые фосфорсодержащие формуляции, и точно коррелировать реакции биообъектов в камерах с их поведением в открытом грунте. Возможность моделировать полевые условия и многократно повторять эксперименты в течение одного календарного года радикально ускоряет доводку перспективных химических и биологических препаратов защиты растений.
Обработка колоссальных потоков сенсорных данных немыслима без задействования алгоритмов машинного обучения и нейросетевых архитектур. Синтез технологий спидбридинга, сенсорики и биоинформатики лег в основу масштабного федерального проекта «Цифровой помощник селекционера», поддержанного Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и реализуемого в стратегическом партнерстве с АО «Щелково Агрохим». Этот программно-аппаратный комплекс призван автоматизировать принятие селекционных решений на основе анализа больших фенотипических и генетических данных.
Еще одним стратегическим направлением выступает адаптация фитотронных систем для автономных биоэкопоселений Арктической зоны и опорных пунктов Северного морского пути. Для изолированных поселений, лишенных круглогодичной сухопутной логистики, локальное производство свежей овощной продукции является критически значимым фактором жизнеобеспечения и формирования благоприятной среды обитания. При наличии стабильной генерации энергии такие закрытые комплексы полностью закрывают витаминные потребности жителей Заполярья в условиях длительной полярной ночи. Однако внедрение этих систем сталкивается с объективным сдерживающим барьером: в отечественном и мировом реестрах практически отсутствуют специализированные сорта и гибриды, генетически оптимизированные для ультракомпактных светодиодных фитотронов. Формирование отдельной сортовой линейки для закрытых экосистем экстремальных широт должно стать приоритетной задачей селекционных центров страны.
Огромная заслуга в достижении столь значимых результатов принадлежит сплоченному научному коллективу института и специализированным молодежным лабораториям, созданным в рамках национальных программ при поддержке Минобрнауки России. Сформированный мощный фундаментальный и экспериментальный задел позволяет с уверенностью констатировать: на сегодняшний день отечественная наука, наряду с ведущими научными центрами Китая, занимает передовые лидерские позиции в области разработки и прикладного масштабирования технологий спидбридинга и агробиофотоники.
Световой сигнал
– Фундаментальным базисом современных биотехнологий выступает понимание светового излучения не только как источника энергии, но и как важнейшего регуляторного сигнала, позволяющего тонко управлять онтогенезом и метаболизмом растений, – продолжил академик Владимир Кузнецов. – С момента открытия фотосинтеза в 1771 году на протяжении более чем двух столетий свет традиционно рассматривался почти исключительно в качестве энергетического ресурса для ассимиляции углекислого газа, синтеза первичных органических соединений и выделения кислорода. Однако современная физиология и молекулярная биология доказали, что кванты света несут в себе высокоточный информационный код. Этот сигнал непрерывно считывается специализированными сенсорными системами – фоторецепторами, вызывая каскадную перестройку экспрессии генов, модификацию белкового профиля и глубокую перестройку всей физиологической активности организма.
Вопреки расхожему представлению о пассивности растительного организма, растения обладают распределенной сетью высокочувствительных сенсорных комплексов, ведущих постоянный спектральный мониторинг окружающей среды. Параметры светового потока позволяют им безошибочно определять сезонные циклы, суточные ритмы, наличие затенения от растений-конкурентов и потенциальные угрозы стрессового характера. Роль подобных оптических сенсоров выполняют различные классы фоторецепторов, обладающие строгой спектральной избирательностью. Красную и дальнюю красную области спектра улавливают фитохромы (семейство от PhyA до PhyE), контролирующие ключевые фенофазы, включая выход семян из состояния покоя и индукцию цветения. Синий свет и мягкий ультрафиолет диапазона УФ-А регистрируются криптохромами и фототропинами, играющими фундаментальную роль в координации биологии развития и ростовых движений. Коротковолновое излучение средневолнового ультрафиолета УФ-Б детектируется специализированным мономерным рецептором UVR8, ответственным за запуск механизмов адаптации и биосинтез защитных экранирующих метаболитов.
С помощью направленного светового сигнала исследователи получают возможность трансформировать архитектонику растения, смещать сроки цветения вплоть до полного подавления этой фазы, а также программировать биохимический состав биомассы, стимулируя накопление целевых биологически активных соединений. Оптический спектр контролирует уровень стрессоустойчивости, детерминирует анатомо-морфологическое строение листовой пластинки, архитектонику корневой системы, характер транспорта и аттракции ассимилятов между вегетативными и генеративными органами, закладку цветков и темпы созревания плодовой продукции. Все ответные реакции на свет носят строго видо– и сортоспецифичный характер и тесно коррелируют с текущей фазой онтогенеза. Это позволяет целенаправленно генерировать световые рецепты под конкретную технологическую задачу: так, увеличение доли дальнего красного спектра способно ускорить наступление цветения на две недели, тогда как обогащение светового потока синей составляющей формирует компактный низкорослый габитус, оптимизированный для механизированной и роботизированной уборки.
