Компьютерная модель процесса фотосинтеза, работать с которой под силу лишь суперкомпьютерам, облегчит получение более продуктивных растений.
Фотосинтез в суперкомпьютере: Естественная модель
Показатели газообмена живых листьев сравнивались с данными компьютерного моделирования

Природа не устает поражать нас своей «разумностью» и эффективностью. Однако человек не устает улучшать ее, по своему разумению и своим силам. Возможно ли создать более продуктивные растения, не прибегая к выращиванию гибридов и генетической модификации? Чтобы ответить на этот вопрос, группа профессора Стивена Лонга (Steve Long), использовала суперкомпьютеры центра NCSA, создав полную модель процесса фотосинтеза, в ходе которого растения превращают энергию солнечного света в химическую. По их расчетам, эффективность, к примеру, сои можно увеличить аж на 40−60%. Аналогичные исследования посвящены рису и пшенице, и в будущем могут быть использованы для увеличения продуктивности целого ряда культурных растений.

До сих пор все попытки повысить эффективность сельскохозяйственных растений не касались самой основы их существования — фотосинтеза. Селекция и искусственный отбор, генетические модификации — все это повышало выживаемость в определенных условиях, устойчивость к определенным заболеваниям и насекомым, усваиваемость различных питательных веществ. Но улучшить фотосинтез никому и не приходило в голову.

Даже если кто-то и размышлял над подобной возможностью, вносить изменения в процесс, происходящий на молекулярном и даже атомарном уровне (при фотосинтезе происходит перенос отдельных электронов в разных энергетических состояниях). Однако благодаря современным исследованиям, которые раскрыли более сотни белков, участвующих в этом процессе у высших растений, можно вмешаться в него непосредственно.

«Сперва, — делится Стивен Лонг, — понадобилось создать полноценную компьютерную модель фотосинтеза, полностью повторяющую естественный процесс. Определив относительные роли отдельных белков в фотосинтезе, мы разбили его ход на элементарные шаги, для каждого из которых было составлено уравнение, описывающее его ход». Меняя внешние условия роста (входные параметры уравнений), ученые могли предсказывать реакцию всей фотосинтетической системы — и сверить ее с результатами, полученными на экспериментальных растениях. Убедившись в адекватности модели, исследователи стали работать над ее улучшением.

Несмотря на то, что с моделью пришлось повозиться, в итоге она открыла прекрасные возможности для исследований. Если эксперименты над реальными растениями заняли бы месяцы и годы, у суперкомпьютера на это уходят часы. Ученые позволили ему произвольно менять характеристики белков, участвующих в фотосинтезе, поставив одну цель: повышение эффективности процесса. В итоге удалось выделить 5 белков, повышение содержания которых в виртуальных «листьях» приводило к внушительному увеличению продуктивности фотосинтеза.

Все это открывает поистине впечатляющие перспективы будущего сытого человечества. Впрочем, пока одних терзает голод, другие борются с избыточным весом. Читайте об исследованиях ожирения: «Как насытиться одной молекулой», «Толстяки глупеют раньше», «Худая старость».

По публикации Roland Piquepaille′s Technology Trends