En växt:naturlig, vuxen, lummig. En förbränningsmotor:konstgjord, bearbetad, metallisk.

Först rodna, dessa två föremål kunde inte likna varandra. Än, enligt en Princeton University -studie som publicerades 29 juni i tidskriften PLoS ONE , de två komplexa systemen delar slående paralleller när det gäller anpassning till förändrade miljöförhållanden. Växter, självklart, utvecklas spontant, medan motorer "utvecklas, " som det var, genom medveten mänsklig planering. För båda, lägga till nya komponenter till en framgångsrik kärnprocess, snarare än att ändra själva kärnprocessen, har visat sig vara en varaktig strategi.

När det gäller växter, kärnprocessen är fotosyntes. Under miljontals år av naturlig utveckling, växter har utvecklat två effektiva fotosyntesvarianter för att hantera starkt olika klimat. Likaså, i motorer med fossila bränslen, förbränningsprocessen har varit i stort sett oförändrad. Men över motorernas relativt korta 150-åriga historia, två effektivitetshöjande tillägg-turboladdaren och det elektriska hybridfordonet-har anpassat dem till nya nischer.

Studien bygger på pågående ekohydrologiforskning av motsvarande författare Amilcare Porporato, Thomas J. Wu '94 professor i civil- och miljöteknik och Princeton Environmental Institute, samt data om motorer för stridsflygplan från andra världskriget och moderna bilmärken. Att utforska liknande problemlösning i dessa kontrasterande system kan ge fördelaktig inblick i naturlig utveckling och teknisk innovation, sa forskarna.

"Vi har antagit att naturliga och byggda system båda utvecklas på samma sätt som svar på förändrade begränsningar, och vissa utvecklingsprinciper kan vara gemensamma för båda systemtyperna, "sa författaren Samantha Hartzell, en doktorand i Porporatos grupp och en PEI Princeton Energy and Climate Scholar. "Att veta detta, kanske kan vi mer medvetet ta lärdomar från naturen när vi konstruerar mekaniska system. "

Princeton -pappers fynd tyder på att bryta formen av etablerade, tidigare framgångar kan vara svåra i naturliga och byggda system. Fortsatt modulär innovation kan försena det förutsedda slutet på förbränningsmotorn länge, Sa Hartzell. Mark Bartlett och Jun Yin, Princeton postdoktorala forskare inom civil- och miljöteknik, är medförfattare på tidningen.

"Ny teknik, inklusive eldrivna fordon med bränsleceller och batterier, är mer riskfyllda strategier och tar längre tid att fånga än hybridbilen, eftersom de kräver betydande förändringar i tillverkningssätt och infrastruktur, "Sa Hartzell." Till slut, dock, de kan visa sig vara mer optimala lösningar för att uppfylla våra mål om pålitlig, billiga transporter som är minimalt skadliga för vår miljö. "

"Analogin med att likna motorer med växter började som ett roligt sätt att förklara naturens tre fotosyntetiska vägar i min ekohydrologikurs, "Sa Porporato. Som många av oss först lärde oss i grundskolan, fotosyntes är processen där växter skördar energi från solljus. Den energin omvandlar koldioxidgas och vatten till mat, släppa ut syret som vi andas in som avfallsprodukt.

Ungefär 85 procent av växterna på jorden förlitar sig på fotosyntesvägen C3 - så kallad för att den producerar en sockermolekyl med tre kolatomer. Forskare uppskattar att C3-fotosyntesen utvecklades för ungefär en miljard år sedan när marina alger tog upp tidigare fritt levande fotosyntetiska bakterier i sina celler. De upptagna bakterierna, eller kloroplaster, troget har fungerat som växternas solskördskraftverk för en eon.

Princeton -forskarna liknade upprättandet av C3 -fotosyntesen med den tyska ingenjören Nikolaus Otto som patenterade förbränningsmotorn 1876. Den nya motorn blev snabbt införlivad i dåtidens fordon, ungefär som hur fotosyntetiska kloroplaster inrättar butik i marina alger.

C3 -vägen har inte visat sig vara idealisk under alla miljöförhållanden, dock. När koldioxidtillgängligheten är låg, ett nyckelenzym tenderar att införliva syre istället för kol i fotosyntesreaktionskedjan, minskar effektiviteten. Som svar, under de senaste tiotals miljoner åren, vissa växter har utvecklat en fotosyntesvariant som heter C4, som koncentrerar mängden kol i kloroplaster, vilket ökar effektiviteten.

