Сибирский федеральный университет

Тип публикации: статья из журнала

Год издания: 2021

Идентификатор DOI: 10.31772/2712-8970-2021-22-4-708-717

Ключевые слова: Biophotonic crystal, Density of photon states, electron microscopy, photosynthesis, биофотонный кристалл, плотность фотонных состояний, электронная микроскопия, фотосинтез

Аннотация: 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 ^* Исследования были выполнены на оборудовании центра коллективного пользования ФИЦ КНЦ СО РАН. The studies were performed on the equipment of Resource sharing center of the FRC KSC of the SB RAS. возможную эффективность фотосинтеза, но и напрямую связать эти модели с внешними условиями, влияющими на растение. Due to the absorption of solar energy in chloroplasts - green plastids, solar energy is converted into the energy of chemical bonds. Studying the processes of photosynthesis and increasing its efficiency is relevant for the development of closed life support systems, including during long flights in space. Chloroplasts are filled with stacks of highly ordered tilakoid membranes (granas). Pigment-protein photosynthetic complexes are located on the border of these membranes. For a long time, the structural characteristics of chloroplasts were not given due attention and they were studied as isotropic substances, but in recent years it has been shown that they have anisotropic properties and a high conversion coefficient during charge separation. In this work, an approach was proposed for a more accurate spatial determination of grains in plant chloroplasts and determination the single unit. Thylakoid membranes and the boundaries of the facet consisting of them are clearly visible in an electron microscope if the electron beam is directed strictly perpendicularly. It was noticed that when the stage is rotated, different regions of the membranes become either blurred or more distinct, which suggests that the granules in chloroplasts are not located in the same plane. Also, a comparison was made of the influence of different external conditions on the chloroplast structure of a plant, not only through a comparison of morphological characteristics, but also through numerical modeling and comparison of the objects spectral properties. For numerical simulation, periodic lattices were determined for the main structural units of chloroplasts of different samples. On the basis of these gratings, the transmission spectra were calculated using the transfer matrix method. Also, the obtained values of the electromagnetic wave along the lattice made it possible to calculate the graphs of the density of photon states. The results of the calculation method of plots of the density of photon states based on the structure of chloroplasts made it possible not only to assess the possible efficiency of photosynthesis, but also to directly relate these models to the external conditions affecting the plant.

Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал

Выпуск журнала: Т. 22, № 4

Номера страниц: 708-717

ISSN журнала: 27128970

Место издания: Красноярск

Издатель: Сибирский государственный университет науки и технологий им. акад. М.Ф. Решетнева

• Шабанова К.А. (Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева)
• Логинов Ю.Ю. (Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева)
• Буханов Е.Р. (Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр СО РАН»)
• Волочаев М.Н. (Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН)
• Пятина С.А. (Сибирский федеральный университет)

• РИНЦ (eLIBRARY.RU)
• Список ВАК