Los primeros momentos de la fotosíntesis calculados en una supercomputadora

Esquema del complejo LHC-II para recolectar energía de la luz: la clorofila a se muestra en color turquesa, la clorofila b es verde. La

fotosíntesis en plantas y animales es el proceso de absorción de la energía cuántica de la luz por el centro de reacción de un organismo con su conversión y acumulación química. Las sustancias orgánicas sintetizadas sirven entonces como combustible en reacciones intracelulares.

El centro de reacción es un gran supercomplejo de proteínas con muchas antenas de recolección de fotos. Los científicos aún continúan estudiando su estructura y funcionalidad. Tal vez algún día resulte hacer un análogo artificial con la misma alta eficiencia. Un grupo conjunto de científicos de la Universidad del País Vasco (España), la Universidad de Barcelona (España), el Laboratorio Nacional de Livermore (Estados Unidos, la Universidad Halle-Wittenberg (Alemania), la Universidad de Lieja (Bélgica) y la Universidad de Coimbra (Portugal) contribuyeron a este estudio al estudiar Clorofila LHC-II (Light Harvesting Complex II) Complejos de recolección de fotos La simulación LHC-II se lanzó en varias de las supercomputadoras más potentes de Europa al mismo tiempo.

Para obtener más información sobre la creación de código Octopus para una red distribuida de supercomputadoras, consulte otro artículo científico . Los desarrolladores lograron crear un modelo informático confiable de los procesos de mecánica cuántica que ocurren en el complejo de reacción durante la fotosíntesis.

La siguiente ilustración muestra un ejemplo de una simulación simplificada, una cuadrícula adaptativa para una molécula de clorofila a con una distancia entre nodos de 0,5 Å y un radio de 2,5 Å. Cada color corresponde a un área que se puede transferir para el cálculo a un procesador separado para el cálculo paralelo masivo en una o más supercomputadoras simultáneamente.



El complejo LHC-II funciona en la primera etapa de la fotosíntesis de la planta y consta de 17,000 átomos. No se sabe con certeza cómo ocurren exactamente los procesos cuánticos en este complejo al recibir un fotón, aunque existen teorías confiables sobre este tema.

Gracias a la paralelización del proceso, los científicos pudieron ejecutar la emulación en varias supercomputadoras que funcionaban en paralelo. El experimento involucró al superordenador alemán Juqueen (458 752 núcleos), el Fermi italiano (163 840 núcleos), la Hidra alemana (65 320 núcleos), el MareNostrum III catalán (48 896 núcleos) y otros superordenadores instalados en universidades europeas.

El objetivo principal era optimizar el código Octopus, estudiarlo en un sistema distribuido real y seleccionar los parámetros correctos del programa. La simulación de la molécula completa de LHC-II es una tarea poco realista, por lo tanto, los científicos usaron modelos con 5759, 4050 y 6075 átomos. Hoy es la simulación más grande del proceso de fotosíntesis en el complejo LHC-II.

Gracias al experimento, fue posible confirmar la teoría que describe la reacción de fotosíntesis dentro del LHC-II en los primeros 15 femtosegundos después de que llega el fotón.

Gracias a la ley de Moore y la optimización del código Octopus, existe la esperanza de que pronto sea posible emular el proceso de fotosíntesis para una molécula completa con los 17,000 átomos. Además, los científicos de otros países pueden usar el software gratuito Octopus para la computación distribuida y la simulación de moléculas que no sean LHC-II.

Los resultados del trabajo científico se publicaron en el artículo " Perspectivas sobre el ajuste de color de la respuesta óptica de clorofila en plantas verdes " en la revista Physical Chemistry Chemical Physics 17 de julio de 2015, el artículo es de dominio público ( pdf ).

Source: https://habr.com/ru/post/es383511/