Перші моменти фотосинтезу розраховані на суперкомп'ютер

Схема комплексу LHC-II для збору легкої енергії: хлорофіла показана в бірюзовий колір, хлорофіл б показано на зеленому

Фотосинтез в рослинах і тваринах – це процес засвоєння реакцією центру тіла енергії легкої кванти з його перетворенням і накопиченням в хімічній формі. Синтемні органічні речовини, потім служать паливом в внутрішньоклітинних реакціях.

Центр реакції є великим білковим суперкомплексом з безліччю фотозбіркових антени. Вчені все ще вивчають свою структуру і функціональність. Щодня травень можна зробити штучний аналог з такою ж високою ефективністю. Спільна команда науковців з Університету Басківської країни (Іспанія), Університет Барселони (Іспанія), Національний лабораторій Livermore (США, Університет Холе-Віттенберга (Німеччина), Університет Ліж (Бельгія) та Університет Коімбра (Португал) сприяло цьому вивченню структури фотоколекційних комплексів LHC-II (Light Harvesting Complex II) з хлорофілом. На кількох найбільш потужних суперкомп’ютерів Європи стартувала імітація LHC-II.

Детальніше про створення програмного коду Octopus для розподіленої мережі надкомп'ютерів описані в іншій науковій статті. Розробники змогли створити надійну комп’ютерну модель процесів квантової механіки, що відбуваються в реагаційній комплексі під час фотосинтезу.

Ілюстрація нижче показує приклад спрощеного моделювання, адаптивної сітки для молекули хлорофілу з дистанцією між вузлами 0.5 А та радіусом 2.5 А. Кожен колір відповідає області, яка може передаватися на окремий процесор для масивної паралельної обробки на одному або декількох надкомп'ютерах одночасно.

р.

Комплекс LHC-II працює на першому етапі фотосинтезу в рослинах і складається з 17000 атомів. Невідомо, як відбуваються квантові процеси в цьому комплексі, коли отримав фотон, хоча на цьому балі є надійні теорії.

У зв’язку з паралельністю процесу вчені змогли запустити емуляцію на декількох надкомп’ютерах, які працювали паралельно. У експерименті брали участь німецький суперкомп'ютер Juqueen (458,752 сердечники), італійський Фермі (163,840 ядер), німецький гідра (65,320 ядер), каталон MareNostrum III (48,896 ядер) та інші суперкомп'ютери, встановлені в європейських університетах.

Основною метою було оптимізації коду Octopus, вивчити його в реальній розподіленій системі і знайти правильні параметри програми. Симулятор всієї молекули LHC-II є неможливим завданням, тому вчені використовували моделі з 5759, 4050 і 6075 атомів. На сьогоднішній день це найбільше моделювання фотосинтезу в комплексі LHC-II.

Експеримент підтвердив теорію, яка описує реакцію фотосинтезу всередині LHC-II у перших 15 femtoсекундах після отримання фотон.

Завдяки Законі Мура та оптимізації коду Octopus, сподівається, що найближчим часом можна буде скомпільувати процес фотосинтезу для повної молекули з усіма 17,000 атомами. Що більше, безкоштовне програмне забезпечення Octopus може використовуватися науковцями з інших країн для розподілених обчислень та імітацій молекул, крім LHC-II.

У статті опубліковано результати наукової роботи «Інсайти у кольорово-тунінг хлорофілської оптичної відповіді на зелені рослини» у журналі « Фізична хімія фізика» 17 липня 2015 р.

Джерело: geektimes.ru/post/261104/