ES2959320T3 - Iluminación transicional para acompasar los ritmos biológicos - Google Patents
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Abstract
Un sistema de iluminación biológica para proporcionar salida de flujo de fotones modulada temporal y espacialmente y distribuciones de energía espectral a las plantas en forma circadiana y circanual, o circadiana y ciclo de vida, para maximizar el crecimiento efectivo y eficiente en un entorno hortícola. El flujo de fotones o la salida de irradiancia y la distribución de energía espectral se modulan para que coincidan con los ritmos circadianos y circaanuales, con luminarias individuales o múltiples controladas a través de uno o más controladores. Dependiendo de la dirección de la iluminación se pueden utilizar diferentes espectros de iluminación. El flujo de fotones o la salida de irradiancia y la distribución de potencia espectral se pueden configurar como mejor se adapten a cualquier especie de planta en particular, y el sistema también es útil para criar animales. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Iluminación transicional para acompasar los ritmos biológicos
Campo técnico
El objeto de la presente invención se refiere al campo de los sistemas de iluminación biológica y, más concretamente, al suministro de distribuciones de potencia espectral moduladas temporal y espacialmente a plantas y animales de forma circadiana para controlar los ritmos circadianos, y también de forma anual o según el ciclo vital.
Antecedentes
Los biólogos saben desde hace tiempo que las plantas y los animales tienen ritmos circadianos y circanuales, en los que sus funciones biológicas varían diaria y anualmente. Estos ritmos se generan de forma endógena y autosostenida, de modo que persisten en ausencia de señales temporales ambientales o "zeitgebers" Las plantas con flores son ejemplos obvios, ya que la mayoría de las flores se abren o se cierran al amanecer y al anochecer. Un ejemplo que demuestra la naturaleza autosostenida de los ritmos circadianos es la sensible planta heliotropoMimosa púdica,cuyas hojas se caen por la noche, incluso cuando la planta se mantiene en constante oscuridad. En los animales, el sueño es el ejemplo más obvio de los ritmos circadianos, pero hay muchos más, como la eficiencia cardiovascular, la presión arterial, los movimientos intestinales, el estado de alerta y el apetito. Del mismo modo, existen otras muchas funciones biológicas en las plantas que muestran ritmos circadianos, como el movimiento de las hojas y las flores y la secreción de néctar (McClung, C. R., 2001, "Circadian Rhythms in Plants", Annual Review of Plant Physiology 52:139-162). Más sutilmente, se producen cambios bioquímicos a nivel celular que preparan a las plantas para temperaturas más frías por la noche, regulan la apertura y cierre de los estomas para el intercambio de gases, anticipan posibles infecciones por patógenos, producen cera para evitar la pérdida de agua y sintetizan moléculas que eliminarán las especies reactivas del oxígeno antes del amanecer y protegerán contra el exceso de luz solar durante el día. Kamioka, M. et al., 2016, "Direct Repression of Evening Genes by Circadian Clock-Associated 1 in the Arabidopsis Circadian Clock", The Plant Cell 28:696-711 demostraron que la expresión génica diaria se produce a menudo con horas de antelación, y en vías bioquímicas muy complejas, que controlan diversos mecanismos necesarios para la salud y la supervivencia de las plantas.
Las plantas también presentan ritmos anuales, como la pérdida de hojas en otoño en los árboles de hoja caduca o el crecimiento anual de los anillos de los árboles. (Al igual que los mamíferos, reptiles y anfibios que viven en climas con temperaturas más frías, los árboles y las plantas perennes hibernan durante los meses de invierno). Más sutilmente, las plantas con flor de los climas templados se ven influidas por la duración del día. Las plantas denominadas "de día corto" florecen cuando la duración de la noche ("skotoperiodo") supera su "fotoperiodo" crítico, mientras que las plantas "de día largo" florecen cuando el skotoperiodo es inferior a su fotoperiodo crítico. (Algunas plantas con floración "de día neutro" dependen de otras señales ambientales, como los periodos de baja temperatura)
Las plantas dependen de proteínas fotorreceptoras ("fotopigmentos"), como los fitocromos (que son sensibles a la luz roja), para determinar la duración de la noche e iniciar así la floración en el momento adecuado (véase por ejemplo, Smith, H., 2000, "Phytochromes and Light Signal Perception by Plants - An Emerging Synthesis," Nature 407:585-591). Las funciones de estos fotopigmentos se determinan cultivando plantas modificadas genéticamente en las que no se expresan los genes responsables de la biosíntesis de los fotopigmentos. Los floricultores utilizan lámparas incandescentes y, más recientemente, diodos emisores de luz roja (LED) para influir en la germinación de las semillas, el desarrollo de las hojas y el alargamiento de los tallos, así como para promover o suprimir la floración en plantas fotoperiódicas. Esto es posible porque el papel de los fitocromos se conoce bien desde hace muchas décadas y las respuestas de las plantas son claramente evidentes.
Asumiendo generalmente que los fotopigmentos, como los fitocromos, son los únicos responsables de las respuestas fotoperiódicas, la investigación hortícola se ha centrado hasta la fecha en el flujo de fotones suministrado a las plantas diariamente. Esta es la base de la "integral de luz diaria" (ILD), que se mide en moles de fotones recibidos por metro cuadrado en un periodo de 24 horas. Los horticultores han documentado las integrales diarias de luz de la mayoría de los cultivos de importancia económica y utilizan esta información para determinar la idoneidad de diversas regiones climáticas para su producción. (Los ritmos circanuales se contabilizan mediante los "grados-día de crecimiento", una métrica que se basa en la temperatura ambiente y no en la luz diurna disponible)
La integral de luz diaria como métrica para predecir el crecimiento de las plantas es, sin embargo, quizás demasiado simplista. Como describen Blanchard, M. G. y E. S. Runkle, 2016, "Investigating Reciprocity of Intensity and Duration of Photoperiodic Lighting to Regulate Flowering of Long-Day Plants", Acta Horticulturae 1134:41-48, la relación entre la densidad de flujo de fotones en el dosel de la planta (medida en micromoles por metro cuadrado por segundo, o |jmol/m2-seg) y el factor de servicio de la exposición cíclica (por ejemplo, 2 minutos cada 45 minutos frente a la exposición continua) no es necesariamente lineal, sino que depende de la especie vegetal.
Por lo tanto, el funcionamiento fiable de los relojes circadianos endógenos es fundamental para los ritmos circadianos y circanuales de las plantas. Sin señales ambientales diarias, los periodos del reloj circadiano de funcionamiento libre suelen ser inferiores a 24 horas (McCIung 2001.) Como muestran Dodd, A. N., et al., 2005, "Plant Circadian Clocks Increase Photosynthesis, Growth, Survival, and Competitive Advantage," Science 309:630-633, las plantas con ritmos circadianos ajustados contienen más clorofila, fijan más carbono, crecen más rápido y sobreviven mejor. Del mismo modo, muchos estudios han demostrado que la alteración del ritmo circadiano en animales, el "jet lag" en seres humanos es un buen ejemplo, repercute negativamente en la salud y el bienestar de los animales a largo plazo. Por lo tanto, es importante comprender las señales ambientales que sirven para ajustar los ritmos circadiano y circanual a sus periodos diario y anual, respectivamente.
Acompasamiento del ritmo circadiano
Walmsley, L., et al., 2015, "Colour as a Signal for Entraining the Mammalian Circadian Clock," PLOS Biology 13(4):e1002127, son los investigadores que estudiaron el acompasamiento de los ritmos circadianos y circanuales en ratones salvajes. Señalaron que la irradiación diurna puede no ser el indicador más fiable para controlar sus ritmos circadianos y circanuales. En particular, la irradiancia diurna puede variar notable y rápidamente de un minuto a otro y de un día a otro, en función de la nubosidad. Sin embargo, el color medio de la luz del día es notablemente constante de un día para otro. (Como señalan Lee, R. L., y J. Hernández-Andrés, 2006, "Colour of the Daytime Overcast Sky", Applied Optics 44(27):5712-5722, las nubes difuminan la luz diurna, pero rara vez cambian su color medio, expresado como temperatura de color correlacionada. Además, el color sólo varía lentamente durante la mayor parte del día, salvo al amanecer y al anochecer) Según Walmsley et al. (2015), la relación entre la luz amarilla y la azul, o lo que ellos denominan "color relativo", varía mucho menos que la irradiancia de la luz diurna (FIG. 1). Demostraron que, al menos en el caso de los ratones salvajes, es más probable que la sincronización del ritmo circadiano se deba a cambios en el color medio del cielo al amanecer y al anochecer que a cambios en la irradiación de la luz diurna.
Walmsley et al. (2015) también informaron de que la relación entre la luz amarilla y la azul varía sistemáticamente en un factor de tres durante un período de 30 minutos al amanecer y al atardecer, independientemente de si el cielo está despejado o nublado (FIG. 2). Brown, T M., 2016, "Using Light to Tell the Time of Day: Sensory Coding in the Mammalian Circadian Visual Network," Journal of Experimental Biology 219:1779-1792; también informaron de cambios notables en la distribución de la potencia espectral de la luz diurna entre una inclinación solar de seis grados antes y después de la puesta del sol (FIG. 3).