Parallellt med C3 -fotosyntesens begränsningar, den rudimentära förbränningsmotorn uppfyller inte prestandakrav i alla scenarier. När höjden ökar, syrehalten minskar. Det visade sig vara ett problem för andra världskrigets militära flygplan som drivs av förbränningsmotorer. En teknisk lösning hittades i form av luftkompressorer, kallas turboladdare och superladdare, som tvingar in mer luft i motorn. Dessa tillsatta komponenter koncentrerar syrenivåerna för bränsleförbränning, öka kraftproduktionen. Innovationen hittade sedan in i personbilsmotorer på 1960 -talet.

Princeton -forskarna visade effektivitetsvinsterna i effekt med Rolls Royce -överladdade Merlin III -motorn jämfört med konventionella förbränningsflygmotorer. Vinsterna speglade de i avkastning från C4 -grödor, majs och sorghum, jämfört med konventionella C3 -grödor, sojabönor och vete, över förändrade koldioxidhalter.

Nästa, teamet analyserade det andra stora tillägget till systemets kärnprocesser, denna gång i form av energilagring. För växter, detta är den fotosyntetiska vägen för crassulacean acid metabolism (CAM). Det utvecklades ursprungligen för mer än 250 miljoner år sedan och hjälper växter att överleva under varma eller torra förhållanden; kaktusar och ananas är två bekanta exempel på sådan specialiserad flora. CAM -växter håller sina lövs porer stängda under den brännande dagen för att undvika skadlig vattenförlust, istället öppna porerna under den kallare natten för att ta upp koldioxid. Sedan, dagsljus fotosyntetiserar det kol som lagras-batteriliknande-i anläggningen.

Användningen av batterier är kärnan i det hybridelektriska fordonet. De erbjuder större effektivitet än när körhastigheterna är varierande, analogt med den variabla vattentillgänglighet som CAM -växter står inför. En elmotor förvandlar rörelseenergi från bromsning till elektricitet som lagras i ett batteri. Den elen kan sedan öka motorns effekt.

Forskarna utvecklade en matematisk modell för effektiviteten av vattenanvändning från CAM -växter - som också publicerades nyligen i Ecological Modeling. Denna modell utmynnade det föreslagna förhållandet mellan anläggning och motor genom att jämföra gassträckstatistik mellan fordon som säljs i standardversioner och hybridelektriska versioner.

Övergripande, fotosyntesen i dess olika former har tydligt visat sig vara en vinnande strategi för växter, som står för hela 80 procent av all biomassa på planeten. Likaså, förbränningsmotorn har dominerat mark, sjö- och lufttransport över hela världen i ett sekel.

"När du väl har utvecklat något som fungerar mycket bra, som fotosyntes eller bensinmotor, det tenderar att vara mer eller mindre oförändrat, "Sade Hartzell." I stället för att ändra de underliggande reaktionerna, växter har lagt till komponenter - ekvivalenterna med 'turboladdare' och 'batterier' - för att göra fotosyntesen mer effektiv, precis som vi har lagt till komponenter för att göra våra bensinmotorer mer effektiva. "

Robert Jackson, en professor i jordsystemvetenskap vid Stanford University som inte var inblandad i Princeton -studien, sa att forskningen kan ge insikter i utvecklingen av både naturliga och byggda system.

"Vi kan lära oss mycket genom att jämföra förändringar i naturen över evolutionär tid med förändringar i system som människor bygger idag, "Sa Jackson.

Blickar framåt, klimatförändringar kan kasta utvecklingen av växter och motorer ur anpassning. Växtfotosyntes kommer att bestå, men förbränningsmotorer med fossila bränslen faller i onåd på grund av deras produktion av klimatförändrande växthusgaser. Allt fler biltillverkare har meddelat planer på att lägga till elmotorer till sina fordonslinjer nästa årtionde, eller till och med avstå från förbränningsmotorer.

"Växter har funnits i hundratals miljoner år och har klarat av mycket större klimatförändringar än de vi nu genomgår, betydelsefulla som de är, "Hartzell sa." Även om våra nuvarande klimatförändringar förväntas orsaka förändringar i fördelningen av vissa växttyper, den grundläggande mekanismen genom vilken växter får sin energi - fotosyntes - kommer fortfarande att vara ett livskraftigt alternativ. "

Pappret, "Likheter i utvecklingen av växter och bilar, "publicerades 29 juni av PLoS ONE .