Симулятор фотосинтезу рослин — це інтерактивна цифрова модель, віджет або програмне забезпечення, яке дозволяє віртуально відтворювати, вивчати та тестувати процес фотосинтезу залежно від різних умов навколишнього середовища.

Наш симулятор фотосинтезу може бути дуже корисним для оцінки та перевірки мікроклімату у вашому гроубоксі, гроурумі або теплиці. Особливо якщо використовується балон з CO₂ та якісні світлодіодні фітолампи. Симулятор має передналаштування для томатів, салату, полуниці та "медичних помідорів", що дуже зручно. Також наш симулятор підійде для власників сітіферм.

Бувають ситуації, коли начебто з кліматом все добре, температура та вологість ідеальна, світло із запасом, а рослини не ростуть. Ось тут симулятор фотосинтезу якраз показує, який ресурс зараз у дефіциті і що реально дасть приріст, а що ви просто оплатите в рахунку за електрику.

Перш ніж крутити повзунки, варто розібратися, що за літери та скорочення світяться на панелі.

Наука за цифрами: словник термінів

• Фотосинтез (A, нетто-асиміляція) — чиста швидкість, з якою лист зв'язує вуглекислий газ, за вирахуванням того, що сам же видихає. Вимірюється в µmol CO₂·m⁻²·s⁻¹ — мікромолях CO₂ на квадратний метр листа в секунду. Саме A у підсумку перетворюється на цукри, а цукри — на масу плодів, шишок (звісно соснових, ви чого?) або зелені.
• PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density) — щільність потоку фотосинтетично активних фотонів. Це кількість «корисних» квантів світла (400–700 нм), що падають на квадратний метр за секунду. Рослині важливі не люкси (вони про сприйняття оком), а саме кванти, тому світло рахують у PPFD.
• C₃-рослини — переважна більшість культур: томат, салат, полуниця, «медичні помідори». У них перший продукт фіксації CO₂ — тривуглецева молекула. Такі рослини сильно відгукуються на підйом CO₂, на відміну від C₄ (кукурудза, сорго).
• Модель Фаркуара — фон Каєммерера — Беррі (FvCB) — міжнародний стандарт опису фотосинтезу C₃-листа, опублікований ще в 1980-му і з тих пір перевірений тисячами робіт. Її суть в одному рядку: A = min(A_c, A_j) − R_a. Швидкість завжди задає найдефіцитніший з ресурсів — це закон мінімуму Лібіха, зашитий прямо в математику.
• Рубіско (RuBisCO) — фермент, який «пришиває» CO₂ до акцептора. Наймасовіший білок на Землі й одночасно головне вузьке місце фотосинтезу.
• A_c (Рубіско/CO₂-ліміт) — максимум, який здатен видати фермент при поточних CO₂ та температурі. Коли світла вистачає, але вуглекислого газу мало, лист впирається саме в A_c — і тоді допомагає збагачення CO₂, а не нові лампи.
• Vcmax(T) — максимальна швидкість карбоксилювання Рубіско, що залежить від температури. Грубо кажучи, «об'єм двигуна» листа.
• A_j (світло/RuBP-ліміт) — швидкість, обмежена регенерацією акцептора RuBP, яка живиться енергією світла. Коли світла мало, лист впирається в A_j, і подача CO₂ у цей момент майже марна — переробляти газ нічим.
• J та Jmax(T): J — швидкість електронного транспорту, потік енергії від спійманого світла до біохімічної «фабрики». Jmax(T) — її температурна стеля. Чим яскравіше світло, тим ближче J підбирається до Jmax.
• R_a (дихання) — лист і вдень, і вночі витрачає частину вуглеводів на власне життя, виділяючи CO₂. Тому в темряві та при слабкому світлі A йде в мінус — рослина віддає вуглець, а не запасає.
• Γ* (компенсаційна точка по CO₂) — концентрація, при якій фотосинтез рівно врівноважує дихання (A ≈ 0). Нижче неї лист працює у збиток.
• C_i (внутрішньоклітинний CO₂) — концентрація газу не в кімнаті, а всередині листа, у міжклітинниках, куди він потрапляє через продихи. Саме C_i «бачить» Рубіско, і він завжди нижчий, ніж CO₂ у повітрі.
• g_s (продихова провідність) — наскільки відкриті продихи — мікроскопічні пори на листі. Ширше відкриті — більше CO₂ заходить всередину, але й більше води випаровується.
• VPD (дефіцит тиску водяної пари, kPa) — показник того, наскільки повітря «сухе» відносно насичення. Високий VPD означає сушу: рослина прикриває продихи, щоб не пересохнути, і заодно ріже собі надходження CO₂.
• Зв'язка продихів по Medlyn 2011 — так описується залежність між вологістю, VPD та відкритістю продихів. У симуляторі ланцюжок чесний: вологість → VPD → g_s, а C_i не виставляється вручну, а дораховується ітеративно з балансу «скільки CO₂ увійшло проти того, скільки встигло зв'язатися». Завдяки цьому вологість стає повноцінним фактором, а не декорацією.
• Температурні залежності по Bernacchi 2001 — набір перевірених формул, через які у кожної культури свій температурний оптимум і чесний спад (і на холоді, і на спеці), а не просто «чим тепліше, тим краще».