Brown (2016) señaló además que los peces, los reptiles y posiblemente las aves tienen la capacidad de distinguir el color con sus órganos pineal y parietal. Incluso algunos plancton, como los dinoflagelados, confían en el color para controlar sus ritmos circadianos, utilizando la rodopsina, la clorofila y otro fotopigmento desconocido (Roenneberg, R., y R. G. Foster, 1997, "Twilight Times: Light and the Circadian Rhythms," Photochemistry and Photobiology 66(5):549-562).
Otro ejemplo fue reportado por Sweeney, A. M. et al., 2011, "Twilight Spectral Dynamics and the Coral Reef Invertebrate Spawning Response," Journal of Experimental Biology 214:770-777, en el que el desove sincronizado anual de los corales está determinado principalmente por los cambios en el color crepuscular y la irradiancia en las noches inmediatamente anteriores y posteriores a la luna llena.
Teniendo en cuenta estos ejemplos y otros más (p. ej., Brown 2016), es evidente que los cambios en el color de la luz diurna durante el crepúsculo son un factor importante para controlar los ritmos circadianos y circanuales en todo el reino animal.
Fusión de datos
La fusión de datos es el proceso de integración de múltiples fuentes de datos para producir información más consistente, precisa y útil que la proporcionada por cualquier fuente de datos individual. Mientras que Walmsley et al. (2015) concluyeron que los ratones silvestres utilizan el color de la luz del día en lugar de la irradiancia para encadenar sus ritmos circadianos, es más probable que los ratones combinen las dos señales de entrada, como se muestra en la FIG. 1. En términos de diseño de bucle de enganche de fase (en el que los ritmos circadianos se consideran osciladores biológicos, véase Rascher, U. et al., 2001, "Spatiotemporal Variation of Metabolism in a Plant Circadian Rhythm: The Biological Clock as an Assembly of Coupled Individual Oscillators," PNAS 98(20):11801-11805), un pulso periódico repentino pero consistente al amanecer y al anochecer es mejor para el acompasamiento que una señal aleatoriamente variable y ruidosa como la irradiación variable de la luz diurna.
Brown (2016) et al. han informado además de que los animales utilizan un "mecanismo de compuerta temporal" para los fotorreceptores, en el que la respuesta a las entradas de los fotorreceptores sin imagen (células ganglionares retinianas intrínsecamente fotosensibles, o ipRGC, en la retina humana) varía en función de la hora del día. El objetivo de este mecanismo parece ser maximizar la sensibilidad a los cambios de color e irradiación de la luz diurna al amanecer y al atardecer, ignorando dichos cambios durante el día. En otras palabras, las señales de entrada se preacondicionan temporalmente para maximizar su utilidad en la sincronización del rendimiento del bucle de enganche de fase de los relojes circadianos.
Las plantas parecen tener un mecanismo de compuerta similar, en el que son sensibles a los cambios en la luz roja al atardecer y la luz azul al amanecer (véanse, por ejemplo, Hanyu, H., y K. Shoji, 2002, "Acceleration of Growth in Spinach by Short-term Exposure to Red and Blue Light at the Beginning and at the End of the Daily Dark Period," Acta Horticulturae 580:145-150 y Ohashi-Kaneko, et al., 2010, "Low-light Irradiation at the Beginning or the End of the Daily Dark Period Accelerates Leaf Expansion and Growth in Spinacia oleracea L.", Environmental Control in Biology 48(4):161-173).
Además, es bien sabido que las plantas sincronizan sus relojes circadianos en respuesta a los cambios en la relación entre la luz roja y la luz roja lejana (R:FR) al final del día (véase, por ejemplo, Demotes-Mainard, S., et al., 2016, "Plant Responses to Red and Far-red Light, Applications in Horticulture", Environmental and Experimental Botany 121:4-21). La relación R:FR de la luz solar directa es de aproximadamente 1,3 durante la mayor parte del día, pero se aproxima a 0,6 más o menos durante el crepúsculo. Cada molécula de fitocromo tiene dos estados llamados "isoformas" Si se deja en la oscuridad durante varias horas, vuelve a un estado denominado Pr, en el que absorbe fuertemente la luz roja. Si una molécula de fitocromo en este estado absorbe un fotón rojo, cambia a su estado Pfr, en el que absorbe la radiación roja lejana. Si la molécula absorbe un fotón rojo lejano, vuelve a su estado Pr. En su estado Pfr, la molécula es biológicamente activa y puede interactuar con la maquinaria molecular de la planta. Por ello, el fitocromo puede considerarse un interruptor biológico reversible que puede activar o inhibir diversas funciones de las plantas. La relación R:FR es, por tanto, otro zeitgeber circadiano, comúnmente utilizado por los floricultores para adelantar o retrasar la floración irradiando las plantas por la noche ("iluminación nocturna") para alterar sus ritmos circadianos.
Como podría esperarse con los bucles de bloqueo de fase, los pulsos de luz eléctrica presentados a los animales poco antes del amanecer pueden adelantar la fase del reloj circadiano, mientras que los pulsos de luz eléctrica poco después del anochecer pueden retrasar la fase del reloj. Si el periodo intrínseco del reloj biológico es inferior a 24 horas, el animal utilizará principalmente la luz del crepúsculo para el acompasamiento. Si, por el contrario, el periodo intrínseco es superior a 24 horas, el animal utilizará principalmente la luz del amanecer para el acompasamiento. Refiriéndose a las plantas, McClung (2001) observó que las plantas utilizan tanto la luz como la temperatura como señales de entrada para el acompasamiento del ritmo circadiano, y probablemente realizan una fusión de datos sobre estas señales para obtener una señal de acompasamiento estadísticamente más significativa para los ritmos circadianos y circanuales. Aunque McClung y otros no lo han comentado, las condiciones ambientales que varían anualmente, como el contenido de humedad del suelo, la acidez del suelo, el contenido de sal, la disponibilidad de nutrientes, la concentración de dióxido de carbono (en invernaderos cerrados y granjas verticales) y el viento, también pueden intervenir en el acompasamiento del ritmo anual.
Fotorreceptores vegetales
Por supuesto, las plantas no pueden "ver" el color en el sentido en que lo hacen los animales y, en particular, los mamíferos. El sistema visual humano, por ejemplo, depende de las opsinas, incluidas la rodopsina, la melanopsina y posiblemente la neuropsina (Brown 2016), y la visión del color la confieren las opsinas OPN1LW, OPN1MW y OPN1SW (por ejemplo, Terakita, A., 2005, "The Opsins", Genome Biology 6:213). Los ratones silvestres tienen opsinas similares pero no idénticas que son sensibles a la luz amarilla y a la radiación ultravioleta (Walmsley et al.
2015).
Aunque las plantas no puedan "ver" en el sentido de imágenes visuales, son capaces de percibir el color de la luz diurna y de la iluminación eléctrica debido a las características de absorbancia espectral de varias clases conocidas de fotorreceptores vegetales (véase, por ejemplo, Briggs, W. R. y M. A. Olney, 2001, "Photoreceptors in Plant Photomorphogensis to Date"), Briggs, W. R., y M. A. Olney, 2001, "Photoreceptors in Plant Photomorphogensis to Date. Five Phytochromes, Two Cryptochromes, One Phototropin, and One Superchrome" (Cinco fitocromos, dos criptocromos, una fototropina y un supercromo), Plant Physiology 125:85-88): fitocromos (luz roja), criptocromos (luz azul), fototropinas (luz azul), UVR8 (radiación ultravioleta) y criptocromos (luz azul). Así pues, aunque las plantas no vean el color en ningún sentido visual, sí que son capaces de percibir diferencias en la distribución de la potencia espectral de la luz diurna y la iluminación eléctrica que nosotros podemos percibir como colores diferentes. En este contexto, se hace referencia al documento US2015/0223402 A1.
Radiación infrarroja
Como se señala en ASABE, 2016, "ANSI/ASABE S640: Quantities and Units of Electromagnetic Radiation for Plants (Photosynthetic Organisms)," American Society of Agricultural and Biological Engineers y en otros lugares, las longitudes de onda espectrales que los fotorreceptores de las plantas son capaces de percibir van de 280 nm (radiación ultravioleta-B) a 800 nm (luz roja lejana). Sin embargo, como informan Johnson, C. F. y otros, 1996, "Infrared Light-emitting Diode Radiation Causes Gravitropic and Morphological Effects in Dark-Grown Oat Seedlings," Photochemistry and Photobiology 63(2):238-242, las plantas también parecen ser capaces de percibir y responder a la radiación infrarroja cercana a aproximadamente 880 nm y 935 nm.
