Научная электронная библиотека ULRICH'S Periodicals Directory

Сибирский государственный университет
науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева

Сибирский аэрокосмический журнал
ISSN 2712-8970 (Print) ISSN 2782-5760 (on-line)

Сведения об образовательной организации

UDK 620.187.3, 58.085 Doi: 10.31772/2712-8970-2021-22-4-708-717
Влияние структуры хлоропластов на плотность фотонных состояний и эффективность преобразования солнечной энергии
Шабанова К. А., Логинов Ю. Ю., Буханов Е. Р., Волочаев М. Н., Пятина С. А.
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева, Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31; Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН, Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, ул. Академгородок, 50, стр. 38; Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр СО РАН», Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, ул. Академгородок, 50; Сибирский федеральный университет, Институт фундаментальной биологии и биотехнологии, Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, Свободный просп., 79, корп. 4
Благодаря поглощению солнечной энергии в хлоропластах – зелёных пластидах –происходит преобразование солнечной энергии в энергию химических связей. Изучение процессов фотосинтеза и увеличение его эффективности актуально для разработки замкнутых систем жизнеобеспечения, в том числе, при длительных полетах в космосе. Хлоропласты в свою очередь наполнены стопками высокоупорядоченных тилакоидных мембран (гранами). На границе этих мембран и располагаются пигмент-белковые фотосинтетические комплексы. Долгое время структурным характеристикам хлоропластов не уделялось должного внимания и они изучались как изотропные вещества, однако в последние годы было показано, что они обладают анизотропными свойствами и высоким коэффициентом преобразования при разделении зарядов. В данной работе был предложен подход к более точному пространственному определению гран в хлоропластах растений и определению размеров единичного блока. Тилакоидные мембраны и границы состоящей из них граны отчетливо видны в электронном микроскопе, если пучок электронов направлен строго перпендикулярно. Было замечено, что при повороте столика разные области мембран становятся либо расплывчатыми, либо более четкими, что говорит о том, что граны в хлоропластах располагаются не в одной плоскости. Также проведено сравнение влияния разных внешних условий на структуру хлоропласта растения не только через сравнение морфологических характеристик, но и посредством численного моделирования и сравнения спектральных свойств объектов. Для численного моделирования были определены периодические решетки для основных структурных единиц хлоропластов разных образцов. На основе этих решеток были рассчитаны спектры пропускания с помощью метода трансфер матриц. Также полученные значения электромагнитной волны вдоль решетки позволили рассчитать графики плотности фотонных состояний. Результаты расчетного метода графиков плотности фотонных состояний на основе структуры хлоропластов позволили не просто оценить возможную эффективность фотосинтеза, но и напрямую связать эти модели с внешними условиями, влияющими на растение.
Ключевые слова: биофотонный кристалл, плотность фотонных состояний, электронная микроскопия, фотосинтез.
References

1. Jacquemoud S., Ustin S. Leaf Optical Properties. CambridgeUniversity Press: Cambridge, UK, 2019.

2. Rabinowitch E. Photosynthesis and Related Processes. Interscience Publishers: New York, NY, USA, 1945.

3. Blankenship R. E. Molecular Mechanisms of Photosynthesis. Wiley-Blackwell: New York, NY, US, 2014. 312p.

4. Буханов Е., Коршунов М., Шабанов А. Оптические процессы в фотосинтезе // Сибирский лесной журнал. 2018. № 5. С. 19–32.

5. Light absorption and energy transfer in the antenna complexes of photosynthetic organisms / T. Mirkovic, E. E. Ostroumov, J. M. Anna et al. // Chemical Reviews, 2017. Vol. 117, Is. 2. P. 249–293.

6. Тихонов А. Н. Трансформация энергии в хлоропластах – энергопреобразующих органеллах растительной клетки // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 4. C. 24–32.

7. Garab G. Self-assembly and structural-functional flexibility of oxygenic photosynthetic machineries: personal perspectives // Photosynth Res. 2016. Vol. 127(1). P. 131–50.