Световой сигнал выступает прямым регулятором клеточного метаболизма и структуры метаболома – совокупности всех синтезируемых низкомолекулярных соединений. Показательным примером служит моделирование спектральных режимов при культивировании томатов: смещение баланса красного и дальнего красного света в сторону преобладания красного диапазона (двукратное увеличение доли красного относительно базового соотношения) приводит к трехкратному росту концентрации витаминов, а массовая доля растворимых сахаров в плодах возрастает с 29 до 43%. Аналогичным образом внесение синей фракции или дозированной ультрамалой доли ультрафиолета УФ-Б в спектр белых светодиодов индуцирует в листьях салата активный биосинтез полифенольных соединений и флавоноидов с высокой антиоксидантной активностью, что существенно повышает нутрицевтическую ценность листовой зелени.
Наряду с формообразованием и метаболизмом, свет служит триггером адаптивного потенциала растительного организма через механизм светового прайминга. Дозированное световое воздействие формирует физиологическую закалку и системный иммунитет, подготавливая ткани к последующему воздействию неблагоприятных биотических и абиотических стрессоров. В тканях заблаговременно активируются эндогенные защитные системы: аккумулируются антиоксидантные ферменты и метаболиты, синтезируются молекулярные шапероны и совместимые органические осмолиты, поддерживающие клеточный гомеостаз.
Дифференцированный отклик основных физиологических систем – роста, биосинтеза защитных метаболитов и водного статуса – четко зависит от длины волны падающего излучения. Высокоэнергетические кванты УФ-Б воспринимаются клетками как сигнал непосредственной угрозы, в результате чего пролиферация и растяжение клеток полностью тормозятся, а метаболические потоки перенаправляются на синтез защитных экранирующих веществ. Синий диапазон берет на себя прецизионное управление гидравлическим статусом растения: стимулирует транспирацию, открывание устьичного аппарата и восходящий ксилемный ток. В условиях дефицита красного света и избытка дальнего красного излучения фитохромы переходят из активной Pfr-формы в неактивную Pr-форму, что служит для растения однозначным признаком затенения биомассой соседних растений. Включается адаптивная программа «синдрома избегания тени» (*shade avoidance syndrome*), при которой все пластические ресурсы мобилизуются на компенсаторное удлинение осевых органов для скорейшего выхода в верхний ярус освещенности.
Молекулярный механизм реализации светового сигнала наиболее ярко прослеживается на примере фотоморфогенеза этиолированного проростка. Проросток, развивающийся в темноте под слоем почвы, характеризуется удлиненным гипокотилем, закрытыми семядолями с апикальным крючком и отсутствием дифференцированных пластид. Первые кванты света запускают деэтиоляцию – комплексную программу перехода к нормальному автотрофному фотосинтезирующему состоянию. При облучении фитохром B фотохимически конвертируется в активную конформацию и транслоцируется из цитозоля в клеточное ядро, где вместе с регуляторными белками и ферментами агрегирует в ранние ядерные фототельца (*nuclear photobodies*).
Дальнейший каскад включает два сопряженных процесса: светоопосредованное убиквитинирование и протеасомную деградацию факторов транскрипции (в частности, PIF-белков), блокировавших морфогенез на свету, и масштабную активацию ключевого мастер-регулятора фотоморфогенеза – транскрипционного фактора HY5 (*ELONGATED HYPOCOTYL 5*). Фактор HY5 напрямую координирует экспрессию колоссальной генной сети, насчитывающей тыс. ядерных и пластидных генов. Запускается координированная транскрипция генов ферментов биосинтеза хлорофиллов, компонентов реакционных центров и светособирающих комплексов обеих фотосистем, обеспечивается их упорядоченная самосборка, тилакоидная дифференциация пропластид в зрелые хлоропласты, а параллельное торможение элонгации гипокотиля завершает преобразование проростка в полноценное фототрофное растение.