Un posible fotorreceptor de la radiación infrarroja cercana es la citocromo c oxidasa, que es un complejo proteico que se encuentra en las mitocondrias de todos los eucariotas. Es una enzima terminal de la cadena respiratoria, que regula la transferencia de electrones del citocromo al oxígeno molecular. Según informa Karu, T., 2010, "Múltiple Roles of Cytochrome c Oxidase in Mammalian Cells Under Action of Red and IR-A Radiation," Life 62(8):607-610, el citocromo C en células de mamíferos tiene un pico en su espectro de acción a 825 nm. Casualmente, las lámparas de sodio de alta presión (HPS) utilizadas a menudo para la iluminación eléctrica suplementaria en invernaderos y granjas avícolas tienen un fuerte pico espectral a 820 nm (FIG. 4).
Karu (2010) discute los efectos de la radiación infrarroja cercana (IR-A) en células de mamíferos, y en particular humanas. Señala, en particular, que la exposición a la radiación IR-A al amanecer puede preacondicionar los fibroblastos dérmicos contra los daños provocados por la exposición a la radiación ultravioleta durante el día. Aunque esto no puede considerarse una prueba definitiva para las plantas, la citocromo c oxidasa está presente en las mitocondrias de todas las plantas (véase, por ejemplo, Dahan, J., et al., 2014, "Disruption of the Cytochrome c Oxidase Deficientl Gene Leads to Cytochrome c Oxidase Depletion and Reorchestrated Respiratory Metabolism in Arabidopsis," Plant Physiology 166:1788-1802).
Esto es importante porque, como informan Poyton, R. O. y K. A. Ball, , 2011, "Therapeutic Photobiomodulation: Nitric Oxide and a Novel Function of Mitochondrial Cytochrome C Oxidase," Discovery Medicine 11(57):154-159la exposición a luz de baja intensidad (aunque a 590 nm en el caso de los seres humanos) aumenta la síntesis de óxido nítrico (NO) por la citocromo c oxidasa sin alterar su capacidad de reducir el oxígeno. El óxido nítrico, según Rio, L. A. et al., 2004, "Nitric Oxide and Nitric Oxide Synthase Activity in Plants," Phytochemistry 65:783-792, funciona como molécula de señalización intracelular e intercelular en las plantas. Según Beligni, M. V. y L. Lamattina, 2001, "Nitric Oxide in Plants: History has only just begun", Plant, Cell and Environment 24:267-278, la aplicación exógena de NO aumenta la tasa de expansión de las hojas, la elongación de tallos y raíces, retrasa la senescencia, acelera la germinación de las semillas y prolonga la vida de flores, frutas y hortalizas después de la cosecha.
Informes anecdóticos de horticultores han indicado que los pepinos, los tomates y las gerberas (margaritas africanas) no crecen tan bien bajo iluminación basada en LED como bajo iluminación HPS, incluso con valores comparables de radiación fotosintéticamente activa (PAR). Por lo tanto, se propone que la diferencia es la falta de radiación de 820 nm con la iluminación basada en LED, y que las luminarias hortícolas equipadas con LEDs infrarrojos cercanos con longitudes de onda pico entre aproximadamente 800 nm y 1000 nm, y que proporcionan niveles de irradiancia comparables a la iluminación HPS, darán como resultado una mejor salud y crecimiento de las plantas.
También es posible, basándose en la evidencia de la respuesta de la piel humana a la radiación infrarroja cercana al amanecer para preacondicionar la piel contra el daño de la radiación ultravioleta más tarde en el día (Karu 2010), que exista un mecanismo celular similar en las plantas, que también son susceptibles al daño de la radiación ultravioleta de sus hojas, tallos y flores. Por ello, las luminarias hortícolas equipadas con LEDs de infrarrojo cercano con longitudes de onda pico aportarían beneficios a las plantas cultivadas en invernaderos con iluminación suplementaria.
Sensores de direccionalidad
Se ha planteado la hipótesis de que las plantas pueden ser capaces de obtener imágenes de su entorno utilizando ocelos, o "puntos oculares" fotosensibles. Baluska, F., y S. Mancuso, 2016, "Vision in Plants via Plant-Specific Ocelli?",Trends in Plant Science21(9):727-730, por ejemplo, observaron que las células epidérmicas superiores de muchas hojas tienen forma de lentes convexas o planoconvexas, que a su vez son capaces de enfocar la luz sobre las células subepidérmicas fotosensibles. Esta hipótesis fue apoyada recientemente por Crepy, M. A. et al., 2015, "Photoreceptor-mediated Kin Recognition in Plants," New Phytologist 205:329-338, en el que las plantas deArabidopsis thalaniamostraron que reconocen visualmente a los parientes de las plantas y modifican su crecimiento en consecuencia.
Otras evidencias en apoyo de esta hipótesis proceden de Hayakawa, S. y otros, 2015, "Function and Evolutionary Origin of Unicellular Camera-Type Eye Structure", PLoS One 10(3):e0228415, que informaron que los oceloides de la familia de dinoflageladosWarnowiaceasefuncionan como ojos primitivos, lo que permite al plancton percibir la luz del día y nadar hacia ella para maximizar las oportunidades de fotosíntesis. Schuergers, N. et al., 2016, "Cyanobacteria Use Micro-optics to Sense Light Direction," eLife 5:e12620, informaron de capacidades similares en formas de vida aún más simples, lo que sugiere que las capacidades de visión primitiva no se limitan a los animales. Aunque aparentemente no se considera en la literatura, es posible que las hojas de las plantas puedan funcionar como lentes compuestas similares a las desarrolladas por insectos y crustáceos. Dado que la mayoría de las hojas se mueven con el viento, cualquier imagen percibida tendría una resolución muy baja. Sin embargo, esto puede ser suficiente para determinar, por ejemplo, la direccionalidad de la luz solar directa o la distribución espacial del color del cielo al amanecer y al atardecer. (Un ejemplo de esto del reino animal se presenta por Sumner-Rooney, L. et al., 2018, "Whole-body Photoreceptor Networks are Independent of 'Lenses' in Brittle Stars", Proc. Royal Society B 285(1871), en el que las células fotorreceptoras incrustadas en la piel de todo el cuerpo de las estrellas frágiles les permiten percibir sombras lejanas y evitar así a posibles depredadores)
El color del cielo en días despejados cerca del amanecer y del atardecer es típicamente diferente del color medio del cielo, debido a la dispersión Rayleigh de la luz azul y a la absorción de la luz roja por el ozono en la atmósfera (véase, por ejemplo, Hulburt, E. O., 1953, "Explanation of the Brightness and Colour of the Sky, Particularly the Twilight Sky," Journal of the Optical Society of America 43(2): 113-118). Más importante, sin embargo, es la diferencia espacial del color del cielo al atardecer y en el crepúsculo, que varía del amarillo y el rojo cerca del horizonte al azul en el cenit. Por lo tanto, es razonable plantear la hipótesis de que las plantas perciben la direccionalidad de la luz roja y azul al amanecer y al atardecer y utilizan la fusión de datos para extraer un zeitgeber más fiable para la sincronización del ritmo circadiano que basándose únicamente en el color de la luz diurna y la irradiancia.
También es posible que en lugar de depender de los ocelos putativos, las plantas perciban los cambios en la luz roja utilizando fitocromos sensibles al rojo y los cambios en la luz azul utilizando criptocromos y/o fototropinas sensibles al azul. Según Liscum et al., 2014, "Fototropismo: Growing Towards an Understanding of Plant Movement," The Plant Cell 26:38-55, plantas como el girasol siguen la trayectoria del sol durante el día mediante las fototropinas phot1 y phot2, que indican a las células madre que crezcan y giren así las flores en la dirección del sol. Se sabe que estos fotorreceptores intervienen en otras funciones de las plantas en respuesta a la luz azul, como la apertura estomática, el intercambio fotosintético de gases y la expansión, aplanamiento y posicionamiento de cotiledones y láminas foliares. Por lo tanto, es razonable suponer que las señales de las fototropinas (y posiblemente las de los criptocromos) se utilizarían con las señales de los fitocromos para la fusión de datos.
Cualquiera que sea el mecanismo subyacente, las plantas parecen ser capaces de percibir la distribución espacial y temporal, tanto de la distribución de la potencia espectral (es decir, el color) como de la irradiancia de la luz diurna a través de la bóveda celeste al amanecer y al anochecer. (También es concebible que las plantas puedan percibir la polarización de la luz diurna) Esto sugiere al menos ocho zeitgebers codependientes: la distribución vertical del color y la irradiancia desde el horizonte hasta el cenit, la distribución horizontal del color y la irradiancia desde la posición solar hasta la antisolar, y sus cambios temporales, que pueden combinarse mediante fusión de datos. Como propone, por ejemplo, Trewavas, A., 2003, "Aspects of Plant Intelligence", Annals of Botany 92: 1-20, tales capacidades pueden esperarse razonablemente de plantas superiores.
