Les premiers moments de la photosynthèse calculés sur un supercalculateur

Schéma du complexe LHC-II pour la collecte de l'énergie lumineuse: la chlorophylle a est représentée en couleur turquoise, la chlorophylle b est verte. La

photosynthèse chez les plantes et les animaux est le processus d'absorption de l'énergie quantique lumineuse par le centre de réaction d'un organisme avec sa conversion et son accumulation chimique. Les substances organiques synthétisées servent alors de carburant dans les réactions intracellulaires.

Le centre de réaction est un supercomplexe de protéines de grande taille avec de nombreuses antennes de photo-récolte. Les scientifiques continuent d'étudier sa structure et sa fonctionnalité. Peut-être qu'un jour, il s'avérera faire un analogue artificiel avec le même rendement élevé. Un groupe conjoint de scientifiques de l'Université du Pays Basque (Espagne), de l'Université de Barcelone (Espagne), du Livermore National Laboratory (États-Unis, de l'Université de Halle-Wittenberg (Allemagne), de l'Université de Liège (Belgique) et de l'Université de Coimbra (Portugal) a contribué à cette étude en étudiant Complexes photo-collecteurs de chlorophylle LHC-II (Light Harvesting Complex II) La simulation LHC-II a été lancée simultanément sur plusieurs des supercalculateurs les plus puissants d'Europe.

Pour plus d'informations sur la création de code Octopus pour un réseau distribué de superordinateurs, consultez un autre article scientifique . Les développeurs ont réussi à créer un modèle informatique fiable des processus de mécanique quantique se produisant dans le complexe réactionnel pendant la photosynthèse.

L'illustration ci-dessous montre un exemple de simulation simplifiée, une grille adaptative pour une molécule de chlorophylle a avec une distance entre les nœuds de 0,5 Å et un rayon de 2,5 Å. Chaque couleur correspond à une zone qui peut être transférée pour le calcul vers un processeur séparé pour un calcul parallèle massif sur un ou plusieurs supercalculateurs simultanément.



Le complexe LHC-II fonctionne au premier stade de la photosynthèse des plantes et se compose de 17 000 atomes. On ne sait pas avec certitude comment les processus quantiques se produisent exactement dans ce complexe à la réception d'un photon, bien qu'il existe des théories fiables à ce sujet.

Grâce à la parallélisation du processus, les scientifiques ont pu exécuter l'émulation sur plusieurs supercalculateurs fonctionnant en parallèle. L'expérience a impliqué le supercalculateur allemand Juqueen (458 752 cœurs), le Fermi italien (163 840 cœurs), l'hydre allemande (65 320 cœurs), le catalan MareNostrum III (48 896 cœurs) et d'autres supercalculateurs installés dans les universités européennes.

L'objectif principal était d'optimiser le code Octopus, de l'étudier dans un vrai système distribué et de sélectionner les paramètres de programme corrects. La simulation de la totalité de la molécule LHC-II est une tâche irréaliste, par conséquent, les scientifiques ont utilisé des modèles avec 5759, 4050 et 6075 atomes. Aujourd'hui, il s'agit de la plus grande simulation du processus de photosynthèse dans le complexe LHC-II.

Grâce à l'expérience, il a été possible de confirmer la théorie qui décrit la réaction de photosynthèse à l'intérieur du LHC-II dans les 15 premières femtosecondes après l'arrivée du photon.

Grâce à l'optimisation de la loi de Moore et du code Octopus, on espère qu'il sera bientôt possible d'émuler le processus de photosynthèse pour une molécule complète avec l'ensemble des 17 000 atomes. De plus, les scientifiques d'autres pays peuvent utiliser le logiciel gratuit Octopus pour le calcul distribué et la simulation de molécules autres que le LHC-II.

Les résultats des travaux scientifiques ont été publiés dans l'article " Insights into color-tuning of chlorophyll Optical response in green plants " dans la revue Physical Chemistry Chemical Physics du 17 juillet 2015, l'article est dans le domaine public ( pdf ).

Source: https://habr.com/ru/post/fr383511/