Таким образом, световой сигнал представляет собой высокоэффективный неинвазивный регулятор роста, развития и продуктивности растений, развитие которого требует глубокой междисциплинарной интеграции физики, биохимии, молекулярной генетики и инженерии. Использование передовой полупроводниковой оптоэлектроники позволяет перейти к концепции адаптивного культивирования, где само растение выступает первичным высокочувствительным сенсором, формирующим биологический управляющий сигнал для замкнутого контура фитотрона. Именно реакция биообъекта определяет параметры коррекции микроклимата и питания, оптимизируя урожайность, органолептические свойства продукции и удельную энергоемкость процессов. Для широкого масштабирования таких технологий критически необходима разработка отечественных высокомощных многоканальных светодиодных фитооблучателей, создание математических моделей многофакторного биологического отклика и конструирование новых спектральных сенсорных систем.
Лазер и агроном
– Обобщая прозвучавшие выступления, хочу подчеркнуть: сегодня мы становимся свидетелями и непосредственными участниками формирования принципиально новой междисциплинарной науки – агробиофотоники, – сказала профессор Екатерина Журавлёва. – Она не просто объединяет физику лазеров, квантовую оптику, генетику, селекцию и цифровую инженерию, но и закладывает основу нового технологического уклада для всего агропромышленного комплекса страны. Если оглянуться назад, то отечественная научная школа стояла у самых истоков этого направления. Еще во второй половине XIX века Андрей Фаминцын и Иван Бородин первыми в мире доказали возможность фотосинтеза под керосиновыми лампами. Их идеи блестяще развил Климент Тимирязев, создавший первую в России исследовательскую теплицу в стенах Петровской академии. А в двадцатые годы прошлого века Николай Максимов впервые вырастил растения полного цикла исключительно на искусственном спектральном освещении. Позднее Дмитрий Пряничников связал свет с минеральным питанием и заложил основы советской гидропоники, которая уже в конце тридцатых годов успешно испытывалась в полярных экспедициях. Затем на смену керосиновым горелкам пришли люминесцентные и дуговые натриевые лампы, работавшие в том числе в первых космических оранжереях. Но настоящий переворот произошел в наши дни с появлением полупроводниковых источников излучения – узкополосных светодиодов и матричных управляемых систем.
Ключевой сдвиг в современном понимании заключается в том, что свет больше нельзя рассматривать просто как топливо для фотосинтеза, как это было на протяжении двух столетий. Сегодня мы точно знаем, что квант света несет в себе тончайший информационный код. Растения обладают сложнейшей сетью молекулярных сенсоров, которые непрерывно сканируют окружающую среду. Фитохромы чутко реагируют на баланс красного и дальнего красного спектра, отвечая за прорастание семян, индукцию цветения и реакцию на затенение соседями. Криптохромы и фототропины считывают синий свет и мягкий ультрафиолет А, регулируя циркадные ритмы, движения листьев и работу устьичного аппарата. А мономерный рецептор UVR-8 улавливает жесткий ультрафиолет Б, мгновенно передавая клетке сигнал тревоги, что заставляет растение остановить рост и направить все ресурсы на выработку защитных фенольных соединений и антиоксидантов.
На молекулярном уровне этот процесс выглядит поразительно. Как только этиолированный проросток пробивается из темноты к свету, фитохром Б переходит в активную форму и стремительно перемещается в клеточное ядро. Там запускается механизм протеасомного разрушения регуляторных белков, которые тормозили развитие на свету, и активируется ключевой мастер-фактор hi-5. Этот фактор включает колоссальную генную сеть: запускается синтез хлорофиллов, собираются реакционные центры фотосистем, формируются хлоропласты, тормозится вытягивание гипокотиля, и росток превращается в полноценный автотрофный организм.
Понимание этих механизмов дает нам инструмент прямого управления онтогенезом и метаболомом растений. Добавляя дальний красный свет, мы можем ускорить цветение на две недели. Увеличивая долю синего излучения, мы получаем компактные, крепкие растения с укороченными междоузлиями, идеально подходящие для механизированной и роботизированной уборки. Регулируя спектр при дозревании томатов, мы втрое увеличиваем концентрацию витаминов, а содержание сахаров поднимаем с двадцати девяти до сорока трех %. А дозированный световой прайминг листьев салата синим светом или микродозами ультрафиолета стимулирует выработку флавоноидов и антиоксидантов, превращая обычную зелень в функциональный продукт питания с лечебными свойствами.
Второй революционный прорыв – это технология спидбридинга, форсированной селекции в полностью контролируемых фитотронах. В классических теплицах селекционеры десятилетиями получали максимум два поколения в год. Сегодня мы надежно получаем до шести семенных генераций за один календарный год по пшенице, тритикале, ячменю, кукурузе, сое, подсолнечнику, рапсу, гороху и томату. Цикл развития сахарной свеклы, требовавший двух лет, сокращен до шести месяцев. Практический результат говорит сам за себя: исходные родительские линии восковидной кукурузы для получения ценного амилопектинового крахмала мы создали за семнадцать с половиной месяцев вместо традиционных шести-восьми лет. При этом сельскохозяйственные культуры наконец-то сами стали модельными объектами генетики, вытеснив лабораторный сорняк арабидопсис.