Crecimiento de las raíces
Como indica Mo, M. et al., 2015, "How and Why Do Root Apices Sense Light Under the Soil Surface?", Frontiers in Plant Science Vol. 6, Art. 775, las raíces de las plantas tienen fotorreceptores que detectan la luz del día que penetra hasta varios milímetros por debajo de la superficie. Estos fotorreceptores incluyen UVR8, criptocromos, fototropinas y fitocromos, aunque la luz roja y roja lejana penetra más profundamente que la luz azul y la radiación ultravioleta. Christiaens, A. et al., 2016, "Light Quality and Adventitious Rooting: A Mini-Review," Acta Horticulturae 1134:385-394, analizan 18 artículos sobre estudios de ensayo y error de cultivos de plantasin vitropara determinar los efectos de la luz visible de banda ancha y cuasimonocromática en el crecimiento de las raíces. Otros estudios han dilucidado el papel de la luz roja y roja lejana (p. ej, Correll, M. J., et al., 2005, "The Role of Phytochromes in Elongation and Gravitropism of Roots", Plant Cell Physiology 46(2):317-323) y la luz azul (p. ej, Kutschera, U., et al., 2012, "Root Phototropism: From Dogma to the Mechanism of Blue Light Perception," Planta 235:443-452), en términos de fotorreceptores y señalización de auxina, pero no tuvo en cuenta las respuestasin vivode las plantas en el campo a la luz natural del día.
Además de detectar la luz dispersa en el suelo, Lee, H.-J. et al., 2106, "Stem-piped Light Activates Phytochrome B to Trigger Light Responses in Arabidopsis thalania Roots," Science Signalling 9(452):ra106, demostraron que la luz ambiental que incide sobre las hojas y los tallos de las plantas se transmite a las raíces a través de los haces vasculares. Por tanto, los fotorreceptores de las raíces son potencialmente sensibles a los cambios de color de la luz diurna, incluidos los del amanecer y el atardecer.
Según un estudio realizado por Satbhai, S. y otros, 2015, “Underground Tuning: Quantitative Regulation of Root Growth,” Journal of Experimental Botany 66(4):1099-1112, la distribución de la potencia espectral de la irradiación por encima del suelo puede influir en la tasa de crecimiento de las raíces, la ramificación y la densidad capilar, lo que puede ser especialmente importante cuando las plantas se clonan a partir de esquejes. Como señalan Christiaens et al. (2016), sin embargo, la distribución de potencia espectral óptima para el desarrollo de las raíces puede ser subóptima para el crecimiento de los brotes por encima del suelo, y viceversa.
La Solicitud de Patente US Pub. N° 2018/0054974 divulga el uso de iluminación cercana al infrarrojo para promover el crecimiento y la producción de diversas plantas de cultivo, en las que las hojas, los tallos y las flores de las plantas se exponen a una combinación de radiación fotosintéticamente activa y radiación cercana al infrarrojo. Sin embargo, gran parte de la inteligencia de las plantas se dedica al comportamiento de las puntas de las raíces para localizar eficazmente los recursos hídricos y minerales en el suelo, por lo que el sistema radicular es el que más se beneficia de unas comunicaciones intercelulares eficaces. La radiación infrarroja cercana provoca un aumento de la producción de óxido nítrico por la citocromo c oxidasa (Poyton et al. 2011), y la radiación infrarroja cercana penetra más profundamente en el suelo que la luz visible. Por tanto, irradiar los sistemas radiculares de las plantas con radiación infrarroja cercana puede ser beneficioso para su salud y crecimiento.
Silva-Nava, J. y otros, 2015, "D-Root: A System for Cultivating Plants with the Roots in Darkness or Under Different Light Conditions," The Plant Journal 84:244-255, divulgan un aparato (Patente Española ES 1091883Y) para irradiar los sistemas radiculares de las plantas con LED o lámparas UV-B independientemente de la irradiancia sobre el suelo, pero sólo es práctico para fines de investigación utilizando cámaras de crecimiento controladas. Por lo tanto, se necesita un aparato que proporcione un control casi independiente de la irradiación de las plantas por encima y por debajo del suelo.
Iluminación de estado sólido
El advenimiento de la iluminación de estado sólido, en particular la disponibilidad de LED semiconductores de alto flujo con anchos de banda espectrales estrechos que abarcan el espectro fotobiológicamente activo de aproximadamente 280 nm a 800 nm y más allá, permite diseñar y fabricar luminarias hortícolas con distribuciones de potencia espectral controladas con precisión. Sin embargo, las investigaciones realizadas hasta la fecha han sido de ensayo y error, sin ninguna hipótesis subyacente (p. ej, Johkan, M., et al., 2012, "Effect of Green Light Wavelength and Intensity on Photomorphogenesis and Photosynthesis in Lactuca sativa", Environmental and Experimental Botany 75:128-133), o el enfoque reduccionista de observar los efectos de la edición del genoma de una sola especie vegetal, comoArabidopsis.
Empresas como Fluence Bioengineering (Austin, TX) y Lumigrow (Emeryville, CA) fabrican luminarias hortícolas con distribuciones de potencia espectral variables, que pueden preajustarse en función de si el horticultor o floricultor está interesado en propagar plántulas o esquejes, promover el crecimiento vegetativo o la floración. Del mismo modo, empresas como Once Innovations (Plymouth, MN) fabrican luminarias de producción ganadera para instalaciones de pollos, pavos y cerdos, y luminarias de acuicultura para piscifactorías. Los pollos, por ejemplo, pueden estar expuestos a la luz roja durante la cría para promover el crecimiento temprano y a la luz azul para mejorar los índices de conversión alimenticia, mejorar el comportamiento de las aves y otros objetivos de productividad deseados (véase Delabbio, J. L. 2018. "The Science of Poultry Lighting", Plymouth, MN: Once Innovations Inc.).
El documento EP 3016477 A1 se refiere a la iluminación de un espacio interior de forma que se produzcan efectos psicofisiológicos positivos en los usuarios humanos, controlándose la iluminación mediante la producción de una secuencia de valores pseudoaleatorios, y durante una duración determinada por un primer valor de dicha secuencia, alimentando con corriente eléctrica una o más fuentes de luz según un primer esquema de distribución de corriente para producir una iluminación con un primer espectro de emisión. Para una duración determinada por un segundo valor en dicha secuencia, se alimenta corriente eléctrica a dicha una o más fuentes de luz según un segundo esquema de distribución de corriente, que es diferente de dicho primer esquema de distribución de corriente, para producir iluminación con un segundo espectro de emisión que es diferente de dicho primer espectro de emisión. Estos pasos se repiten de modo que cada vez se utiliza un nuevo valor de dicha secuencia para determinar la duración.
El documento US 2016 023 017 A1 divulga sistemas, procedimientos y dispositivos de iluminación para proteger la función neuroendocrina circadiana humana durante el uso nocturno. Se pueden proporcionar condiciones de iluminación adecuadas para un entorno de trabajo protegiendo al mismo tiempo los sistemas neuroendocrinos circadianos de quienes ocupan el lugar de trabajo iluminado durante la noche. Los sistemas, procedimientos y dispositivos de iluminación pueden proporcionar una atenuación sustancial de la alteración circadiana patológica en los trabajadores nocturnos. Los sistemas, procedimientos y dispositivos de iluminación pueden atenuar las bandas específicas de luz implicadas en la alteración circadiana. Los sistemas, procedimientos y dispositivos de iluminación LED pueden proporcionar una mayor intensidad en una porción diferente del espectro que los LED convencionales, proporcionando una luz blanca utilizable incluso cuando las porciones desfavorables de la longitud de onda son atenuadas por un filtro de muesca. Los sistemas, procedimientos y dispositivos de iluminación LED pueden alternar entre una configuración diurna y una configuración nocturna, en la que la configuración diurna proporciona luz no filtrada y la configuración nocturna proporciona luz filtrada.
Sumario
La presente invención emula los cambios en el color del cielo, la distribución del color del cielo y la irradiancia del cielo para influir en la salud de las plantas, el crecimiento y la producción de flavonoides y otros extractos de plantas de utilidad medicinal a través de la inducción del ritmo circadiano y circanal. La invención también emula los cambios en el color del cielo, la distribución del color y la irradiancia para influir en la salud y el crecimiento de los animales a través de la inducción del ritmo circadiano y circanual.
Con el fin de promover la salud y el bienestar tanto de plantas como de animales, los inventores han reconocido la necesidad de una luminaria biológica y un sistema de control con un reparto de potencia espectral que varíe temporal y espacialmente y que pueda optimizarse para especies vegetales específicas cultivadas en invernaderos o granjas verticales, o especies animales específicas criadas en fábrica, de forma que los cambios temporales y espaciales en la distribución de potencia espectral sirvan para encauzar beneficiosamente sus ritmos circadianos y circanuales o, para animales que viven menos de un año, sus ritmos circadianos y de ciclo vital.
En una primera realización, la invención incluye una luminaria que cambia de color con un controlador asociado que ajusta la distribución de potencia espectral y la salida de fotones o flujo radiante de la luminaria para emular los cambios de color e irradiancia de la luz diurna con el fin de acompasar los ritmos circadianos y los ritmos circadianos o de ciclo vital.
