Os primeiros momentos da fotossíntese calculados em um supercomputador

Esquema do complexo LHC-II para coleta de energia luminosa: a clorofila a é mostrada na cor turquesa, a clorofila b é

verde.A fotossíntese em plantas e animais é o processo de absorção da energia dos quanta de luz pelo centro de reação de um organismo com sua conversão e acúmulo químico. As substâncias orgânicas sintetizadas servem como combustível em reações intracelulares.

O centro de reação é um grande supercomplexo de proteínas com muitas antenas de foto-colheita. Os cientistas ainda continuam a estudar sua estrutura e funcionalidade. Talvez um dia se torne um analógico artificial com a mesma alta eficiência. Um grupo conjunto de cientistas da Universidade do País Basco (Espanha), da Universidade de Barcelona (Espanha), do Laboratório Nacional Livermore (EUA, Universidade Halle-Wittenberg (Alemanha), da Universidade de Liège (Bélgica) e da Universidade de Coimbra (Portugal) contribuiu para este estudo estudando Complexos de foto-coleta de clorofila LHC-II (Light Harvesting Complex II) A simulação do LHC-II foi lançada em vários dos supercomputadores mais poderosos da Europa ao mesmo tempo.

Para obter mais informações sobre a criação de código Octopus para uma rede distribuída de supercomputadores, consulte outro artigo científico . Os desenvolvedores conseguiram criar um modelo computacional confiável dos processos da mecânica quântica que ocorrem no complexo de reação durante a fotossíntese.

A ilustração abaixo mostra um exemplo de simulação simplificada, uma grade adaptativa para uma molécula de clorofila a com uma distância entre nós de 0,5 Å e um raio de 2,5 Å. Cada cor corresponde a uma área que pode ser transferida para cálculo em um processador separado para computação paralela maciça em um ou mais supercomputadores simultaneamente.



O complexo LHC-II trabalha no primeiro estágio da fotossíntese nas plantas e consiste em 17.000 átomos. Não se sabe ao certo como exatamente os processos quânticos ocorrem neste complexo após o recebimento de um fóton, embora existam teorias confiáveis ​​sobre esse assunto.

Graças à paralelização do processo, os cientistas foram capazes de executar a emulação em vários supercomputadores que trabalhavam em paralelo. A experiência envolveu o supercomputador alemão Juqueen (458 752 núcleos), o italiano Fermi (163 840 núcleos), a Hydra alemã (65 320 núcleos), o catalão MareNostrum III (48 896 núcleos) e outros supercomputadores instalados em universidades europeias.

O objetivo principal era otimizar o código Octopus, estudá-lo em um sistema real distribuído e selecionar os parâmetros corretos do programa. A simulação de toda a molécula de LHC-II é uma tarefa irrealista, portanto, os cientistas usaram modelos com 5759, 4050 e 6075 átomos. Hoje é a maior simulação do processo de fotossíntese no complexo LHC-II.

Graças ao experimento, foi possível confirmar a teoria que descreve a reação da fotossíntese dentro do LHC-II nos primeiros 15 femtossegundos após a chegada do fóton.

Graças à lei de Moore e à otimização do código Octopus, espera-se que em breve seja possível emular o processo de fotossíntese de uma molécula completa com todos os 17.000 átomos. Além disso, cientistas de outros países podem usar o software livre Octopus para computação distribuída e simulação de moléculas que não sejam o LHC-II.

Os resultados do trabalho científico foram publicados no artigo " Insights sobre o ajuste de cores da resposta óptica da clorofila em plantas verdes " na revista Physical Chemistry Chemical Physics 17 de julho de 2015, o artigo é de domínio público ( pdf ).

Source: https://habr.com/ru/post/pt383511/