Анализ распределения особей в популяции по функциональным параметрам

Большинство опытов по измерению флуоресценции проводят на суспензии клеток и получают усредненную кривую индукции флуоресценции. Если же измерить индукционную кривую отдельной клетки, то окажется, что она отличается от усредненной и характеризует особенности состояния данной клетки. Анализ встречаемости различных типов индукционных кривых (паттернов флуоресценции) позволяет получить дополнительную информацию о состоянии популяции.

Распределение паттернов флуоресценции одноклеточных водорослей меняется в процессе роста культуры. Результаты экспериментов, полученные методом микрофлуорометрии в экспериментах С.И. Погосяна и др. представлены на круговых диаграммах. На начальных этапах роста (стадия a кривой роста  снизу) наблюдается большое разнообразие кривых ИФ. Присутствуют клетки как с низким стационарным уровнем и простой релаксационной кинетикой (активный фотосинтез), так и с высоким стационарным уровнем и сложной кинетикой (неактивный фотосинтез). На стадии нелимитированного линейного роста (b) большинство клеток обладают активным фотосинтезом. На этапе стационарного роста (g) разнообразие паттернов кинетики снова увеличивается. Появляется много клеток со сложной кинетикой ИФ и высоким стационарным уровнем флуоресценции.

Анализ упрощенной математической модели, учитывающей связь процессов электронного транспорта с циклом Кальвина, показал, что активные клетки отличаются от неактивных большим коэффициентом сопряжения электронного транспорта с циклом фиксации углекислоты. Параметр сопряжения является управляющим и определяет тип индукционной кривой. Имеется область, в которой система является триггерной и имеет два устойчивых стационарных состояния, области влияния которых разделены сепаратрисой. В этом случае в зависимости от состояния системы (начального содержания АТФ) может осуществляться активный (малое начальное содержание АТФ) или неактивный тип фотосинтеза (большое начальное содержание АТФ).

Для целей экологического мониторинга и биотехнологии особый интерес представляет разработка моделей, которые связывают регистрируемые биофизическими методами фотосинтетические показатели (флуоресценция) с популяционными характеристиками (скорость прироста биомассы).

Иллюстрации

Типы кривых индукции флуоресценции, характерные для клеток с высокой (1) и низкой (2-4) активностью фотосинтеза, и распределение клеток по типам индукционных кривых на разных стадиях роста культуры.

Схема сопряжения электронного транспорта и темновых стадий фотосинтеза.

Работа проводится совместно с лабораторией экологической биофизики (проф. Сергей Иосифович Погосян, к.б.н. Елена Николаевна Воронова, аспирант Иван Владимирович Конюхов).

Сектор информатики и биофизики сложных систем