En una segunda realización, la invención incluye al menos dos luminarias que cambian de color con un controlador asociado que ajusta la distribución de potencia espectral y la salida de fotones o flujo radiante de las luminarias para emular los cambios espaciales y temporales en el color y la irradiancia de la luz diurna con el fin de acompasar los ritmos circadianos y los ritmos circadianos o del ciclo vital.
En una tercera realización, la invención incluye al menos dos luminarias hortícolas que cambian de color con un controlador asociado que ajusta la distribución de la potencia espectral y la salida del flujo de fotones para emular los cambios de color e irradiancia de la luz diurna con el fin de acompasar los ritmos circadianos y los ritmos circadianos o del ciclo vital y promover la salud y el crecimiento de las plantas, en la que al menos una luminaria irradia por encima del suelo los tallos, brotes, hojas y flores de la planta, y al menos una luminaria irradia por debajo del suelo el sistema radicular de la planta.
El presente documento describe un sistema de iluminación para plantas que crecen en, o desde, un sustrato que comprende una luminaria con un reparto de potencia espectral (SPD) ajustable y una salida de flujo fotónico ajustable, un controlador que proporciona energía eléctrica y señales de control a la luminaria. Las señales de control realizan automáticamente una transición gradual del s Pd entre un primer SPD y un segundo SPD dos veces al día, al tiempo que ajustan la salida de flujo de fotones de una primera salida de flujo de fotones a una segunda salida de flujo de fotones, en la que la transición y los ajustes de la salida de flujo de fotones corresponden a cambios en la luz que acompasan un ritmo biológico en una planta. La luz de la luminaria se dirige hacia un sustrato y favorece el crecimiento de las raíces de la planta, y otra luminaria se orienta para suministrar más luz hacia la copa de la planta, en la que la luminaria y la otra luminaria son controladas independientemente por el controlador para proporcionar diferentes SPD, respectivamente, a la copa y a la raíz de la planta.
Se divulga además un procedimiento para acompasar un ritmo biológico en una planta que crece en o desde un sustrato que comprende los pasos de: orientar una luminaria con un reparto de potencia espectral (SPD) ajustable para iluminar hacia el sustrato para que la luz de la luminaria apoye el crecimiento de la raíz de una planta; orientar otra luminaria para suministrar más luz hacia la copa de la planta, en el que la luminaria y la otra luminaria están controladas independientemente por el controlador para proporcionar diferentes SPD respectivamente a la copa y a la raíz de la planta; conectar un controlador a la luminaria para que el controlador suministre energía eléctrica y señales de control a la luminaria; y enviar, automáticamente desde el controlador, señales de control que realicen una transición del SPD entre un primer SPD y un segundo SPD; donde la transición corresponda a un cambio de luz que acompase un ritmo biológico en la planta.
La materia divulgada y/o reivindicada no está limitada por este sumario, ya que la siguiente descripción y los dibujos asociados presentan aspectos adicionales.
Breve descripción de los dibujos
La FIG. 1 es un gráfico del estado de la técnica que muestra la variabilidad del color de la luz diurna frente a la irradiancia.
La FIG. 2 es un gráfico del estado de la técnica que muestra la variación de la relación luz diurna amarilloazul al amanecer y al anochecer.
La FIG. 3 es un gráfico del estado de la técnica que muestra la SPD de luz diurna antes y después de la puesta de sol.
La FIG. 4 es un gráfico del estado de la técnica que muestra el SPD de una lámpara típica de sodio de alta presión (HPS) utilizada habitualmente para iluminación eléctrica suplementaria en invernaderos y granjas avícolas.
La FIG. 5 muestra una primera realización de un sistema de iluminación de plantas que incluye un control espectral y temporal.
La FIG. 6 muestra una segunda realización de un sistema de iluminación de plantas que incluye un control espectral, espacial y temporal.
La FIG. 7 muestra una tercera realización de un sistema de iluminación de plantas que incluye un control espectral, espacial y temporal.
La FIG. 8 muestra un diagrama de flujo para la optimización de SPD que varían temporal y espacialmente para producir una salud y crecimiento óptimos de la planta, según una realización de la presente invención.
La FIG. 9 muestra un diagrama de flujo para producir la optimización del SPD que varía temporal y espacialmente para una salud y crecimiento animal óptimos, según una realización de la presente invención.
La FIG. 10 es un diagrama de flujo de un proceso de transición del SPD, según una realización de la presente invención.
La FIG. 11 es un diagrama de flujo de un proceso de transición de la distribución de la iluminación, según una realización de la presente invención.
Descripción detallada
Glosario
Amanecer: periodo de tiempo en el que el centro geométrico del sol se encuentra a menos de 6 grados por encima u 8 grados por debajo del horizonte por la mañana, para un lugar geográfico determinado.
Atardecer: periodo de tiempo en el que el centro geométrico del sol se encuentra a menos de 6 grados por encima u 8 grados por debajo del horizonte al atardecer, para un lugar geográfico determinado.
R:FR - Relación entre la luz roja y la luz roja lejana en una distribución espectral de potencia
SPD - Distribución espectral de la potencia
Crepúsculo - La luz suave y difusa del cielo cuando el sol está por debajo del horizonte, ya sea desde el amanecer hasta el amanecer o, más comúnmente, desde el atardecer hasta el anochecer. En particular, el crepúsculo se refiere en la presente memoria a la distribución de la potencia espectral y la irradiancia del cielo cuando el sol no es visible por encima del horizonte y su centro geométrico está a menos de 8 grados por debajo del horizonte.
Sistema ejemplar
En la FIG. 5, se muestra un sistema de iluminación de plantas 500 para plantas 510 que crecen en, o desde, un sustrato 520, en el que el sustrato es suelo o una estructura de soporte para agricultura hidropónica o aeropónica dependiendo de la realización. El sistema 500 incluye una o más luminarias hortícolas 530 que proporcionan iluminación sustancialmente direccional u omnidireccional 540 a las plantas, y en algunas realizaciones el sustrato 520 forma parte del sistema. En este ejemplo, la luz 540 de las luminarias 530 ilumina las plantas 510 desde arriba, proporcionando la iluminación al menos en dirección vertical o hacia abajo. La salida de flujo fotónico y el SPD de las luminarias 530 son ajustables y están controlados por el controlador de luminarias 550, que proporciona energía eléctrica y señales de control a las luminarias.
Uno o más sensores 560, como por ejemplo un sistema de visión por ordenador o un sensor de fluorescencia de clorofila (Véase por ejemplo, Lindqvist, J., y otros, 2016, "Complexity of Chlorophyll Fluorescence Dynamic Response as an Indicator of Expressive Light Intensity," IFAC-PapersOnline 49-16:392-397) se emplea en algunas realizaciones para monitorizar el estado de la planta y proporcionar retroalimentación al controlador 550. En algunas realizaciones, uno o más sensores 570, como por ejemplo un sensor cuántico, un colorímetro, un sensor de temperatura del suelo, un sensor de humedad del suelo, un sensor de acidez del suelo, un sensor de temperatura del aire, un sensor de concentración de dióxido de carbono, o un anemómetro, se emplea para monitorizar las condiciones ambientales y proporcionar retroalimentación al controlador 550. A la hora de diseñar sistemas de control para la iluminación en horticultura, ganadería y acuicultura, es útil tener en cuenta todos los posibles factores circadianos, incluyendo, al menos el color y la irradiancia de la luz diurna y la temperatura ambiente, y cómo las plantas o los animales podrían realizar la fusión de datos de las entradas para responder a los mismos.
El controlador 550 incluye una o más interfaces a través de las cuales se conectan las luminarias 530, y una o más interfaces a través de las cuales se conectan los sensores 560, 570 El controlador dispone de un procesador, que puede incluir múltiples procesadores constituyentes, que está conectado a las interfaces y a una o más memorias legibles por ordenador que almacenan un programa en forma de instrucciones legibles por ordenador, que, cuando son ejecutadas por el procesador, hacen que el controlador realice automáticamente la transición del SPD de las luminarias 530 de un SPD a otro. La memoria también almacena datos legibles por ordenador, que el procesador utiliza para ejecutar el programa. Los datos son creados por el programa, por un programa externo, o por ambos. Los datos incluyen las horas de puesta y salida del sol para una latitud óptima para el crecimiento de las plantas, los SPD deseados para la iluminación desde arriba, el SPD lateral u omnidireccional, las transiciones de SPD y las duraciones de las transiciones de SPD, algunas o todas las cuales acompasan un ritmo biológico de las plantas. En algunas realizaciones, los datos incluyen la condición o el estado de las plantas en respuesta a la iluminación que ha sido o está siendo proporcionada a las plantas.