Однако спидбридинг работает с максимальной отдачей только в связке с цифровым неинвазивным фенотипированием. В климатических камерах оптико-электронные датчики круглосуточно фиксируют трехмерную геометрию растений, прирост биомассы и параметры флуоресценции хлорофилла. Мы реализуем принцип, при котором само растение выступает первичным сенсором: его физиологический отклик напрямую корректирует спектр, интенсивность света, температуру и питание. Этот подход уже масштабируется в рамках нашего федерального проекта «Цифровой помощник селекционера» совместно с индустриальными партнерами, где искусственный интеллект берет на себя отбор перспективных генотипов. Более того, методы биофотоники выходят в открытое поле и сады, где беспилотники с гиперспектральными камерами проводят раннюю диагностику болезней и стресса, а роботизированные платформы оценивают урожайность и точечно борются с сорняками.
Эти же принципы сегодня трансформируют животноводство и хранение урожая. Бесконтактные оптические комплексы строят трехмерные модели тела крупного рогатого скота для автоматической бонитировки, волоконно-оптические датчики прямо в доильном тракте определяют содержание жира и белка в потоке молока, а спектральные сортировщики на элеваторах и овощехранилищах за доли секунды отбраковывают зерно с фузариозом или корнеплоды со скрытыми внутренними дефектами.
Перед нами стоит глобальный вызов: к середине века население планеты превысит десять млрд человек, а возможности экстенсивного земледелия практически исчерпаны. Нам жизненно необходимы полностью автономные агроэкосистемы, в том числе для круглогодичного обеспечения свежими витаминами опорных пунктов Арктики и Северного морского пути, а в перспективе – и для космических миссий. Но здесь мы сталкиваемся с острейшим барьером. Мы проанализировали Государственный реестр селекционных достижений: из трех с половиной тыс. зарегистрированных сортов и гибридов томата лишь три пригодны для выращивания в полностью замкнутом объеме под светодиодами. Селекция веками велась под открытое солнце и полевые условия, и специализированных сортов для ультракомпактных фитотронов у нас практически нет.
Поэтому создание отдельной национальной программы по агробиофоронике – это не просто научная инициатива, а вопрос государственного суверенитета и продовольственной безопасности. Нам необходимо объединить потенциал физиков, биологов, селекционеров и инженеров, разработать собственные мощные светодиодные фитооблучатели и спектральные сенсоры, создать математические модели отклика живых систем и целенаправленно вывести линейку сортов для замкнутых биомов. Все фундаментальные заделы и технологические предпосылки для этого в нашей стране уже созданы.
Салат с инновациями
– Федеральный научный центр овощеводства – это организация, которая занимается селекцией сортов зелёных овощных культур, – напомнил член корреспондент РАН Мурат Гинс. – Помимо этого, мы разрабатываем технологии для наших культур, включая технологические паспорта и схемы выращивания. Агробиофотоника представляет для нас двоякий интерес: во-первых, это управление метаболизмом растений с помощью света, что мы рассматриваем как фактор активного воздействия, а во-вторых – измерение физиологического состояния растений оптическими методами.
В последнее время мы ориентируемся не только на тепличные хозяйства, с которыми традиционно активно сотрудничаем и создаём совместные технологии, сорта и технологические карты выращивания, но и на космическое направление. Тесное сотрудничество в этой сфере началось ещё в советское время, затем по экономическим причинам было приостановлено, однако сейчас оно успешно возобновлено. Наши сорта, такие как «Веснянка» и «Ласточка», уже давно летают на орбиту в рамках совместной работы с Институтом медико-биологических проблем. Летают и наши перцы, и томаты. После их возвращения на Землю мы детально изучаем, какие биологически активные соединения в них образовались и какие изменения генетического уровня наблюдаются в полученных семенах.
Имеющаяся в нашем институте установка не является полностью герметичной и не отвечает в полной мере современным требованиям. Поэтому наши сотрудники совместно со специалистами Института фундаментальных проблем биологии РАН разработали синергатрон. В этой замкнутой системе осуществляется полный контроль и управление процессами, о чём уже упоминали предыдущие докладчики, и мы активно работаем в таких системах.
