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

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。

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。