光合成光捕集機構の量子力学計算による太陽系外惑星のバイオマーカー・モデルの構築

利用光合作用光捕获机制的量子力学计算构建太阳系外行星的生物标记模型

基本信息

批准号：
14J01303
负责人：
小松勇
金额：
$ 1.22万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

今後の観測においては低質量のM型矮星周りの惑星に焦点が当たる。このような地球と異なる環境において、周囲の光を光合成生物がどの程度効率的に吸収できるかを本研究では定量的に評価した。鉛直１次元の惑星大気の輻射輸送モデルなどを用いてFGKM型星周りの地球型惑星の表層環境の透過スペクトルを算出した。一方で、クロロフィルに代表される光合成色素や、これらで構成される光捕集複合体（LHC）の吸収スペクトルを量子化学計算によって見積もった。これらから得られた吸収、透過スペクトルの一致の度合いを示す吸収効率を評価し、それぞれの条件を比較した。色素の励起状態計算には時間依存密度汎関数法などを用いた。また、量子力学/古典力学混合法を用いて、色素の周囲の溶媒の効果も取り込んで評価した。LHCの励起状態計算には、で双極子-双極子相互作用モデル（Komatsu et al, 2015b）を用いた。この系では色素同士の相互作用などによって、色素が単一で存在するよりも長波長側に吸収スペクトルのシフトが起こる。この系でのずれは光合成生物全体での吸収スペクトル、反射スペクトルの概形に影響を与えるので、この系を評価するのは非常に重要である。LHCの構造としては紅色細菌のLH2を用いた。中心金属を天然のものから交換した色素で構成されたLH2のスペクトルの長波長化、水を持つM型周りの地球型惑星の環境における吸収効率を見積もった。クロロフィル系の色素が持つ主な吸収帯のうち、最も長波長側のQyの長波長化に特に注目した。その結果、カドミウムを中心金属にした系は、高効率であることがわかった。水中の深度の関数として表現するとより複雑になり、10cm程の深度で効率的に光吸収する。ただし、さらに深い箇所ではたとえカドミウムに交換したとしても、Qy帯の波長域に到達する光自体が減光されるので、吸収効率は低くなる。

未来的观察将集中在低质量M型矮人周围的行星上。这项研究定量评估了在与地球如此不同的环境中如何有效地吸收环境光。使用垂直一维行星大气的辐射传输模型计算了陆地行星表面环境的透射光谱。另一方面，使用量子化学计算估算了光合染料的吸收光谱，例如叶绿素和光收集复合物（LHC）。评估了吸收效率，表明从这些吸收和传播光谱之间具有一致性的程度，并比较了各自的条件。使用时间依赖性密度函数方法计算染料的激发态。另外，使用量子力学/经典力学混合方法来纳入和评估染料周围溶剂的影响。偶极 - 偶极相互作用模型（Komatsu等，2015b）用于LHC激发态计算。在该系统中，染料之间的相互作用导致吸收光谱的变化发生在更长的波长侧，而不是单个染料。评估该系统非常重要，因为偏差会影响光合生物之间的近似吸收和反射光谱。 LHC的结构是红细菌LH2。我们估计了LH2的较长的波长光谱，该光谱由已被天然金属代替的染料组成，以及在M型M型陆地行星环境中的吸收效率。在叶绿素染料的主要吸收带中，我们特别注意最长的波长侧的QY波长。结果，发现具有镉作为中央金属的系统高效。它是水深度的函数，变得更加复杂，光在10厘米左右的深度下有效吸收。但是，即使光线达到QY频带波长范围在更深的点上也被替换，光本身也达到了QY带波长范围，并且吸收效率较低。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Light absorption and energy transfer in photosynthesis: Toward extending our current biosignatures

光合作用中的光吸收和能量转移：扩展我们当前的生物特征

DOI：
发表时间：
2014
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yu Komatsu;Masayuki Umemura;Mitsuo Shoji;Megumi Kayanuma;Kazuhiro Yabana;Kenji Shiraishi
通讯作者：
Kenji Shiraishi

様々な主星の輻射環境における光合成の吸収効率

各种主星辐射环境下光合作用的吸收效率

DOI：
发表时间：
2016
期刊：
影响因子：
0
作者：
小松勇;梅村雅之
通讯作者：
梅村雅之

太陽と異なる主星の輻射場における光合成の吸収効率

不同于太阳的主星辐射场光合作用的吸收效率

DOI：
发表时间：
2015
期刊：
影响因子：
0
作者：
小松勇;梅村雅之;杉本興運・池田拓生;小松勇
通讯作者：
小松勇

Toward extending our current biosignatures: Light absorption and energy transfer calculation in photosystem

扩展我们当前的生物特征：光系统中的光吸收和能量转移计算

DOI：
发表时间：
2014
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yu Komatsu;Masayuki Umemura;Mitsuo Shoji;Megumi Kayanuma;Kazuhiro Yabana;Kenji Shiraishi
通讯作者：
Kenji Shiraishi

Light absorption efficiencies of photosynthetic pigments: the dependence on spectral types of central stars

光合色素的光吸收效率：对中心恒星光谱类型的依赖

DOI：
10.1017/s147355041400072x
发表时间：
2015
期刊：
International Journal of Astrobiology
影响因子：
1.7
作者：
Yu Komatsu;Masayuki Umemura;Mitsuo Shoji;Megumi Kayanuma;Kazuhiro Yabana and Kenji Shiraishi
通讯作者：
Kazuhiro Yabana and Kenji Shiraishi

DOI：
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通讯作者：
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