На службе у природы. Ученые создали математическую модель для экомониторинга

30 июня 2024 3 мин.

Исследовательским коллективом кафедры биофизики биологического факультета МГУ была разработана математическая модель, которую авторы предлагают использовать для оценки свойств одного из важных компонентов фотосинтетического аппарата растительных организмов — фотосистемы II.

Поскольку свойства данной фотосистемы чувствительны к внешним условиям, полученная математическая модель может использоваться для анализа состояния окружающей среды и экологического мониторинга. Результаты исследования опубликованы в журнале Photosynthesis Research.

Фототрофы (растения, водоросли, некоторые бактерии), как и все живые организмы, подвержены влиянию той среды, в которой они обитают. В частности, на их жизнедеятельность влияют избыток или недостаток света и влажности, доступность минеральных ресурсов. Для фототрофов основным источником энергии служит солнечный свет. В результате поглощения кванта света запускается цикл реакций, в ходе которых энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей. Эта энергия затем используется для синтеза органических соединений.

Комплекс структур, принимающих участие в фотосинтезе, называют фотосинтетическим аппаратом. Одной из таких структур является фотосистема II (ФС II), которая сама по себе имеет весьма сложное строение. К наиболее важным компонентам ФС II относятся светособирающая антенна, от размера которой зависит количество улавливаемого света, а также кислород-выделяющий комплекс (КВК), от активности которого зависит количество выделяемого О2. Различия в характеристиках этих компонент определяют так называемую гетерогенность ФС II – в одном организме и даже в одной клетке могут содержаться фотосистемы с различным размером антенны и различной функциональностью КВК.

Активные исследования ФС II ведутся уже несколько десятилетий. Сигнал от ФС II, называемый кривой индукции флуоресценции, легко получить как в лабораторных, так и в природных условиях с помощью специального прибора — флуориметра. Форма кривой отражает не только состояние всех компонентов ФС II, но и позволяет судить об активности фотосинтетического аппарата в целом. Этим вызван большой интерес к математическому моделированию такого сигнала. Однако существующие модели, детально описывающие все состояния ФС II, являются громоздкими, содержат достаточно много уравнений и параметров, и поэтому плохо применимы для анализа большого числа экспериментальных кривых, получаемых при экологическом мониторинге.

Сотрудниками кафедры биофизики биологического факультета МГУ была разработана математическая модель, основанная на принципе иерархии времен. Такой принцип подразумевает учитывание существования быстрых и медленных процессов. Этот подход позволил провести строгую редукцию исходной большой модели и получить упрощенную модель. Упрощенная модель очень удобна для проведения экспресс-анализа большого массива экспериментальных кривых. При этом она включает все реакции, необходимые для описания особенностей формы экспериментальной кривой.

Разработанную модель использовали для оценки гетерогенности ФС II различных фототрофных организмов, обработанных диуроном. Данное соединение позволяет более корректно оценить размер антенны. В качестве объектов исследований ученые выбрали водоросли Chlamydomonas, Scenedesmus и Chlorella. Варьировали условия их культивирования: разные освещенность и температура, избыток и недостаток элементов минерального питания в среде. Результаты показали, что с помощью модели можно увидеть, как меняется размер светособирающей антенны и активность КВК при переходе от одних условий культивирования к другим.

Легкость получения экспериментальных кривых с одной стороны, и простота в использовании модели с другой, позволяют использовать комплекс флуориметр плюс модель для получения экспресс-оценок состояния ФС II. Разработанная модель будет полезной в качестве инструмента для проведения экологического мониторинга, а также в агробиотехнологии.