En funcionamiento, el controlador 550 está programado para controlar la salida de flujo de fotones y el SPD de las luminarias 530, de forma que el color de la iluminación y la irradiancia cambien al principio y al final del periodo de iluminación diario con la intención de acompasar de forma óptima los ritmos circadianos y circanuales de las plantas. El inicio del periodo de iluminación diario corresponde, por ejemplo, al inicio del amanecer para la localización geográfica en la que preferentemente se cultivan las plantas, y los cambios de iluminación se realizan a lo largo de la duración de este amanecer. El final del periodo de iluminación diario corresponde, por ejemplo, al final del crepúsculo para la ubicación geográfica en la que preferiblemente se cultivan las plantas, y los cambios de iluminación se realizan durante la duración de este crepúsculo.
El controlador 550 puede realizar opcionalmente la fusión de datos de las entradas de los sensores 560 y 570 preacondicionando primero las señales, como por ejemplo mediante la regulación temporal de un sensor cuántico, y realizando a continuación operaciones de fusión de datos que emulen las respuestas de la planta a las condiciones ambientales. Por ejemplo, si las luminarias 530 proporcionan iluminación eléctrica suplementaria en un invernadero, el controlador puede elegir, en un día nublado, aumentar los cambios de color e irradiancia percibidos por las plantas al amanecer o al atardecer de forma que a las plantas les parezca un día despejado con una señal de acompasamiento menos ambigua.
Si no existe otra iluminación en las plantas que la proporcionada por las luminarias 530, la salida de las luminarias transita entre un SPD que solo emula la luz del día y un SPD que solo emula el crepúsculo. En particular, la potencia de las luminarias varía entre una potencia que emula el color del cielo y la irradiancia cuando el centro geométrico del sol está a 6 grados por encima del horizonte, y una potencia que emula el color del cielo y la irradiancia cuando el centro geométrico del sol está a 8 grados por debajo del horizonte (es decir, las luminarias emulan las transiciones que abarcan la "hora dorada" y la "hora azul"). Dependiendo de la forma de realización, la potencia de las luminarias varía gradualmente, por pasos o bruscamente, o varía entre potencias que emulan el color del cielo y la irradiancia para inclinaciones del sol que están entre 6 grados por encima y 8 grados por debajo del horizonte para la ubicación geográfica particular o la latitud de interés. Sin embargo, si las luminarias 530 proporcionan iluminación además de la iluminación natural, la salida de las luminarias transita entre un SPD que en combinación con la iluminación natural emula la luz del día y un SPD que en combinación con la iluminación natural emula el crepúsculo.
En una realización, los cambios de color de la iluminación emulan los cambios que se observan en la naturaleza durante el crepúsculo. En otra realización, los cambios de color de la iluminación se eligen de forma que los fotorreceptores de la planta respondan de forma óptima. Se sabe, por ejemplo, que las isoformas del fitocromo Pry Pfr tienen absorbancias espectrales pico específicas que difieren del SPD de la iluminación natural en el crepúsculo y cerca del mismo. Los floricultores a veces utilizan persianas negras al atardecer para evitar que los cultivos en floración respondan a los cambios en la relación R:FR, pero se puede conseguir el mismo resultado sin persianas mecánicas proporcionando iluminación suplementaria roja o rojo lejano con LEDs cuasimonocromáticos con longitudes de onda pico cercanas a las absorbancias espectrales pico de los fotorreceptores para contrarrestar o reforzar los cambios en la relación R:FR al atardecer. Del mismo modo, las luminarias 530 pueden proporcionar iluminación roja o azul suplementaria al amanecer para contrarrestar o reforzar las respuestas a la luz azul natural. Las luminarias 530 también pueden proporcionar luz suplementaria roja, roja lejana y/o azul antes del amanecer o después del anochecer para adelantar o retrasar los relojes circadianos de las plantas. Las luminarias 530 en otra realización incluyen además diodos emisores de luz infrarroja cercana con longitudes de onda pico entre aproximadamente 800 nm y 1000 nm, y preferentemente cerca del pico espectral a 820 nm para la activación de la citocromo c oxidasa. Estos LED se activan al amanecer para preacondicionar las hojas, tallos, brotes y flores de las plantas contra los daños causados por la radiación ultravioleta de la luz solar directa. (Esto se aplica incluso a las granjas verticales de interior, en las que cada vez resulta más económico proporcionar radiación ultravioleta a partir de diodos emisores de luz UV-B y UV-A para fomentar la producción de flavonoides y compuestos medicinales) La FIG. 5 también puede representar una instalación de producción ganadera o acuícola en la que las luminarias 530 proporcionan iluminación para animales cautivos (no mostrados) y los sensores ambientales 570 como, por ejemplo, sensores de temperatura del aire, proporcionan señales de entrada al controlador 550, que está programado para controlar la salida radiante y el SPD de las luminarias 530, de tal manera que el color de la iluminación y la irradiancia cambian al principio y al final del período de iluminación diaria con la intención de acompasar de manera óptima los ritmos circadianos y circanuales de los animales. Dependiendo de la realización, el sustrato 520 puede omitirse o puede representar el suelo de un granero o un estanque de peces, por ejemplo. Los animales pueden residir en o sobre el sustrato, al menos parte del tiempo.
El controlador 550 puede configurarse además de manera que el fotoperiodo diario varíe según las estaciones experimentadas por las plantas o animales silvestres. Para las plantas y animales de climas templados y árticos, los tiempos de transición al amanecer y al anochecer pueden ser igualmente variados, siendo más largos en los meses de invierno que en los de verano.
Para fines de producción e instalaciones ganaderas y granjas de acuicultura, el controlador 550 puede proporcionar además un exceso de luz azul en su transición al amanecer para animales con relojes circadianos de periodo largo, o un exceso de luz roja o rojo lejano en su transición al anochecer para animales con relojes circadianos de periodo corto.
La FIG. 6 muestra un sistema de iluminación de plantas 600 para plantas 610 que crecen en, o desde, un sustrato 620. El sistema 600 incluye una o más luminarias hortícolas 630 que proporcionan una iluminación sustancialmente omnidireccional 640 a las plantas 610. Como en el caso anterior, el sustrato forma parte del sistema 600 en algunas realizaciones. La salida de flujo fotónico y el SPD de las luminarias 630 son ajustables y están controlados por el controlador de luminarias 650, que proporciona energía eléctrica y señales de control a las luminarias. Además, otras luminarias hortícolas 660 proporcionan una iluminación sustancialmente direccional 670 que también está controlada por el controlador de luminaria 650. Las otras luminarias 660 proporcionan iluminación en dirección lateral u horizontal a las plantas 610. Además, uno o más sensores 680, se emplean en algunas realizaciones para supervisar el estado de la planta y las condiciones ambientales y proporcionar retroalimentación al controlador 650. En funcionamiento, el controlador 650 está programado para controlar la salida de flujo de fotones y el SPD de las luminarias 630 y 660, de forma que el color de la iluminación cambie al principio y al final del periodo de iluminación diario con la intención de acompasar de forma óptima los ritmos circadianos y circanuales de las plantas. El funcionamiento del controlador 650 es el mismo que el del controlador 550 de la FIG. 5, con la adición de que las salidas de flujo fotónico y los SPD de las luminarias 630 y 660 pueden diferir para emular las distribuciones temporales y espaciales del color de la luz diurna (o SPD) y la irradiancia al amanecer y al anochecer.
La FIG. 6 también puede representar una instalación de producción ganadera o acuícola en la que las luminarias 630 proporcionan iluminación para animales cautivos (no mostrados) y los sensores ambientales 680 como, por ejemplo, sensores de temperatura del aire, proporcionan señales de entrada al controlador 650, que está programado para controlar la salida radiante y la SPD de las luminarias 630, 660, de forma que el color de la iluminación y la irradiancia cambien al principio y al final del periodo de iluminación diario con la intención de acompasar de forma óptima los ritmos circadianos y circanuales de los animales. Como en el caso anterior, el sustrato 620 puede omitirse o representar el suelo de un granero o un estanque de peces, por ejemplo. Los animales pueden residir en o sobre el sustrato, al menos parte del tiempo.
La FIG. 7 muestra un sistema de iluminación de plantas 700 para plantas 710 que crecen en o desde un sustrato 720. El sistema 700 incluye el sustrato 720, y una o más luminarias hortícolas 730 que proporcionan una iluminación sustancialmente direccional u omnidireccional 740. En este ejemplo, la luz 740 de las luminarias 730 ilumina las plantas 710 desde arriba, proporcionando la iluminación al menos en dirección vertical o hacia abajo. La salida de flujo fotónico y el SPD de las luminarias 730 son ajustables y están controlados por el controlador de luminarias 750, que proporciona energía eléctrica y señales de control a las luminarias. Además, las luminarias hortícolas 760 proporcionan iluminación directamente al sustrato 720 y tienen una salida de flujo fotónico y un SPD que también son controlados por el controlador de luminaria 750.
Para sustratos de suelo, la iluminación de las luminarias hortícolas 760 puede ser proporcionada, por ejemplo, por una malla de fibra óptica 770 incrustada en el sustrato, donde los filamentos de fibra óptica están diseñados para emitir luz a lo largo de su longitud. La luz procedente de las luminarias 760 se dirige a la malla 770 mediante fibras ópticas relativamente sin pérdidas 780 u otras guías de luz. Un ejemplo de este tipo de fibra óptica se describe por Shustack, P J. et al., 2014, "Photocuring in Areas Where You Typically Cannot Get Light," Proc. UV+EB 2014 Technology Expo and Conference.
