Imagen que muestra la distribución de la fotosíntesis en el globo terráqueo; mostrando tanto la llevada a cabo por el fitoplancton oceánico como por la vegetación terrestre / Wikipedia

Supercomputadoras para arrojar luz sobre la fotosíntesis

Informáticos, físicos y químicos de la UPV/EHU colaboran en la realización de simulaciones de la molécula en la que sucede la fotosíntesis, basándose en la mecánica cuántica. Han ejecutado el paquete de software Octopus en las supercomputadoras más rápidas de Europa, y, una vez introducidas diversas mejoras en el mismo, han hecho las mayores simulaciones realizadas en este campo, utilizando miles de procesadores de manera eficiente.

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UPV/EHU – La informática —sobre todo desde la creación de supercomputadoras— hace posible que científicos e ingenieros analicen procesos físicos muy complejos utilizando técnicas de simulación. Precisamente, investigadores del Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores y del Departamento de Física de Materiales de la UPV/EHU colaboran con investigadores de diversas universidades (entre otras, Universidad de Coimbra, Universitat de Barcelona, Lawrence Livermore National Laboratory, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, University of Liege) en el análisis del proceso de la fotosíntesis, basándose en ciertas teorías, debido a que todavía no es conocido cómo absorben luz las plantas.

La molécula encargada de la fotosíntesis en plantas está compuesta por más de 17.000 átomos 

La molécula encargada de la fotosíntesis en plantas es la LHC-II (Light Harvesting Complex II), compuesta por más de 17.000 átomos. Los científicos no saben cómo actúa esta molécula cuando recibe fotones de luz. Se necesitan computadoras complejas y programas avanzados para poder simular moléculas tan grandes como esta. Joseba Alberdi, ingeniero informático de la UPV/EHU, ha realizado su tesis en este ámbito, gracias a la colaboración del grupo ALDAPA del Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores de la Facultad de Informática y del grupo Nano-Bio Spectroscopy de la Facultad de Químicas.

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Objetivo: conseguir un gran rendimiento

El paquete de software Octopus, utilizado para hacer los cálculos, se fundamenta en dos teorías que son fruto de la reformulación de la mecánica cuántica y que se basan en la densidad electrónica. Con estas dos teorías se ha conseguido resolver problemas de mecánica cuántica por ordenador; ya que “de otra manera, se obtienen ecuaciones tan complejas que son imposibles de resolver, incluso con las supercomputadoras más potentes”, explica Alberdi. “Lamentablemente, para simular sistemas de tamaño real se necesitan tiempos de ejecución muy largos, y la única alternativa es utilizar supercomputadoras”, añade. En este trabajo, han podido utilizar algunas de las supercomputadoras más rápidas del mundo: la alemana Juqueen (con 458.752 núcleos de procesamiento o cores), la italiana Fermi (con 163.840 núcleos), la alemana Hydra (65.320 núcleos) y la catalana MareNostrum III (48.896 núcleos), entre otras.

Joseba Alberdi, ingeniero informático de la UPV/EHU

Joseba Alberdi, ingeniero informático de la UPV/EHU

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El objetivo de la tesis del investigador Joseba Alberdi ha sido optimizar el código Octopus y conseguir un alto rendimiento, para poder obtener factores de aceleración adecuados en los cálculos que se realizan en las supercomputadoras. De hecho, para poder ejecutar este código en múltiples procesadores, se han tenido que mejorar diversos problemas de memoria y de rendimiento.

En estas simulaciones han podido probar que la teoría coincide con la realidad

Todavía es todo un reto ejecutar la molécula LHC-II en su totalidad, pero han conseguido simular partes importantes de la molécula. “Hemos simulado sistemas de 5.759, 4.050 y 6.075 átomos; de acuerdo con los datos de los que disponemos, son las mayores simulaciones hechas hasta ahora”, manifiesta el investigador. En estas simulaciones han podido probar que la teoría coincide con la realidad. “Estas simulaciones nos permitirán entender, por primera vez, las reacciones que suceden en los primeros femtosegundos (10–15 s) de la fotosíntesis”, explica.

Asimismo, las mejoras introducidas en la aplicación posibilitan la simulación de muchos otros sistemas de este tamaño, y como además se trata de un software libre, está al alcance de todos los físicos.

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Más información divulgativa sobre la fotosíntesis:

Cómo funciona qué / Fotosíntesis

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