Здесь возникает вопрос разграничения задач, поскольку мы в первую очередь практики. Необходимо чётко понимать, какие параметры должны контролироваться непосредственно на производстве для наших сортов, а что составляет сферу нашей научной ответственности. За нами закреплено фундаментальное сопровождение, и имеющаяся приборная база – газовые хроматографы, высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), хромато-масс-спектрометрия (ГХ-МС) – на производстве не используется, однако именно с её помощью мы можем объективно контролировать качество и безопасность конечной продукции.
Важно подчеркнуть, что световой режим – лишь один из ключевых компонентов. Не менее важны системы минерального питания и технологии обогащения, в частности листовые обработки, которые мы проводим строго по фазам онтогенеза растений. Только при комплексном подходе можно гарантированно получать высококачественный продукт с длительным сроком хранения, который поступит к потребителям и будет способствовать укреплению их здоровья. Основу нашей работы составляют листовые, крестоцветные, паслёновые и пряно-ароматические культуры, выращиваемые в защищённых и полностью замкнутых системах. Маркеры и биохимические показатели, находящиеся под нашим контролем, напрямую определяют ценность продукции для здоровья населения, особенно с учётом возможности её круглогодичной поставки на прилавки.
Опыт взаимодействия с другими научными учреждениями показал, что универсального технологического рецепта не существует: для каждого сорта и каждой культуры необходимо подбирать индивидуальные физиологические диапазоны. Световое воздействие нельзя сводить исключительно к энергетической составляющей. Например, криптохромы не могут функционировать без зелёного света, поскольку их окисленные и восстановленные формы должны непрерывно сменять друг друга, и именно зелёный спектр играет здесь ключевую регуляторную роль. Мы исследуем спектральные составы и уровни мощности, необходимые для достижения максимального качества, однако критически важным критерием для промышленного производства остаётся экономическая эффективность, выраженная в затратах киловатт-часов на единицу продукции. Идти к результату можно разными путями, но именно себестоимость определяет итоговый технологический выбор.
Многие замечают, что за последнее время качество тепличных овощей существенно выросло. В девяностые годы коллектив во главе с академиком Пивоваровым начал вести селекцию с акцентом на качество, провозгласив девиз: «Овощ – не только пища, но и лекарство». Мы добились серьёзных результатов, и промышленный сектор действительно переходит на выпуск более качественной продукции. Тем не менее тот эталонный уровень качества, к которому мы стремимся, пока не всегда достижим на практике именно из-за экономических ограничений.
В условиях дефицита времени остановлюсь на применяемых нами исследовательских методах. В качестве обязательного входного контроля мы используем PAM-флуориметрию. Анализируя кинетику флуоресценции хлорофилла, мы определяем оптимальные потоки света и спектральные соотношения, что позволяет исключить непроизводительные потери энергии. Это высокоинформативный метод, дающий возможность чётко дифференцировать генотипы огурца и других культур по их индивидуальной чувствительности к свету и различным стрессовым факторам.
Получая подобные характеристики, мы совместно с селекционерами отбираем перспективные комбинации на основе многомерных подходов для последующего внедрения в реальное производство. В частности, для одного из наших производственных партнёров была выполнена работа по разделению шестнадцати генотипов огурца по признаку устойчивости к световому стрессу с фиксацией всех необходимых параметров. При этом отклик фотосинтетического аппарата на действие синего и красного света в тестах PAM-флуориметрии носит разнонаправленный характер и демонстрирует выраженные различия.
Ещё одним обязательным и актуальным направлением выступает метаболомика, о значении которой в своём докладе подробно говорил Виктор Васильевич. На этапе поиска оптимальных световых режимов крайне важно понимать, насколько получаемые изменения компонентного состава допустимы с позиций стандартов качества и сертификации. Только после прохождения всех этих аналитических этапов мы передаём наши сорта и оптимизированные технологии в промышленное производство для тепличных комбинатов, обеспечивая практическое внедрение методов современной агробиофотоники.
Лечить картофельным паром
– Разрешите осветить некоторые медицинские аспекты возможностей агробиофотоники, – добавил член-корреспондент РАН Кирилл Зыков. – Первое, о чём необходимо сказать несколько слов, это, безусловно, проблема антибиотикорезистентности. Как известно, пневмония занимает первое место по смертности среди всех инфекционных заболеваний в мире. Нас не могут не беспокоить прогнозные данные, согласно которым к 2050 году смертность от устойчивости к антибиотикам достигнет десяти млн человек ежегодно. При этом четверть всех выписываемых антибактериальных препаратов назначается именно при инфекциях дыхательных путей. Если антибиотик назначен врачом или принят пациентом самостоятельно, риск колонизации дыхательных путей резистентными штаммами в течение следующих двух месяцев возрастает в два с половиной раза.