Para aplicaciones hidropónicas y aeropónicas, las luminarias hortícolas 760 pueden iluminar una malla de fibra óptica 770, o pueden iluminar directamente las raíces de las plantas a través de un medio de crecimiento transparente en el sustrato 720 o formando parte del mismo.
En funcionamiento, el controlador 750 está programado para controlar la salida del flujo de fotones y el SPD de las luminarias 730, de tal forma que el color de la iluminación y la irradiancia cambien al principio y al final del periodo de iluminación diario con la intención de acompasar de forma óptima los ritmos circadianos y circanuales de las plantas. El controlador 750 también puede programarse para controlar la salida de flujo de fotones y la SPD de las luminarias 760, de forma que se obtenga un desarrollo óptimo del sistema radicular y la salud de la planta.
Las raíces de las plantas pueden mostrar fototropismo positivo para la luz roja y fototropismo negativo para la luz azul, presumiblemente para asegurar que las raíces crezcan hacia abajo, hacia los recursos del suelo, que hacia la superficie. Se pueden emplear una o más capas horizontales de malla de fibra óptica, cada una con su propia luminaria 760 que proporcione SPD controlados independientemente, con el fin de dirigir el crecimiento y desarrollo de las raíces según se desee a medida que las raíces crecen hacia y a través de las mallas.
El funcionamiento del controlador 750 es el mismo que el del controlador 550 de la FIG. 5 o el controlador 650 de la FIG. 6, con la adición de que las salidas de flujo de fotones y los SPD de las luminarias 730 y 760 pueden diferir para optimizar el crecimiento del sistema radicular independientemente de las hojas, tallos, brotes y flores de la planta sobre el suelo.
Procedimiento de optimización en plantas
La FIG. 8 ilustra un ejemplo del procedimiento en el que la programación de la salida de flujo de fotones y SPD de las luminarias se optimiza para la salud de las plantas, el crecimiento y la producción de flavonoides y otros extractos de plantas medicinales útiles en una base por especie.
En el paso 800, se selecciona una especie vegetal. Se sabe que diferentes cultivares de la misma especie vegetal pueden tener diferentes requisitos medioambientales, por lo que también puede ser necesario seleccionar un cultivar concreto.
En el paso 810, se determinan las condiciones ambientales preferidas de la planta, incluyendo la latitud geográfica, los requisitos diarios de luz integral y sombra, el rango de temperatura, el tipo de suelo, el contenido de humedad, los nutrientes minerales, etc., tal y como pueden estar presentes en el estado silvestre de la especie vegetal seleccionada.
En el paso 820, se determina un horario de iluminación base basado en la latitud geográfica preferida de la planta seleccionada y los datos climáticos. El programa de iluminación de referencia está pensado para que se alcancen unos objetivos de crecimiento predeterminados de las plantas. Por ejemplo, si se sabe que una verdura de hoja verde, como la lechuga, se desarrolla al aire libre en una región geográfica determinada, se puede seleccionar un archivo meteorológico del Año Meteorológico Típico (TMY) que sea representativo de la región. Los datos contenidos en este archivo meteorológico pueden utilizarse para determinar diariamente la salida y la puesta del sol, la temperatura horaria, las precipitaciones y la irradiancia solar. Estos datos pueden utilizarse como base para determinar el programa de iluminación de referencia, incluso si los cultivos se van a realizar en un invernadero en una región geográfica diferente, o en el interior de una fábrica de plantas. En un entorno de invernadero, se puede emplear iluminación eléctrica suplementaria o dispositivos de sombreado motorizados según sea necesario.
En muchas situaciones, la máxima densidad de flujo de fotones que incide sobre el dosel foliar de la planta será menor que la que las plantas experimentarían en el exterior bajo cielos despejados. Por lo tanto, en lugar de atenuar las luminarias hortícolas para emular las condiciones de nubosidad horaria, es más probable que las plantas estén expuestas a una iluminación constante suficiente para satisfacer sus necesidades integrales de luz diarias.
Las horas de salida y puesta del sol, un periodo de aproximadamente media hora en el que las luminarias hortícolas se atenúan desde la iluminación diurna constante a la nocturna, son fundamentales para el programa de iluminación de referencia. Durante estos periodos, el SPD se modifica para emular la transición de color de las condiciones diurnas a las crepusculares, y viceversa.
Los datos que representan la SPD diurna deseada u óptima, la SPD crepuscular deseada u óptima, las duraciones de cada una, la duración de las transiciones entre cada una y los cambios en la SPD durante las transiciones se almacenan en el controlador de la luminaria como el programa de iluminación de referencia.
En el paso 830, se cultiva un cultivo mientras es sometido a la iluminación de las luminarias de acuerdo con el programa de iluminación.
En el paso 840, el rendimiento del cultivo se evalúa de acuerdo con los objetivos predeterminados de salud de la planta, crecimiento, floración, calidad de la fruta o verdura, y la producción de flavonoides, terpenos, extractos de plantas medicinales y otros criterios específicos del cultivo. Si no se satisfacen los objetivos, se puede variar el programa de iluminación (paso 850) y repetir los pasos 830 y 840. Si el cultivo es satisfactorio, el proceso finaliza en el paso 860.
Procedimiento de optimización en animales
La FIG. 9 ilustra un ejemplo del procedimiento en el que la programación de la salida del flujo radiante y la SPD de las luminarias se optimiza para la salud, el comportamiento y el crecimiento de los animales, por especie y por raza. En el paso 900, se selecciona una especie animal. Se sabe que diferentes razas de la misma especie animal pueden tener diferentes requisitos medioambientales, por lo que también puede ser necesario seleccionar una raza concreta.
En el paso 910, se determinan las condiciones ambientales preferidas del animal.
En el paso 920, se determina un programa de iluminación de referencia para la raza seleccionada basándose en la experiencia pasada de la industria con animales domésticos u observaciones de vida salvaje, en el que el programa de iluminación está pensado para que los animales de la raza seleccionada alcancen unos objetivos de crecimiento predeterminados.
Las horas de salida y puesta del sol, un periodo de aproximadamente media hora en el que las luminarias de producción ganadera o acuícola se atenúan desde la iluminación diurna constante a la nocturna, son fundamentales para el programa de iluminación de referencia. Durante estos periodos, el SPD se modifica para emular la transición de color de las condiciones diurnas a las crepusculares, y viceversa.
Los datos que representan la SPD diurna deseada u óptima, la SPD crepuscular deseada u óptima, las duraciones de cada una, la duración de las transiciones entre cada una y los cambios en la SPD durante las transiciones se almacenan en el controlador de la luminaria como el programa de iluminación de referencia.
En el paso 930, los animales son levantados mientras son sometidos a la iluminación de las luminarias de acuerdo con el programa de iluminación.
En el paso 940, se evalúa la salud, el comportamiento y la comerciabilidad de los animales de acuerdo con los objetivos predeterminados. Si no se cumplen los objetivos, se puede variar el programa de iluminación (paso 950) y repetir los pasos 930 y 940. Si se han cumplido los objetivos, el proceso finaliza en la etapa 960.
En referencia a la FIG. 10, se aprecia un diagrama de flujo de un proceso ejemplar para el funcionamiento de un sistema 500. En la etapa 1010, las luminarias 530 se orientan por encima de las plantas, de forma que iluminen al menos en dirección descendente sobre las plantas. En el paso 1020, las luminarias se conectan al controlador de luminarias 550. En el paso 1030, las luminarias iluminan las plantas con un primer SPD, por ejemplo, un SPD que emula la luz del día. En el paso 1040, el controlador envía señales a las luminarias para que la iluminación que están proporcionando pase del primer SPD a un segundo SPD, por ejemplo, un SPD que emula el crepúsculo. Este proceso también es aplicable al sistema 700 para controlar las luminarias 730. Un proceso similar puede utilizarse para controlar las luminarias 760.
Con referencia a la FIG. 11, se aprecia un diagrama de flujo de un proceso ejemplar para el funcionamiento de un sistema 600. En el paso 1110, las luminarias 630 se orientan por encima de las plantas, de forma que iluminen al menos en dirección descendente sobre las plantas. En el paso 1120, otras luminarias 660 se orientan hacia el lado de las plantas, de modo que proporcionan iluminación al menos en una dirección lateral sobre las plantas. En el paso 1130, las luminarias se conectan al controlador de luminarias 650. En el paso 1140, las luminarias iluminan las plantas con una SPD que tiene una primera distribución espacial, por ejemplo, una SPD espacialmente variable que emula la luz del día. En el paso 1150, el controlador envía señales a las luminarias para que la iluminación que están proporcionando pase de la primera distribución espacial a una segunda distribución espacial, por ejemplo, una SPD espacialmente variable que emule el crepúsculo.