8. Rantala M., Rantala S., Aro E. Composition, phosphorylation and dynamic organization of photosynthetic protein complexes in plant thylakoid membrane. Photochem. Photobiol. Sci., 2020. P. 604-619.

9. The ultrastructure and flexibility of thylakoid membranes in leaves and isolated chloroplasts as revealed by small-angle neutron scattering. R. Ünnep, O. Zsiros, K. Solymosi et al. // Biochimia et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics. 2014. Vol. 1837, Is. 9. P. 1572–1580.

10. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency / M. Jacobs, M. Lopez-Garcia, O. P. Phrathep et al. Nat. Plants, 2016.

11. Characterization of chloroplast iridescence in Selaginella erythropus / N. J. Masters, M. Lopez–Garcia, R. Oultonet al. Int., 2018.

12. Bukhanov E. R., Gurevich Y. L., Shabanova K. A. A Study of Wheat Wax Optical Properties // In Proceedings of the 2019 Photonics & Electromagnetics Research Symposium-Fall (PIERS-Fall), Xiamen, China, 20 August 2019. P. 2890–2897.

13. The Role of Periodic Structures in Light Harvesting / E. R. Bukhanov, A. V. Shabanov, M. N. Volochaev, S. A. Pyatina. Plants, 2021.

14. Light-induced dynamic structural color by intracellular 3D photonic crystals in brown algae / M. Lopez-Garcia, N. Masters, H. E. O’Brien et al. Sci. Adv., 2018.

15. Karnovsky M. J. Simple methods for «staining with lead» at high pH in electron microscopy // J. Biophys. Biochem. Cyt., 1961. P. 729–732.

16. Semenova G. A., Romanova A. K. Crystals in sugar beet (Beta vulgaris L.) leaves. CellandTissueBiology, 2011. P. 74–80.

17. Шабанов В. Ф., Ветров С. Я., Шабанов А. В. Оптика реальных фотонных кристаллов. Жидкокристаллические дефекты, неоднородности. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2005. 209 c.

18. Density of modes and tunneling times in finite one-dimensional photonic crystals: A comprehensive analysis / G. D’Aguanno, N. Mattiucci, M. Scalora et al. Phys. Rev., 2004.

19. Bossard J. A., Lin L., Werner D. H. Evolving random fractal Cantor superlattices for the infrared using a genetic algorithm. J. R. Soc. Interface, 2016.

20. Nanophotonics of higher-plant photosynthetic membranes / A. Capretti, A. K. Ringsmuth, J. F. van Velzen et al. Light Sci. Appl., 2019.

21. Granal stacking of thylakoid membranes in higher plant chloroplasts: The physicochemical forces at work and the functional consequences that ensue / W. S. Chow, E. Kim, P. Horton, J. M Anderson. Photochem. Photobiol. Sci., 2005. P. 1081–1090.

22. ХоллД., РаоК. Фотосинтез : пер. сангл. М. : Мир, 1983. 132 с.


Шабанова Ксения Александровна – cтудент 1 курса магистратуры, Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. E-mail: shabanova.ksenia@mail.ru.

Логинов Юрий Юрьевич – доктор физико-математических наук, профессор, проректор по научной
и инновационной деятельности; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. E-mail: loginov@sibsau.ru.

Буханов Евгений Романович – младший научный сотрудник, лаборатория фотоники молекулярных систем, Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН; Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр СО РАН». E-mail: k26Tony@ya.ru.

Волочаев Михаил Николаевич – кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории молекулярной спектроскопии, Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН; Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр СО РАН». E-mail: volochaev@iph.krasn.ru.

Пятина Светлана Алексеевна – инженер; Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр СО РАН». E-mail: davcbetik@mail.ru.


  Влияние структуры хлоропластов на плотность фотонных состояний и эффективность преобразования солнечной энергии