Een plant:natuurlijk, gegroeid, lommerrijk. Een verbrandingsmotor:kunstmatig, machinaal bewerkt, metalen.

Op het eerste gezicht, deze twee objecten konden niet minder op elkaar lijken. Nog, volgens een studie van Princeton University gepubliceerd op 29 juni in het tijdschrift PLoS ONE , de twee complexe systemen delen opvallende parallellen bij de aanpassing aan veranderende omgevingsomstandigheden. Planten, natuurlijk, spontaan evolueren, terwijl motoren "evolueren, "als het ware door bewuste menselijke planning. Voor beide, het toevoegen van nieuwe componenten aan een succesvol kernproces, in plaats van dat kernproces zelf te veranderen, heeft een duurzame strategie bewezen.

In het geval van planten, het kernproces is fotosynthese. Gedurende miljoenen jaren van natuurlijke evolutie, planten hebben twee efficiënte fotosynthesevarianten ontwikkeld om met sterk verschillende klimaten om te gaan. Hetzelfde, in door fossiele brandstoffen aangedreven motoren, het verbrandingsproces is grotendeels ongewijzigd gebleven. Maar over de relatief korte 150-jarige geschiedenis van de motoren, twee efficiëntieverhogende toevoegingen - de turbolader en het hybride elektrische voertuig - hebben ze aangepast aan nieuwe niches.

De studie is gebaseerd op lopend ecohydrologisch onderzoek door corresponderend auteur Amilcare Porporato, de Thomas J. Wu '94 hoogleraar civiele en milieutechniek en het Princeton Environmental Institute, evenals gegevens over motoren voor gevechtsvliegtuigen uit de Tweede Wereldoorlog en moderne automerken. Het onderzoeken van vergelijkbare probleemoplossing in deze contrasterende systemen zou nuttige inzichten kunnen opleveren in natuurlijke evolutie en technologische innovatie, aldus de onderzoekers.

"We hebben de hypothese geopperd dat natuurlijke en gebouwde systemen zich beide op dezelfde manier ontwikkelen als reactie op veranderende beperkingen, en sommige evolutieprincipes kunnen gemeenschappelijk zijn voor beide soorten systemen, " zei eerste auteur Samantha Hartzell, een afgestudeerde student in de groep van Porporato en een PEI Princeton Energy and Climate Scholar. "Dit wetende, misschien kunnen we bij het ontwerpen van mechanische systemen bewuster lessen trekken uit de natuur."

De bevindingen van de Princeton-paper suggereren dat het doorbreken van de gevestigde, succes in het verleden kan moeilijk zijn in natuurlijke en gebouwde systemen. Voortzetting van modulaire innovatie zou het voorspelde einde van de verbrandingsmotor lang kunnen vertragen, aldus Hartzel. Mark Bartlett en Jun Yin, Princeton postdoctoraal onderzoekers in civiele en milieutechniek, zijn co-auteurs van het papier.

"Nieuwe technologie, inclusief brandstofcel- en batterij-elektrische voertuigen, zijn riskantere strategieën en het duurt langer om aan te slaan dan de hybride auto, omdat ze aanzienlijke veranderingen in productiepraktijken en infrastructuur vereisen, "Zei Hartzell. "Uiteindelijk, echter, ze zouden meer optimale oplossingen kunnen blijken te zijn om onze doelstellingen van betrouwbare, goedkoop transport dat minimaal belastend is voor ons milieu."

"De analogie van het vergelijken van motoren met planten begon als een leuke manier om de drie fotosynthetische routes van de natuur uit te leggen in mijn cursus ecohydrologie, "Zei Porporato. Zoals velen van ons voor het eerst leren op de lagere school, fotosynthese is het proces waarbij planten energie halen uit zonlicht. Die energie zet koolstofdioxidegas en water om in voedsel, het vrijgeven van de zuurstof die we inademen als afvalproduct.

Ongeveer 85 procent van de planten op aarde vertrouwt op de C3-fotosyntheseroute, zo genoemd omdat het een suikermolecuul met drie koolstofatomen produceert. Wetenschappers schatten dat de C3-fotosynthese ongeveer een miljard jaar geleden is geëvolueerd toen zeealgen voorheen vrijlevende fotosynthetische bacteriën in hun cellen opnamen. Die opgenomen bacteriën, of chloroplasten, hebben trouw gediend als de krachtpatsers van planten voor het oogsten van de zon voor een eeuwigheid.

De Princeton-onderzoekers vergeleken de oprichting van C3-fotosynthese met de Duitse ingenieur Nikolaus Otto die in 1876 de interne verbrandingsmotor patenteerde. De nieuwe motor werd al snel ingebouwd in wegvoertuigen van die tijd, net zoals hoe fotosynthetische chloroplasten zich vestigen in zeealgen.

De C3-route is niet in alle omgevingsomstandigheden ideaal gebleken, echter. Wanneer de beschikbaarheid van kooldioxide laag is, een sleutelenzym heeft de neiging om zuurstof in plaats van koolstof op te nemen in de fotosynthesereactieketen, de efficiëntie ervan verminderen. In antwoord, in de laatste tientallen miljoenen jaren, sommige planten hebben een fotosynthesevariant ontwikkeld die C4 wordt genoemd, die de hoeveelheid koolstof in chloroplasten concentreert, waardoor de efficiëntie wordt verhoogd.

