Определение фотофизических параметров хлорофилла а в фотосинтезирующих организмах методом нелинейной лазерной флуориметрии (1104207)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиГостев Тимофей СергеевичОпределение фотофизических параметров хлорофилла ав фотосинтезирующих организмах методом нелинейнойлазерной флуориметрииСпециальность 01.04.21 — лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико–математических наукМосква — 2011Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физического факультетаМосковского государственного университета имени М.

В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико–математических наук, профессорФадеев Виктор Владимирович.Официальные оппоненты: доктор физико–математических наук, профессорВитухновский Алексей Григорьевич, Физическийинститут имени П. Н. Лебедева РАН, Москва;доктор физико–математических наукРазживин Андрей Павлович, Институт физико–химической биологии имени А. Н. Белозерского,Москва.Ведущая организация:Учреждение Российской академии наук Институтспектроскопии РАН, Троицк, Московская область.Защита состоится 15 декабря 2011 года в 15:00 на заседании диссертационногосовета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имениМ. В.

Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП–1, Ленинские горы, МГУ,ул. Академика Хохлова, д. 1, стр. 62, Корпус нелинейной оптики, аудиторияимени С. А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М. В. Ломоносова.Автореферат разослан «» ноября 2011 г.Ученый секретарь диссертационного советаД 501.001.31, кандидат физ.–мат. наук, доцентИльинова Т. М.Общая характеристика работыАктуальность темы исследованияФлуоресценция молекул хлорофилла а — основного пигмента фотосинтезирующих организмов (ФСО) — является важным каналом получения информации офункциональном состоянии фотосинтетического аппарата и эффективности первичных процессов фотосинтеза, протекающих в нем.Из всех методов флуоресцентной спектроскопии (флуориметрии) ФСО наиболее распространенными являются подходы, позволяющие измерять фотофизические параметры фотосинтетического аппарата как целого, то есть на уровнеклеток и клеточных органелл.

В основе этих методов лежит зависимость квантового выхода флуоресценции молекул хлорофилла а от эффективности остальных, конкурирующих с флуоресценцией процессов дезактивации их возбужденных состояний. К заметным преимуществам подобных «классических» подходов можно отнести однозначную биофизическую интерпретацию определяемыхпараметров и относительную простоту их технической реализации. Вместе стем, эти методы не решают в полной мере задачу установления механизмов рядафотофизических процессов в ФСО, таких, например, как фотоадаптация к избыточному освещению и изменения в фотосинтетическом аппарате под воздействием факторов окружающей среды. Эти методы оказываются недостаточными идля флуоресцентной диагностики ФСО в режиме дистанционного зондированияс характерным для этого режима дефицитом априорной информации об исследуемых объектах.Возможности флуоресцентной диагностики существенно возрастают, еслиопределение флуоресцентных параметров на клеточном уровне дополнено измерением параметров на молекулярном уровне — параметров молекул хлорофилла а in vivo.

Наиболее перспективными из методов, позволяющих проводить подобные измерения, представляются методы, использующие для возбужденияфлуоресценции импульсное лазерное излучение, в частности, развиваемый вдиссертационной работе метод нелинейной лазерной флуориметрии.3Однако к началу исследований по теме диссертации возможности этого метода были реализованы в ограниченном объеме: созданные ранее алгоритмы решения обратной задачи нелинейной лазерной флуориметрии ФСО, входнымиданными для которой являются кривые насыщения флуоресценции, позволялиопределять, с приемлемой точностью, лишь два параметра, представляющих собой свертки нескольких фотофизических параметров молекул хлорофилла а.

Установленная высокая чувствительность этих параметров к видовой принадлежности микроводорослей, составляющих фитопланктонное сообщество, и некоторым факторам среды, стала стимулом к исследованию путей увеличения числараздельно определяемых фотофизических параметров до величины, принципиально ограниченной формой кривой насыщения флуоресценции. Это открылобы новые возможности в исследовании механизмов фотофизических процессовв ФСО и использования их в качестве биоиндикаторов состояния среды. Такаязадача и была поставлена в данной работе.Светособирающие пигмент–белковые комплексы ФСО являются представителями широкого класса систем с высокой локальной концентрацией содержащихся в них флуорофоров (локальная концентрация пигментов, в том числе хлорофилла а, в светособирающих комплексах составляет n0 ~ 1019 см-3), что принципиальным образом характеризует кривые насыщения флуоресценции такихобъектов и, как следствие, подходы к разработке алгоритмов решения обратнойзадачи нелинейной лазерной флуориметрии.