Tanto en los procedimientos de optimización de plantas como de animales, la cantidad de datos que deben ser evaluados para determinar el rendimiento de los cultivos o la salud de los animales, particularmente si el número de señales de entrada de los sensores resulta en un problema de optimización multidimensional para la fusión de datos, puede ser confuso si no abrumador. En tales situaciones, puede ser necesario emplear técnicas de inteligencia artificial que utilicen arquitecturas de aprendizaje profundo para descubrir patrones ocultos que informen de los cambios en el programa de iluminación.
Las configuraciones y/o enfoques en la presente memoria descritos son de naturaleza ejemplar, y las implementaciones o ejemplos específicos no deben considerarse en un sentido limitativo, ya que son posibles numerosas variaciones. Los procedimientos o procesos específicos en la presente memoria descritos pueden representar una o más de cualquier número de estrategias de procesamiento. Como tales, varios actos ilustrados pueden realizarse en la secuencia ilustrada, en otras secuencias, en paralelo, o en algunos casos omitirse. Asimismo, puede cambiarse el orden de los procesos descritos. El objeto de la presente divulgación incluye todas las combinaciones y subcombinaciones novedosas y no obvias de los diversos procedimientos, procesos, sistemas y configuraciones, y otras características, funciones, actos y/o propiedades divulgadas en el presente documento. Las realizaciones de la invención pueden variarse de muchas maneras. Tales variaciones no deben considerarse como una desviación del alcance de la invención, y todas las modificaciones que serían obvias para un experto en la materia deben incluirse en el alcance de las reivindicaciones.
Claims (14)
1. Un sistema de iluminación de plantas para plantas (610) que crecen en o desde un sustrato (620), que comprende:
una luminaria (530, 630, 730) con un reparto de potencia espectral ajustable - SPD - y una salida de flujo fotónico ajustable;
un controlador (550, 650, 750) configurado para suministrar energía eléctrica y señales de control a la luminaria (530, 630, 730);
en el que las señales de control están configuradas para realizar automáticamente una transición gradual del SPD entre un primer SPD (1030, 1140) y un segundo SPD (1040, 1150) dos veces al día, mientras se ajusta la salida de flujo de fotones desde una primera salida de flujo de fotones a una segunda salida de flujo de fotones;
en el que las transiciones y los ajustes de la salida del flujo de fotones corresponden a cambios en la luz (540, 640, 740) que acompasan un ritmo biológico en una planta; y
en el que la luminaria (630) está configurada para dirigir la luz (640) de la luminaria (630) hacia el sustrato (620) para soportar el crecimiento de las raíces de la planta (610);
el sistema comprende además otra luminaria (660) orientada para suministrar más luz (670) hacia una copa de la planta (610, 710),
en la que la luminaria (630, 730) y la luminaria adicional (660, 760, 770) están configuradas para ser controladas independientemente por el controlador (650) para proporcionar diferentes SPD respectivamente a la raíz de la planta (610, 710) y a la copa.
2. El sistema de iluminación de plantas de la reivindicación 1, en el que el controlador (650) está configurado para realizar la transición
el SPD a una hora y durante un periodo de salida o puesta del sol y
las transiciones conllevan además un ritmo circanual o de ciclo de vida de la planta
3. El sistema de iluminación de plantas de la reivindicación 1, en el que:
el primer SPD (1030, 1140) emula por sí solo un SPD de luz diurna;
el segundo SPD (1040, 1150) emula por sí solo un SPD de crepúsculo; y
la luminaria (530, 630, 730) está configurada para emitir luz suplementaria roja, roja lejana o azul (540, 640, 740) antes, durante o después de la transición.
4. El sistema de iluminación de plantas de la reivindicación 1, que comprende además un colorímetro configurado para detectar la luz natural y enviar señales al controlador (550, 650, 750), en el que
el primer SPD (1030, 1140) en combinación con la luz natural emula un SPD de luz diurna; y
el segundo SPD (1040, 1150) en combinación con la luz natural emula un SPD de crepúsculo.
5. El sistema de iluminación de plantas de la reivindicación 1, en el que el controlador (650) está configurado para proporcionar a la luminaria (530, 630, 730) transiciones SPD entre el primer SPD (1030, 1140) y el segundo SPD (1040, 1150) durante un periodo de media hora.
6. El sistema de iluminación de plantas de la reivindicación 1, en el que:
la luminaria (630) está orientada de manera que una parte de la luz (640) incide hacia abajo sobre la planta; la luminaria adicional (660) está orientada de manera que otra parte de la luz (670) incide lateralmente sobre la planta; y
la luminaria (630) y la luminaria adicional (660) están configuradas para ser controladas independientemente por el controlador (650) para proporcionar diferentes SPD respectivamente en dirección descendente y lateral.
7. El sistema de iluminación de plantas de la reivindicación 1, que comprende además:
el sustrato (720) hacia el que se dirige la luz (740) de la luminaria (730), y que está configurado para soportar el crecimiento de las raíces de una planta (710);
en la que la luminaria adicional (760, 770) está orientada para emitir más luz en el interior del sustrato (720)
8. El sistema de iluminación de plantas de la reivindicación 1, que comprende además:
el sustrato (520, 620) hacia el que se dirige la luz (540, 640) de la luminaria (530, 630), y que está configurado para soportar el crecimiento de las raíces de una planta (510, 610);
un sensor (560) configurado para supervisar un estado de la planta (510, 610); y
una pluralidad de sensores (570, 680) configurados para monitorizar las condiciones ambientales a las que está sometida la planta (510, 610);
en el que el controlador (550, 650) está configurado para:
señales de precondición de todos dichos sensores (560, 570, 680);
fusionar datos para emular una respuesta de la planta (510, 610, 710) a las condiciones ambientales; y
ajustar una o ambas salidas de flujo fotónico y el SPD de la luminaria (530, 630) basándose en la respuesta emulada.
9. El sistema de iluminación de plantas de la reivindicación 1, en el que la luminaria (530, 630, 730) está configurada para emitir radiación infrarroja cercana en un rango de longitud de onda entre 800 nm y 1000 nm.
10. El sistema de iluminación de plantas de la reivindicación 1, que comprende además:
una pluralidad de sensores (570, 680) configurados para controlar las condiciones ambientales a las que están sometidas las plantas; y
en el que el controlador (550, 650) está configurado para
señales de precondición de todos dichos sensores (560, 570, 680);
fusionar datos para emular una respuesta de las plantas a las condiciones ambientales; y ajustar una o ambas salidas de flujo fotónico y el SPD de la luminaria (530, 630) basándose en la respuesta emulada.
11. El sistema de iluminación de plantas de la reivindicación 1, en el que las transiciones emulan cambios de un color de cielo y una irradiancia de cielo entre cuando un centro geométrico del sol está 6 grados por encima de un horizonte y cuando el centro geométrico del sol está 8 grados por debajo del horizonte.
12. Un procedimiento para acompasar un ritmo biológico en una planta (610) que crece en o, desde, un sustrato (620), que comprende los pasos de:
orientar una luminaria (530, 630, 730) con un reparto de potencia espectral (SPD) ajustable y una salida de flujo de fotones ajustable para iluminar hacia desde arriba un sustrato (620), y que favorezca el crecimiento radicular de una planta (610);
orientar otra luminaria (660) para suministrar más luz (670) hacia una copa de la planta (610, 710),
en la que la luminaria (630, 730) y la luminaria adicional (660, 760, 770) son controladas independientemente por el controlador (650) para proporcionar diferentes SPD respectivamente a la copa y a una raíz de la planta (610, 710);
conectar un controlador (550, 650, 750) a la luminaria (530, 630, 730) de modo que el controlador (550, 650, 750) proporcione energía eléctrica y señales de control a la luminaria (530, 630, 730); y enviar, automáticamente desde el controlador (550, 650, 750), señales de control que transicionan el SPD gradualmente entre un primer SPD (1030, 1140) y un segundo SPD (1040, 1150) dos veces al día, mientras se ajusta la salida de flujo de fotones desde una primera salida de flujo de fotones a una segunda salida de flujo de fotones;
en el que las transiciones y ajustes del flujo de fotones corresponden a cambios en la luz (540, 640, 740) que acompasan un ritmo biológico en la planta.
13. El procedimiento de la reivindicación 12, que comprende además:
controlar, mediante un sensor (560), un estado de la instalación;
monitorizar, con una pluralidad de sensores (570, 680), las condiciones ambientales a las que está sometida la planta;
señales de preacondicionamiento procedentes de todos dichos sensores (560, 570, 680);
fusionar los datos para emular una respuesta de la planta a las condiciones ambientales; y
ajustar la salida de flujo de fotones y el SPD de la luminaria (530, 630, 730), o ambos, en función de la respuesta emulada.
14. El procedimiento de la reivindicación 12, en el que las transiciones emulan los cambios de color e irradiación del cielo entre la posición en la que el centro geométrico del sol está 6 grados por encima del horizonte y la posición en la que el centro geométrico del sol está 8 grados por debajo del horizonte.
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