Parallel aan de beperkingen van C3-fotosynthese, de rudimentaire verbrandingsmotor voldoet niet in alle scenario's aan de prestatie-eisen. Als de hoogte toeneemt, zuurstofgehalte neemt af. Dat bleek een probleem te zijn voor militaire vliegtuigen uit de Tweede Wereldoorlog, aangedreven door verbrandingsmotoren. Er werd een technische oplossing gevonden in de vorm van luchtcompressoren, bekend als turbochargers en superchargers, die meer lucht in de motor dwingen. Deze toegevoegde componenten concentreren zuurstofniveaus voor brandstofverbranding, stroomopwekking stimuleren. De innovatie vond vervolgens in de jaren zestig zijn weg naar de motoren van personenauto's.

De Princeton-onderzoekers demonstreerden de efficiëntiewinst in vermogen met de Rolls Royce-supercharged Merlin III-motor in vergelijking met conventionele vliegtuigmotoren met interne verbrandingsmotor. De winst weerspiegelde die in opbrengst van C4-gewassen, maïs en sorghum, in vergelijking met conventionele C3-gewassen, sojabonen en tarwe, over veranderende koolstofdioxideniveaus.

Volgende, het team analyseerde de tweede belangrijke toevoeging aan de kernprocessen van de systemen, dit keer in de vorm van energieopslag. Voor planten, dit is de fotosyntheseroute van het crassulaceanzuurmetabolisme (CAM). Het is oorspronkelijk meer dan 250 miljoen jaar geleden ontstaan ​​en helpt planten te overleven in hete of droge omstandigheden; cactussen en ananassen zijn twee bekende voorbeelden van een dergelijke gespecialiseerde flora. CAM-planten houden de poriën van hun bladeren gesloten tijdens de brandende dag om schadelijk waterverlies te voorkomen, in plaats daarvan worden de poriën tijdens de koelere nacht geopend om koolstofdioxide op te nemen. Vervolgens, zonlicht overdag fotosynthetiseert die koolstof die - batterijachtig - in de plant is opgeslagen.

Het gebruik van batterijen vormt de kern van het hybride elektrische voertuig. Ze bieden een grotere efficiëntie dan wanneer de rijsnelheden variabel zijn, analoog aan de variabele waterbeschikbaarheid waarmee CAM-planten worden geconfronteerd. Een elektromotor zet kinetische energie van het remmen om in elektriciteit die is opgeslagen in een batterij. Die elektriciteit kan dan het vermogen van de motor verhogen.

De onderzoekers ontwikkelden een wiskundig model van de efficiëntie van het watergebruik door CAM-planten - ook onlangs gepubliceerd in Ecological Modeling. Dit model bekrachtigde de voorgestelde relatie tussen de fabrieksmotor door de benzineverbruiksstatistieken te vergelijken tussen voertuigen die in standaard- en hybride elektrische versies worden verkocht.

Algemeen, fotosynthese in zijn verschillende vormen is duidelijk een winnende strategie gebleken voor planten, die goed zijn voor maar liefst 80 procent van alle biomassa op aarde. Hetzelfde, de verbrandingsmotor heeft het land gedomineerd, zee- en luchttransport wereldwijd voor een eeuw.

"Als je eenmaal iets hebt ontwikkeld dat heel goed werkt, zoals fotosynthese of de benzinemotor, het heeft de neiging min of meer onveranderd te blijven bestaan, Hartzell zei. "In plaats van de onderliggende reacties te wijzigen, planten hebben componenten toegevoegd - de equivalenten van 'turbochargers' en 'batterijen' - om de fotosynthese efficiënter te maken, net zoals we componenten hebben toegevoegd om onze benzinemotoren efficiënter te maken."

Robert Jackson, een professor in Aardsysteemwetenschap aan de Stanford University die niet betrokken was bij de Princeton-studie, zei dat het onderzoek inzichten kan bieden in de ontwikkeling van zowel natuurlijke als gebouwde systemen.

"We kunnen veel leren door veranderingen in de natuur in de loop van de evolutionaire tijd te vergelijken met veranderingen in systemen die mensen vandaag bouwen, ' zei Jackson.

Vooruit kijken, klimaatverandering kan de evolutie van planten en motoren uit balans brengen. Plant fotosynthese zal blijven bestaan, maar verbrandingsmotoren op fossiele brandstof raken uit de gratie vanwege de productie van klimaatveranderende broeikasgassen. Een toenemend aantal autofabrikanten heeft plannen aangekondigd om het komende decennium elektrische motoren aan hun voertuiglijnen toe te voegen. of zelfs af te zien van verbrandingsmotoren.

"Planten bestaan ​​al honderden miljoenen jaren en hebben veel grotere klimaatveranderingen doorstaan ​​dan die we momenteel ondergaan, belangrijk als ze zijn, "Zei Hartzell. "Hoewel onze huidige klimaatveranderingen naar verwachting veranderingen zullen veroorzaken in de verspreiding van bepaalde plantensoorten, het basismechanisme waarmee planten hun energie ontlenen - fotosynthese - zal nog steeds een haalbare optie zijn."

De krant, "Overeenkomsten in de evolutie van planten en auto's, " werd 29 juni gepubliceerd door PLoS ONE .