Схема комплекса LHC-II для сбора световой энергии: хлорофилл a показан бирюзовым цветом, хлорофилл b – зелёным

Фотосинтез у растений и животных — процесс поглощения реакционным центром организма энергии квантов света с её конвертацией и накоплением в химическом виде. Синтезированные органические вещества потом служат топливом во внутриклеточных реакциях.

Реакционный центр — большой белковый суперкомплекс со множеством фотособирающих антенн. Учёные до сих пор продолжают изучать его строение и функциональность. Может, когда-нибудь получится сделать искусственный аналог с таким же высоким КПД. Совместная группа учёных из университета Страны Басков (Испания), университета Барселоны (Испания), Ливерморской национальной лаборатории (США, Галле-Виттенбергского университета (Германия), университета Льежа (Бельгия) и Коимбрского университета (Португалия) внесла свой вклад в это исследование, изучив строение фотособирающих комплексов LHC-II (Light Harvesting Complex II) с хлорофиллом. Симуляцию LHC-II запустили на нескольких мощнейших суперкомпьютерах Европы одновременно.

Более подробно о создании программного кода Octopus для распределённой сети суперкомпьютеров рассказывается в другой научной статье. Разработчикам удалось создать достоверную компьютерную модель процессов квантовой механики, происходящих в реакционном комплексе во время фотосинтеза.

На иллюстрации внизу показан пример упрощённой симуляции, адаптивная сетка для молекулы хлорофилла a с расстоянием между узлами 0,5 A и радиусом 2,5 A. Каждый цвет соответствует области, которую можно перенести для вычисления на отдельный процессор для массивного параллельного обсчёта на одном или нескольких суперкомпьютерах одновременно.



Комплекс LHC-II работает на первом этапе фотосинтеза у растений и состоит из 17 000 атомов. Доподлинно не известно, как конкретно идут квантовые процессы в этом комплексе при поступлении фотона, хотя есть надёжные теории на этот счёт.

Благодаря распараллеливанию процесса учёные смогли запустить эмуляцию сразу на нескольких суперкомпьютерах, которые работали параллельно. В эксперименте участвовали немецкий суперкомпьютер Juqueen (458 752 вычислительных ядра), итальянский Fermi (163 840 ядер), немецкий Hydra (65 320 ядер), каталонский MareNostrum III (48 896 ядер) и другие суперкомпьютеры, установленные в европейских университетах.

Главной целью было оптимизировать код Octopus, изучить его в реальной распределённой системе и подобрать правильные параметры работы программы. Симуляция целой молекулы LHC-II — нереальная задача, поэтому учёные использовали модели с 5759, 4050 и 6075 атомами. На сегодняшний день это самая масштабная симуляция процесса фотосинтеза в комплексе LHC-II.

Благодаря эксперименту удалось подтвердить теорию, которая описывает реакцию фотосинтеза внутри LHC-II в первые 15 фемтосекунд после поступления фотона.

Благодаря закону Мура и оптимизации кода Octopus есть надежда, что скоро станет возможно эмулировать процесс фотосинтеза для полноценной молекулы со всеми 17 000 атомов. Более того, свободное программное обеспечение Octopus могут использовать учёные из других стран для распределённых вычислений и симуляции других молекул, помимо LHC-II.

Результаты научной работы опубликованы в статье "Insights into colour-tuning of chlorophyll optical response in green plants" в журнале Physical Chemistry Chemical Physics 17 июля 2015 года, статья находится в открытом доступе (pdf).