В поисках ответа на вопрос о том, что делать в сложившейся ситуации, всё активнее обсуждается возможное решение: возврат к мультитаргетным природным соединениям через управляемое растительное сырьё, поскольку иные действенные альтернативы здесь практически отсутствуют. Анализ данных по антибиотикам, выведенным на международный рынок с 2014 по 2023 год, показывает, что новых препаратов появилось вроде бы немало, однако лишь два из них обладают принципиально оригинальным механизмом действия. Особенную тревогу вызывает то, как развивается эта динамика: кружками на графике отмечены первые зафиксированные случаи резистентности к новым препаратам, а оранжевыми квадратами – первые вспышки устойчивой инфекции с передачей возбудителя от человека к человеку. Эти кружки возникают практически сразу вслед за появлением очередного антибиотика на рынке, а значит, война между фармакологами, разрабатывающими новые препараты, и микроорганизмами явно склоняется в пользу возбудителей.
Помимо устойчивости классических планктонных форм, резистентность бактерий резко усиливается за счёт формирования биоплёнок. Микроорганизмы синтезируют плотный внеклеточный матрикс, который надёжно защищает их от проникновения антибактериальных средств. На снимках отчётливо видна интактная поверхность среднего уха шиншиллы, затем через три часа фиксируется начало формирования биоплёнки гемофильной палочки, и наконец представлен полностью сформированный биофильм, который практически наглухо экранирует находящиеся внутри клетки. В случае такого опасного патогена, как синегнойная палочка, устойчивость к карбапенемам внутри биоплёнки возрастает в тыс.у раз, и создать в организме пациента терапевтическую концентрацию антибиотика, способную пробить такую защиту, физически невозможно.
В этой ситуации существенную помощь могут оказать эфирные масла, к которым сегодня приковано всё больше внимания. Механизм их комплексного действия направлен как на подавление самого возбудителя, так и на разрушение процесса формирования биоплёнок, что подтверждается выраженным снижением проявлений биофильма при их нанесении. Мы уже достаточно давно апробировали ингаляционное применение эфирных масел в комплексной терапии пневмоний, однако возникает закономерный вопрос, почему этот подход до сих пор широко не вошёл в клиническую практику. Главное препятствие заключается в невозможности гарантированной стандартизации такого сырья. На наглядном примере воздействия на золотистый стафилококк показана антибактериальная активность тимьяна обыкновенного (Thymus vulgaris) и эвкалипта по отдельности. Когда мы решили соединить оба этих эфирных масла, ожидая синергии, то к нашему удивлению получили абсолютный ноль с точки зрения подавления роста возбудителя. Это прямо указывает на то, что в данном направлении требуется масштабная исследовательская работа, и нам ещё очень многое предстоит открыть.
В то же время клинические доказательства эффективности эфирных масел при внебольничной пневмонии вполне убедительны: наблюдаются быстрое снижение интоксикации, ускорение темпов рентгенологического разрешения очагов и сокращение сроков пребывания пациентов на больничной койке, что крайне ценно для стационаров. В настоящее время мы ведём активную совместную работу с коллегами из Отделения химии и наук о материалах РАН, Отделения сельскохозяйственных наук РАН, а также с четырьмя ботаническими садами – Главным ботаническим садом, Никитским, Донецким, а теперь и Белгородским ботаническим садом. Цель этого масштабного проекта – сопоставить микробиологическую, а затем и клиническую эффективность эфирных масел одного и того же ботанического вида, выращенного и собранного в совершенно разных географических регионах нашей страны.
Интерес вызывает и такой неочевидный факт, как характер действия эфирных масел на менингококк (Neisseria meningitidis): по мере увеличения разведения эфирного масла парадоксальным образом возрастает его антимикробная эффективность, что открывает путь к формированию принципиально новой тактики воздействия на возбудителей. Ключевые проблемы сегодня упираются в невоспроизводимость химического состава и фармакологической активности из-за выраженного морфологического и химического полиморфизма растений, а также в критический разрыв между лабораторными разработками и рутинной клинической практикой. Преодолеть этот барьер и получить гарантированно стандартное сырьё без методов агробиофотоники попросту невозможно.
