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究竟什么颜色的光对珊瑚生长最重要?

2017-10-19 翡翠吧

原标题:究竟什么颜色的光对珊瑚生长最重要?

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《珊瑚缸的水族照明》

珊瑚

照明

光照是我们这个星球上维持生命的主要资源之一。作为光合生物,许多海洋无脊椎动物依赖光照存活:他们的共生虫黄藻需要光照来进行光合作用,为他们自己以及宿主珊瑚制造足够的养分。

也许每个珊瑚爱好者都愿意为他们的珊瑚提供“正确”的光照——正确的光谱和充足的强度都很重要。在我们考虑如何实现这个“正确光照”之前,我们应该先试着了解一下自然环境中,海洋生物获得的光照是怎样的。

作为开始,看一下七月斐济的日光能量的频谱。

图的横坐标是波长,单位纳米,纵坐标是频谱强度,单位瓦/米2·纳米。

人眼可以感受到大约400到700纳米范围内的光,因此我们把比400纳米更短(紫外线)和比700纳米更长(红外线)的波长部分标为黑色,而可见光部分以人眼看到的颜色标明。

上面图标数据是根据地球大气层边缘的太阳光谱用SMARTS 2.9.5科学仿真软件仿真得到的。该软件考虑到了大气中的各种成分对光的吸收以及天空的散射。

现在让我们试着找出海洋生物在自然环境中的光照光谱。当我们为我们的珊瑚缸设立一个照明设备的时候,我们应该努力产生一个和一定深度海水下同样的光谱分布。

不同种类珊瑚生活在不同的深度下:一些生活在非常浅的水中,而深水珊瑚例如Bathypates spp.可以在8000米的深度下被发现 (约5英里)。大约20%的珊瑚种类是非光合的:他们完全不需要光照作为营养源。然而,大多数珊瑚是光合的,这些也是我们常常在家里的珊瑚缸里饲养的品种。我们应该找出他们喜欢什么样的光照。

看看Institute for Environment and Sustainability of the European Commission 绘制的不同波长日光在海水中的穿透深度图 :(简称图2)

不同波长光线在海水中的穿透深度(图2)

横坐标是波长,单位纳米,纵坐标是该波长下光强下降到水面强度1%的深度。这张图清楚地显示370纳米到500纳米波长范围内的光的穿透深度最大。换而言之,紫色和蓝色的频谱光线在海水里的穿透力最强,而绿色要差许多,黄色橙色更差,而600nm以上的红色职能穿透很浅的水深。

水面的光谱可以定义为函数I0(λ),其中λ是波长,I0是0深度中该波长下的光强。这样,深度D中的吸收光谱Ia(λ)可以如下确定:

Ia(λ)=I0(λ)·K(λ)·D (1)

其中K(λ)是不同波长下海水的吸收函数。

深度D中的光谱就等于水面光谱I0(λ)减去吸收光谱Ia(λ):

I(λ)=I0(λ)-Ia(λ),

把(1)带入上式,可得:

I(λ)=I0(λ)·(1-K(λ)·D) (2)

从上式,我们可以得到穿透深度d(λ):

d(λ)=(1- I(λ)/I0(λ))/K(λ)) (3)

因为图 2 中的深度下,光照强度等于水面强度的1%。即I(λ)=0,01·I0(λ),我们可以把 (3)简化为:

d(λ)=0.99/K(λ)

这个函数d(λ)就是(图2),不同波长光线在海水中的穿透深度。使用该图,我们就能确定不同波长的光的在海水中的吸收函数K(λ):

K(λ)=0.99/d(λ) (4)

把(4)带入(2),我们就能推导出给定深度D中的频谱分布:

I(λ)=I0(λ)·(1-0.99·D/d(λ)) (5)

其中I0(λ)是水面的光照频谱,d(λ)是图2的不同波长光的海水穿透深度。

用公式(5)以及图1图2中的数据,我们能够获得给定深度下的光能对波长的图表。

例如在下图(图3),我们画出了水面上,5米深度(16.4英尺)中和15米(49英尺)深度中的相对光谱分布。注:15米是自然界中,我们能够发现大量需要光线的珊瑚的最大深度。20米深度向下,需要光线的种类将锐减。

(图3)不同波长光谱分布,水面(浅蓝色),5米深(蓝色)和15米深(深蓝色)

浅蓝色的图对应水面的光照,蓝色对应5米深度,深蓝色对应15米深度。可以看到,随着深度增加,光谱中的红色部分几乎消失了。

在亿万年的进化过程中,海洋光合生物已经适应于充分利用光谱中的蓝色紫色部分,这些在他们的环境中是充足的,而对于红色光谱不那么敏感(正相反,红色是陆生植物最高效利用的)。海洋光合生物中的共生虫黄藻是原始的Pyrrophyta algae [5]。他们主要包含chlorophyll a , c 以及胡萝卜素(peridinine, xanthins, 等) ,这些强烈吸收光谱中的蓝绿成分 [6,7,22]。

(图4) [22] 显示了虫黄藻对光线的吸收率。

(图4) 虫黄藻对光线的吸收率

横坐标是波长,单位纳米,纵坐标是吸收率,无单位。可以从图上看到,紫色和蓝色明显强于红色(可以看出,对于红色光谱,660-680纳米是最佳的)。

到此为止,我们的主要结论是紫色和蓝色光对于海洋光合生物是最重要的。

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