Это определяет актуальность темыдиссертации в развитии новых методик лазерной флуоресцентной спектроскопии. Актуальность темы диссертационной работы для лазерной биофотоникиФСО связана с отмеченными выше перспективами использования ее результатов в исследовании фотофизических процессов в ФСО на молекулярном уровне,а также в разработке новых подходов в создании флуоресцентных биоиндикаторов состояния среды на основе ФСО.Цели и задачи диссертационной работыЦелью диссертационной работы являлось дальнейшее развитие метода нелинейной лазерной флуориметрии ФСО как представителей класса систем с высо-4кой локальной концентрацией флуорофоров и исследование новых возможностей применения его в изучении фотофизических процессов в ФСО.

Для этого вдиссертационной работе решаются следующие задачи:1. Путем математического моделирования исследовать возможность увеличения размерности обратной задачи нелинейной лазерной флуориметрии ФСОдо величины, принципиально ограниченной формой кривой насыщенияфлуоресценции.2. Создать лазерный спектрометр для экспериментальной реализации предложенных методических подходов к увеличению размерности обратной задачинелинейной лазерной флуориметрии ФСО.3. Исследовать возможности метода нелинейной лазерной флуориметрии врамках разработанных подходов в изучении биофизических процессов вФСО, в том числе, совместно с «классическими» флуоресцентными методиками.4.

С использованием метода нелинейной лазерной флуориметрии провестиоценку чувствительности фотофизических параметров молекул хлорофилла а в водных ФСО к различным факторам среды.Научная новизна1. Предложен двухэтапный алгоритм решения обратной задачи нелинейной лазерной флуориметрии применительно к системам с высокой локальной концентрацией флуорофоров, существенно повышающий ее размерность и позволяющий определить из экспериментальных кривых насыщения полныйнабор фотофизических параметров флуорофоров, используемых в принятойматематической модели флуоресцентного отклика.2. Создан лазерный спектрометр для нелинейной флуориметрии ФСО, позволяющий реализовать как нестационарный (длительность лазерных импульсов — 0,3 нс), так и квазистационарный (длительность импульсов — 20 нс)режимы возбуждения их флуоресценции.3.

Впервые из экспериментальных кривых насыщения флуоресценции пигмент–белковых комплексов микроводорослей определены четыре приори-5тетных фотофизических параметра молекул хлорофилла а in vivo — сечениевозбуждения, эффективное время жизни возбужденного состояния, квантовый выход флуоресценции и максимальная скорость синглет–синглетной аннигиляции — причем на одном приборе, в рамках единого алгоритма.4.

C использованием предложенных подходов нелинейной флуориметрии исследованы процессы фотоадаптации в ФСО; полученные результаты позволяют сделать выводы об эффективности различных фотопротекторных механизмов.5. Экспериментально показана высокая чувствительность фотофизических параметров хлорофилла а в водных ФСО к различным факторам среды — естественным (в частности, изменению солености и содержания азота в водной среде) и антропогенным (присутствию в среде тяжелых металлов).Научная и практическая значимостьНаучная и практическая ценность диссертационной работы обусловлена возможным применением полученных в ней результатов для решения фундаментальных и прикладных задач лазерной флуоресцентной спектроскопии, биофизики фотосинтеза и экологии:— в исследованиях объектов, относящихся к классу систем с высокой локальной концентрацией флуорофоров;— для получение новой информации о первичных процессах фотосинтеза ипроцессах фотоадаптации в ФСО (в частности, о конформационных изменениях в светособирающих пигмент–белковых комплексах);— при практической разработке лазерных (в том числе, дистанционных) методов биоиндикации состояния водных экосистем с использованием ФСО в качестве флуоресцентного сенсора;— при разработке систем мониторинга влияния глобального изменения климата на состояние водной экосистемы.Положения, выносимые на защиту1.

Метод нелинейной лазерной флуориметрии с использованием предложенных в работе алгоритмов позволяет определять из экспериментальной кри6вой насыщения флуоресценции комплексов с высокой локальной концентрацией флуорофоров четыре фотофизических параметра флуорофоров — сечение возбуждения, максимальную скорость синглет–синглетной аннигиляции, время дезактивации возбужденного состояния, учитывающее все каналы релаксации возбуждения за исключением синглет–синглетной аннигиляции, и квантовый выход флуоресценции.2. Использование нестационарного режима возбуждения флуоресценции позволяет повысить точность решения обратной задачи нелинейной флуориметрии на величину, эквивалентную снижению амплитуды шума в экспериментальных кривых на 3 dB при измерении их в квазистационарном режиме.3. Предложенные в работе подходы позволяют определять константы скоростей фотохимического и нефотохимического тушения возбужденных состояний молекул хлорофилла а, а также регистрировать конформационныеизменения в фотосинтетическом аппарате.4.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации