Die ersten Momente der Photosynthese wurden auf einem Supercomputer berechnet

Schema des LHC-II-Komplexes zum Sammeln von Lichtenergie: Chlorophyll a ist türkis dargestellt, Chlorophyll b ist grün. Die

Photosynthese in Pflanzen und Tieren ist der Prozess der Absorption von Lichtquantenenergie durch das Reaktionszentrum eines Organismus mit seiner Umwandlung und chemischen Akkumulation. Die synthetisierten organischen Substanzen dienen dann als Brennstoff bei intrazellulären Reaktionen.

Das Reaktionszentrum ist ein großer Protein-Superkomplex mit vielen Photo-Harvesting-Antennen. Wissenschaftler untersuchen weiterhin seine Struktur und Funktionalität. Vielleicht wird sich eines Tages herausstellen, dass ein künstliches Analogon mit der gleichen hohen Effizienz hergestellt wird. Eine gemeinsame Gruppe von Wissenschaftlern der Universität des Baskenlandes (Spanien), der Universität Barcelona (Spanien), des Livermore National Laboratory (USA, der Universität Halle-Wittenberg (Deutschland), der Universität Lüttich (Belgien) und der Universität Coimbra (Portugal) hat durch Studium zu dieser Studie beigetragen Photosammelkomplexe Chlorophyll LHC-II (Light Harvesting Complex II) Die LHC-II-Simulation wurde gleichzeitig auf mehreren der leistungsstärksten Supercomputer Europas gestartet.

Weitere Informationen zum Erstellen von Octopus-Code für ein verteiltes Netzwerk von Supercomputern finden Sie in einem anderen wissenschaftlichen Artikel . Den Entwicklern gelang es, ein zuverlässiges Computermodell der Prozesse der Quantenmechanik zu erstellen, die während der Photosynthese im Reaktionskomplex ablaufen.

Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel einer vereinfachten Simulation, eines adaptiven Gitters für ein Chlorophyllmolekül a mit einem Abstand zwischen Knoten von 0,5 Å und einem Radius von 2,5 Å. Jede Farbe entspricht einem Bereich, der zur Berechnung an einen separaten Prozessor zur massiven parallelen Berechnung auf einem oder mehreren Supercomputern gleichzeitig übertragen werden kann.



Der LHC-II-Komplex befindet sich in der ersten Phase der pflanzlichen Photosynthese und besteht aus 17.000 Atomen. Es ist nicht sicher bekannt, wie genau Quantenprozesse in diesem Komplex beim Empfang eines Photons ablaufen, obwohl es zu diesem Thema zuverlässige Theorien gibt.

Dank der Parallelisierung des Prozesses konnten Wissenschaftler die Emulation auf mehreren parallel arbeitenden Supercomputern ausführen. Das Experiment umfasste den deutschen Supercomputer Juqueen (458 752 Kerne), den italienischen Fermi (163 840 Kerne), die deutsche Hydra (65 320 Kerne), den katalanischen MareNostrum III (48 896 Kerne) und andere an europäischen Universitäten installierte Supercomputer.

Das Hauptziel war es, den Octopus-Code zu optimieren, ihn in einem realen verteilten System zu untersuchen und die richtigen Programmparameter auszuwählen. Die Simulation des gesamten LHC-II-Moleküls ist eine unrealistische Aufgabe, daher verwendeten die Wissenschaftler Modelle mit 5759, 4050 und 6075 Atomen. Heute ist es die größte Simulation des Photosyntheseprozesses im LHC-II-Komplex.

Dank des Experiments konnte die Theorie bestätigt werden, die die Photosynthesereaktion innerhalb von LHC-II in den ersten 15 Femtosekunden nach dem Eintreffen des Photons beschreibt.

Dank des Moore'schen Gesetzes und der Optimierung des Octopus-Codes besteht die Hoffnung, dass es bald möglich sein wird, den Photosynthesevorgang für ein vollständiges Molekül mit allen 17.000 Atomen zu emulieren. Darüber hinaus können Wissenschaftler aus anderen Ländern die kostenlose Octopus-Software für die verteilte Berechnung und Simulation anderer Moleküle als LHC-II verwenden.

Die Ergebnisse der wissenschaftlichen Arbeit wurden im Artikel " Einblicke in die Farbabstimmung der optischen Reaktion von Chlorophyll in grünen Pflanzen " in der Zeitschrift Physical Chemistry Chemical Physics vom 17. Juli 2015 veröffentlicht. Der Artikel ist gemeinfrei ( pdf ).

Source: https://habr.com/ru/post/de383511/