The quantum chemical search for photosynthetic pigments utilizing NIR radiation and oxidizing water

利用近红外辐射和氧化水进行光合色素的量子化学研究

• 批准号: 21K13988
• 负责人: 小松 勇
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Center for Novel Science Initatives, National Institutes of Natural Sciences
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K13988/
• 关键词: アストロバイオロジー; 光合成色素; 量子化学計算; 太陽系外惑星

太陽系外惑星における光合成生物の痕跡を検出するために、レッドエッジという700nm付近で植生の反射率が大きく増大する分光学的特徴を検出することが提案されている。レッドエッジを示す波長は、光合成色素クロロフィルの主な光吸収帯によって決まっている。現在の観測ターゲットである低温度星周りの惑星では近赤外光が卓越するので、光環境に順応した色素に応じてレッドエッジを示す波長域が変わるかも知れない。本研究では植物がクロロフィルよりも長波長の光を吸収する分子を持つ可能性が物理化学的な観点からどの程度現実的であるかを示すために、近赤外光を吸収しつつ水を酸化する酸化還元力を有する分子を量子化学計算によって探索した。これによって、惑星における液体の水、酸素、植生の観測可能性への示唆に繋げたい。本年度は、光合成色素やそれ以外の大きな環状分子を対象に、様々な手法や精度で励起状態を算出することを継続しつつ、酸化還元電位の評価もいくつかの計算方法で行った。単量体だけでなく、光合成の反応中心で重要な２量体の計算も一部行った。特に、光合成反応中心のスペシャルペアとして機能している色素である、クロロフィルa、バクテリオクロロフィルa、b、gに関してはより詳細な酸化還元力の推定を行った。具体的にはADMPを用いて温度を与えて時間発展させた上で、酸化還元ポテンシャルを算出しており、精度を変えて評価している。量子化学計算による計算の実行を継続しつつ、機械学習を用いた物性推定に移行する。

为了检测外部球星上光合生物的痕迹，已提议检测称为红色边缘的光谱特征，这些特征大大增加了700 nm的植被的反射。显示红色边缘的波长由光合染料叶绿素的主要光吸收带确定。近红外光主要在低温恒星周围的行星上，这是当前的观察目标，因此，表现出红色边缘​​的波长范围可能会根据适应光环境的染料而变化。在这项研究中，为了证明植物具有比叶绿素吸收光的分子的现实性是从物理化学的角度来看，我们搜索了具有氧化还原能力的分子，这些分子吸收了近红外光线，而使用量子化学计算来吸收水的氧化。这将导致建议地球上液态水，氧气和植被的可观察性。今年，我们继续使用各种方法和精度来计算光合染料和其他大型环状分子的激发态，同时还使用多种计算方法评估了氧化 - 雷克斯电势。除了单体外，我们还对光合作用反应中心的重要二聚体进行了一些计算。特别是，估计了叶绿素A，细菌叶绿素A，B和G的更详细的氧化还原功率，它们是染料，它们是光合作用反应的特殊对的染料。具体而言，通过使用ADMP施加温度来开发时间，并更改准确性并进行评估来计算氧化还原电位。在继续使用量子化学计算进行计算的同时，该系统将继续使用机器学习进行物理性质估算。