В заключительной части доклада необходимо коснуться проблемы старения организма. Сегодня основным общепризнанным механизмом старения считается так называемый инфлеймэйджинг (inflammaging), или воспалительное старение, когда в органах накапливается избыточное число сенесцентных (состарившихся) клеток, которые не подвергаются естественной гибели и непрерывно поддерживают патологический системный воспалительный фон. Любой человек предпочёл бы выглядеть бодрым и здоровым: в экспериментах животное до и после введения препарата, селективно уничтожающего сенесцентные клетки, демонстрирует кардинальное омоложение внешнего вида и двигательной активности, а продолжительность жизни таких мышей возрастает до двадцати %. Эти научные публикации читают не только специалисты, но и пациенты, которые уже приходят на амбулаторный приём, самостоятельно принимая с профилактической целью комбинацию кверцетина и противоопухолевого препарата дазатиниба ради гипотетического омоложения. Нам необходимо двигаться вперёд опережающими темпами, чтобы профессионально управлять этими процессами, а не просто догонять инициативу пациентов.
Существует широкий спектр природных сеноморфиков, изменяющих патологические свойства стареющих клеток, и сенолитиков, вызывающих их гибель. К ним относятся биологически активные вещества растительного происхождения: кверцетин, физетин из клубники, ресвератрол из красного винограда, пиперин и родственные алкалоиды перца. Для их клинического внедрения необходимы глубокие исследования, поскольку точные режимы дозирования и профили безопасности для конкретных категорий людей пока до конца не изучены. Именно агробиофотоника через точечную световую модуляцию биосинтеза способна дать колоссальные перспективы для многократного повышения концентрации, выхода и биологической активности сенолитиков и сеноморфиков в растительном сырье.
Не менее важным фактором выступает и фармакогенетика индивидуального отклика человеческого организма на фитосоединения. В этом направлении сейчас разворачиваются активные изыскания. Только объединив усилия медиков и специалистов в области сельскохозяйственных наук в условиях междисциплинарной кооперации, мы сможем эффективно использовать прорывные достижения агробиофотоники как для преодоления глобального кризиса антибиотикорезистентности, так и для обеспечения здорового, активного долголетия.
Итак, индустрия
Хочу представить инновационную технологию «Фитопирамида», автором-разработчиком и руководителем которой я являюсь, – выступил в завершение изобретатель Александр Селянский. – Данная разработка предназначена для культивирования различных овощных и ягодных культур и служит технологической основой современного растениеводства в закрытых помещениях с контролируемой средой.
Вертикальные фермы представляют собой новое направление сельскохозяйственного производства. Человечество вынуждено переносить выращивание растений в закрытые пространства в силу целого ряда объективных причин. Прежде всего, это стремительное глобальное изменение климата. Полностью контролируемая среда создаёт оптимальные условия для глубокого раскрытия биологического потенциала культур и кардинально снижает риски потери урожая. Подобные технологии обеспечивают более высокий выход готовой продукции с единицы площади, существенную экономию воды и минеральных удобрений, а также экологическую чистоту получаемых продуктов: многоярусные установки и многоэтажные агрокомплексы позволяют сократить занимаемую производственную площадь при одновременном кратном росте валового сбора.
Другим мощным фактором выступает стремительный рост городского населения при параллельном оттоке жителей из сельской местности, что влечёт за собой растущий спрос на продовольствие на фоне дефицита рабочих рук на земле. Возникает насущная необходимость перемещения производственных площадок ближе к непосредственным центрам потребления, что кардинально сокращает логистические цепочки. Глобальные тренды подтверждают эту тенденцию: ёмкость мирового рынка вертикальных ферм увеличивается примерно в три раза каждые пять лет. Основными драйверами этого процесса служат урбанизация, повышение доходов на душу населения и растущее внимание общества к собственному здоровью. Современные технологии закрытого грунта тождественны понятию управляемого выращивания: они гарантируют точный контроль накопления ценных биологически активных веществ и предотвращают образование нежелательных примесей, формируя прогнозируемое качество продукции и способствуя оздоровлению населения.
На сегодняшний день на рынке разрабатывается множество разноплановых, порой весьма экзотических инженерных конструкций, однако коммерческий успех ждёт лишь тех, кто сможет предложить технологически и экономически сбалансированное решение. При оценке таких установок в первую очередь учитываются технологичность изготовления, простота монтажа и текущей эксплуатации оборудования, стоимость самой системы и её последующего сервисного обслуживания, а также возможность быстрой интеграции комплексов в существующие здания и сооружения индустриальной инфраструктуры. Не менее значимы показатели удельной продуктивности, эксплуатационных затрат и общей экономики проекта, технологичность производственных процессов, включая удобство посадки, ухода за культурами, сбора урожая, быстрого удаления растительных остатков и проведения фитосанитарных мероприятий. Критически важным критерием остаётся экологическая безопасность систем: организация рециркуляции и возврата питательного раствора, отсутствие или минимизация субстрата, а также сложность утилизации отработанных материалов и вегетативной массы. Данный аспект особенно актуален для северных территорий с уязвимой экосистемой, куда завоз субстратов сопряжён с колоссальными транспортными расходами, а их последующая утилизация на месте практически невозможна.
