VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Биофизика сложных многокомпонентных систем. Математическое моделирование. Биоинформатика

Влияние динамики фотосинтезирующих клеточных структур фитопланктона на производство биомассы

А.И. Абакумов1*, С.Я. Пак1

1.ИАПУ ДВО РАН;

* abakumov(at)dvo.ru

Для исследования влияния фотосинтезирующих клеточных структур на производство биомассы предложены две модели. Обе они основаны на общепринятой модели Друпа [1] для внутриклеточного содержания минерального вещества в фитопланктоне. Модель Друпа расширена с учетом механизмов фотосинтетического производства. Для этого используется понятие хлорофильной квоты – доли фотосинтезирующих веществ в растительных клетках. Фотосинтетическая активность фитопланктона, помимо хлорофильной квоты, определяется внешними условиями, в первую очередь, уровнем фотосинтетически активной радиации (ФАР). Модель основана на разделении зависимости воспроизводства фитопланктона от внешних условий соответственно этапам фотосинтеза. Световой этап в большей мере определяется ФАР, а темновая стадия лимитируется питательным ресурсом при контролирующем влиянии температуры водной среды. Дальнейшее развитие модели связано с более детальным описанием фотосинтеза с точки зрения энергоресурса, который формируется в световую стадию в форме энергоемких веществ или макроэргических молекул – макроэргов. Самым распространенным макроэргом клетки является аденозинтрифосфат (АТФ). Доля АТФ в фитопланктоне меняется в зависимости от светового режима и от того, сколько энергии расходуется в темновую стадию. В модель, помимо основных уравнений, включая кинетику Друпа, введены уравнения динамики хлорофильной квоты и пула АТФ. Проведено сравнение условий существования и устойчивости равновесных решений при одинаковых значениях общих для обеих моделей параметров. Установлено наибольшее влияние на динамические режимы минимального значения клеточной квоты. Существенно значимым также является доля биомассы, ассоциированная со световым периодом фотосинтеза. В терминах первой модели это биомасса, продуцируемая в светлое время суток, в рамках второй модели – биомасса, сформированная за счет энергии АТФ, запасенной в световой фазе. Выявлено влияние структуры динамических моделей на суточную и годовую динамику фитопланктона. Исследованы сценарии поведения моделей при различных режимах освещенности, в том числе при постоянном и периодически меняющемся освещении.

Обе модели имеют сложную динамику, когда устойчивых равновесий не существует. Эта динамика подчиняется аттрактору модели Друпа. Она может иметь периодические, квазипериодические и квазистохастические свойства в постоянной среде.

Условия изменения освещенности моделировались при прочих неизменных условиях. Поведение квоты хлорофилла и доли АТФ в биомассе, рассчитанное по предложенной модели, полностью согласуется с результатами опубликованных лабораторных экспериментов [2]. В частности, ввод уравнения динамики АТФ в модельную систему позволяет избежать прямого влияния квоты хлорофилла на внутриклеточное содержание биогенов. Таким образом, формируется временной лаг, в течение которого система успевает накопить энергию, необходимую для запуска ферментативной реакции. Характерно, что хлорофилл начинает расходоваться только при накоплении достаточного количества энергии. В отсутствие освещения клетки фитопланктона в качестве источника энергии используют только АТФ. Реакция синтеза органического вещества протекает медленнее. Поэтому хлорофилл также расходуется медленно. Следовательно, наибольшая его концентрация в клетках фитопланктона отмечается в абсолютной темноте. Концентрация АТФ, наоборот, падает до минимума, так как в темноте увеличивается потребление энергоемких веществ из-за отсутствия других источников энергии [3].

Моделирование годового цикла показывает адекватную динамику в обеих моделях при имитации сезонных изменений среды обитания в течение года. Показано, что такие изменения приводят к весенним и осенним вспышкам продуктивности биомассы. Это согласуется с известными полевыми наблюдениями [4]. В целом, модели демонстрируют способность более точно описывать процессы биопродукции по сравнению с моделями, разработанными нами ранее. При наличии данных дистанционных наблюдений и результатов лабораторных экспериментов представленные модели могут быть использованы для оценки биопродуктивности водных экосистем.

1. Droop M.R. Some thoughts on nutrient limitation in algae. J. Phycol. 1973. No. 9. P. 264–272.

2. Hunter B.L., Laws E.A. ATP and chlorophyll a as estimators of phytoplankton carbon biomass. Limnology and Oceanography. 1981. V. 26. No. 5. P. 944–956.

3. Adamson H.Y., Hiller R.G., Vesk M. Chloroplast development and the synthesis of chlorophyll a and b and chlorophyll protein complexes I and II in the dark in Tradescantia albiflora (Kunth). Planta. 1980. V. 150. No. 4. P. 269–274.