Як користуватися симулятором

Все зводиться до вибору культури та чотирьох повзунків.

Зверху виберіть рослину — томат, «медичні помідори», салат або полуницю: у кожного свій мотор і свій оптимум. Далі крутіть чотири повзунки: Світло (PPFD), Температуру листа, CO₂ та Вологість повітря. Велике число в центрі — та сама нетто-асиміляція A. Кільце поруч показує, скільки це у відсотках від стелі даної культури, а кольоровий бейдж прямо говорить, що зараз у дефіциті: світло, CO₂ або високий VPD. Нижче йдуть службові величини — C_i, g_s, VPD, A_c, A_j, R_a, Vcmax(T), Jmax(T) — для тих, хто хоче копнути глибше. Кнопки-пресети («Теплиця», «Збагачення CO₂», «Сухе повітря», «Тепловий стрес») миттєво ставлять типові сценарії.

Важливо: Модель фотосинтезу працює коректно тільки при правильному мікрокліматі. Якщо ви визначили, що ваш лист «душиться» через високу температуру або сухість, перевірте параметри VPD - перейти до калькулятора VPD

Що показують чотири графіки

Графік перемикається між чотирма осями, і кожна — це окрема крива відгуку:

• A / світло — як росте фотосинтез з яскравістю. Добре видно точку, де крива виходить на плато: далі лампи вже майже не допомагають.
• A / CO₂ — відгук на вуглекислий газ. Крива круто йде вгору — збагачення окупиться; крива полога — ви вже в насиченні, додавати газ безглуздо.
• A / T — температурний дзвін з оптимумом і спадами по краях. Показує, де у культури починається перегрів або переохолодження.
• A / вологість — як VPD через продихи тягне за собою все інше.

На кожному графіку три лінії: янтарна (A_c, ліміт Рубіско), блакитна (A_j, ліміт світла) та зелена (підсумкова A). Точка перетину янтарної та блакитної — це момент, де одне вузьке місце змінюється іншим. А кружок на кривій показує, де саме ви зараз стоїте.

Це симулятор, а не вимірювальний прилад — це нормально!

Важливо розуміти: віджет не вимірює ваш конкретний лист. Він рахує поведінку усередненого листа за літературними параметрами, прирівнює температуру листа до температури повітря і не враховує полог, обдув, живлення та стадію росту. Тому числа — це «куди і приблизно наскільки», а не паспортні значення для налаштування клімату.

Зате як тренажер логіки він гранично наочний і абсолютно безкоштовний. За хвилину ви своїми очима бачите те, на що зазвичай йдуть роки інтуїції: чому при яскравому світлі та 400 ppm ріст став (вперлися в CO₂), чому в сухому боксі лист «душиться» навіть при ідеальному світлі та чому у салату і «медичних помідорів» абсолютно різні оптимуми.

Навіщо потрібен такий складний симулятор фотосинтезу?

Урожай — це, спрощено, накопичений за цикл фотосинтез. Кожен µmol CO₂, який лист зв'язав, перетворюється на майбутню біомасу. Тому прибрати поточне вузьке місце напряму конвертується в прибавку маси: підняти CO₂, коли лист вуглецево голодує; виправити VPD, коли продихи закриті; не палити зайве світло, яке вже не засвоюється.

Головна цінність тут — економія грошей та помилок. Замість того щоб наосліп «залити все по максимуму» і платити за електрику, CO₂ та боротьбу зі спекою, ви спочатку дивитеся, який важіль реально працює у вашій конкретній ситуації, — а вже потім крутите його в реальному боксі. Розуміння того, що саме гальмує фотосинтез прямо зараз, і є найкоротший шлях до стабільного врожаю.

Я дуже сподіваюся що віджет допоможе новачкам і навіть просунутим гроверам знайти і вирішити їхні поточні проблеми, дізнатися щось для себе нове і прокачати свої навички у вирощуванні рослин під фітолампами в гроубоксах або теплицях! Всім гарних врожаїв!