Анализируя мировой опыт на примере тройки лидеров отрасли – компании ECO 1 из Объединённых Арабских Эмиратов, являющейся крупнейшим вертикальным комплексом в мире, японской Spread, лидирующей в азиатском регионе, и гонконгской Farm66, представляющей собой передовое крытое производство, – можно заметить общую деталь: на их производственных снимках полностью отсутствуют плодоносящие овощи. Экспертное сообщество справедливо выражает скепсис относительно того, как адепты вертикального земледелия планируют накормить человечество, ограничиваясь исключительно салатом и петрушкой. Попытки отечественных компаний выйти в сегмент плодоносящих овощных культур на закрытых площадках со светодиодным облучением также не дали тиражируемого успеха. Компания iFarm опиралась на методику приливно-отливной гидропоники на стеллажах и этажерках, а группа «Агрорус» (АТЭК) применяла малообъёмную гидропонику на минераловатных матах с капельным поливом. Ни один из этих проектов пока не продемонстрировал показателей, которые можно было бы принять за устойчивый отраслевой стандарт и масштабировать в промышленную серию, что диктует необходимость поиска принципиально иных агротехнических концепций.
В качестве альтернативы мы разработали технологию бессубстратного выращивания растений на вертикальных вегетационных установках «Фитопирамида» аэроводным способом. В зависимости от целевой культуры количество ярусов в таких системах варьируется от одного до восьми. Установка представляет собой пространственный каркас, на котором по ярусам смонтированы специализированные вегетационные трубы. Эту разработку принципиально не стоит путать с типовыми А-образными установками сторонних производителей: наше решение не имеет с ними ничего общего ни по конструктивному исполнению, ни по схеме питания корневой зоны.
Ключевым звеном технологии выступает оригинальная организация корневого питания. Питательный раствор подаётся в корневую зону по строго заданному регламенту методом периодического затопления («прилив – слив»), благодаря чему культура гарантированно получает сбалансированное минеральное питание и беспрепятственный доступ к кислороду. Корневая система размещается в перфорированных стаканчиках-контейнерах и свободно разрастается в условиях непрерывной аэрации. Любой субстрат, за исключением микроскопического объёма для первоначального высева семян, в технологии полностью отсутствует. Преобладающую часть вегетационного цикла корни находятся не в толще жидкого раствора, а во влажной воздушной среде, за счёт чего простыми, надёжными инженерными решениями достигается выраженный эффект аэропоники с максимально возможной аэрацией корневого пространства, что формирует идеальные условия для развития как корней, так и надземной биомассы.
Простота и надёжность применённых инженерных узлов обеспечивают высокую живучесть всей системы: она спроектирована так, что даже полное аварийное обесточивание объекта в течение суток не наносит посадкам критического вреда. Оборудование и комплектующие не требуют неподъёмных капитальных инвестиций и целиком производятся из отечественных материалов.
Многоярусные вегетационные модули «Фитопирамида» на практике подтвердили свою исключительную технологическую и биологическую эффективность при круглогодичном выращивании овощей в закрытых помещениях на искусственном электрическом досвечивании. Наш частный пилотный фитомодуль, успешно функционировавший на базе Института овощеводства, продемонстрировал абсолютную универсальность конструкции. В отличие от многоярусных стеллажных этажерок, пригодных исключительно для выгонки салатов и пряной зелени, на «Фитопирамиде» стабильно плодоносят ведущие овощные культуры: огурец, томат, баклажан, перец, а также весь спектр салатно-зеленных культур.
Среди других ключевых преимуществ нашей разработки выделяются конструктивная простота установок в сравнении с громоздкими стеллажами, отличная естественная вентиляция растительного ценоза вдоль наклонных вегетационных плоскостей, а также свобода комбинирования различных источников оптического излучения, включая светодиодные модули и натриевые лампы высокого давления. Расположение светильников вдоль технологических проходов позволяет внедрять динамические схемы освещения с регулировкой спектрального состава и применением подвижных световых линий, имитирующих естественный суточный ход солнца. Растения получают эффективную боковую подсветку по всему объёму кроны, а персонал имеет прямой, удобный доступ для обслуживания всего светотехнического оборудования.
Об авторе