4. Colebrook J.M. Continuous plankton records: seasonal cycles of phytoplankton and copepods in the North Atlantic Ocean and the North Sea. Marine Biology. 1979. V. 51. No. 1. P. 23–32.

Influence of phytoplankton photosynthetic cell structures dynamics on biomass production

A.I. Abakumov1*, S.Y. Pak1

1.Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS;

* abakumov(at)dvo.ru

Two models have been proposed to study the effect of photosynthetic cell structures on biomass production. Both of them are based on the generally accepted Droop model [1] for the intracellular content of mineral matter in phytoplankton. Description of the photosynthetic processes in phytoplankton includes in the model structure. The concept of chlorophyll quota is used. It is the proportion of photosynthetic substances in plant cells. In addition to the chlorophyll quota, the photosynthetic activity of phytoplankton is determined by external conditions, primarily by the level of photosynthetically active radiation (PAR). The model is based on separating the dependence of phytoplankton reproduction on external conditions according to the stages of photosynthesis. The light stage is largely determined by the PAR, and the dark stage is limited by the nutrient resource under the controlling influence of the temperature of the aquatic environment. In order to develop the model, the storage of energy in the light stage of photosynthesis is described in detail. Energy is stored in the form of energy-intensive substances in macroergic molecules (macroergs). The most common cell macroerg is adenosine triphosphate (ATP). The proportion of ATP in phytoplankton varies depending on the light regime and on the energy amount stored in the dark stage. The model includes the Droop kinetics and equations for the dynamics of the chlorophyll quota and the ATP pool. The conditions for the existence and stability of equilibrium solutions are compared for the same values of parameters common to both models. The greatest influence on the dynamic modes of the minimum value of the cell quota has been established. The proportion of biomass associated with the light period of photosynthesis is also significant. For the first model that is the biomass produced during daylight hours. And in terms of the second model, it is the biomass formed due to the energy of ATP stored in the light phase. The influence of the structure of dynamic models on the daily and annual dynamics of phytoplankton was revealed. Scenarios of behavior of models under various lighting conditions, including constant and periodically changing lighting, have been studied.

When stable equilibria do not exist both models have complex dynamics. This dynamics obeys the attractor of the Droop model. It can have periodic, quasi-periodic and quasi-stochastic properties in a constant environment.

The conditions for changing illumination were modeled under other constant conditions. The model behavior of the chlorophyll quota and the proportion of ATP in the biomass is in full agreement with the results of published laboratory experiments [2]. In particular, the introduction of the equation of ATP dynamics into the model system makes it possible to avoid the direct influence of the chlorophyll quota on the intracellular content of nutrients. Thus, a time lag is formed. The system has time to accumulate the energy necessary to start the enzymatic reaction. Important to note that chlorophyll begins to be consumed only when a sufficient amount of energy is accumulated. In the absence of illumination, phytoplankton cells use only ATP as an energy source. The reaction of organic matter synthesis proceeds more slowly. Therefore, chlorophyll is also consumed slowly. Consequently, its highest concentration in phytoplankton cells is noted in absolute darkness. On the contrary, the ATP concentration drops to a minimum, since the consumption of energy-intensive substances increases in the dark due to the lack of other energy sources [3].

Modeling of the annual cycle takes into account seasonal changes in the habitat and demonstrates adequate dynamics in both models. It is shown that such changes lead to spring and autumn bursts of biomass productivity. This is consistent with known in situ observations [4]. In general, the models demonstrate the ability to more accurately describe the processes of bioproduction in comparison with the ones developed by us earlier. Given the availability of data from remote observations and the results of laboratory experiments, the presented models can be used to assess the bioproductivity of aquatic ecosystems.

1. Droop M.R. Some thoughts on nutrient limitation in algae. J. Phycol. 1973. No. 9. P. 264–272.

2. Hunter B.L., Laws E.A. ATP and chlorophyll a as estimators of phytoplankton carbon biomass. Limnology and Oceanography. 1981. V. 26. No. 5. P. 944–956.

3. Adamson H.Y., Hiller R.G., Vesk M. Chloroplast development and the synthesis of chlorophyll a and b and chlorophyll protein complexes I and II in the dark in Tradescantia albiflora (Kunth). Planta. 1980. V. 150. No. 4. P. 269–274.

4. Colebrook J.M. Continuous plankton records: seasonal cycles of phytoplankton and copepods in the North Atlantic Ocean and the North Sea. Marine Biology. 1979. V. 51. No. 1. P. 23–32.



Докладчик: Абакумов А.И.
34
2022-12-30

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists