Una pianta:naturale, cresciuto, frondoso. Un motore a combustione interna:artificiale, lavorato, metallico.

A prima vista, questi due oggetti non potrebbero apparire meno simili. Ancora, secondo uno studio della Princeton University pubblicato il 29 giugno sulla rivista PLoS UNO , i due sistemi complessi condividono sorprendenti parallelismi nell'adattarsi alle mutevoli condizioni ambientali. Impianti, Certo, evolvere spontaneamente, mentre i motori "evolvono, " com'era, attraverso una pianificazione umana consapevole. Per entrambi, l'aggiunta di nuovi componenti a un processo core di successo, piuttosto che alterare quel processo centrale stesso, ha dimostrato una strategia duratura.

Nel caso delle piante, il processo centrale è la fotosintesi. In milioni di anni di evoluzione naturale, le piante hanno sviluppato due varianti di fotosintesi efficienti per affrontare climi completamente diversi. Allo stesso modo, nei motori alimentati a combustibili fossili, il processo di combustione interna è rimasto sostanzialmente invariato. Ma nei 150 anni di storia relativamente breve dei motori, due aggiunte che aumentano l'efficienza, il turbocompressore e il veicolo elettrico ibrido, le hanno adattate a nuove nicchie.

Lo studio si basa sulla ricerca ecoidrologica in corso dell'autore corrispondente Amilcare Porporato, il Thomas J. Wu '94 Professore di Ingegneria Civile e Ambientale e il Princeton Environmental Institute, così come i dati sui motori per gli aerei da combattimento dell'era della seconda guerra mondiale e le moderne marche di auto. Esplorare la risoluzione di problemi simili tra questi sistemi contrastanti potrebbe fornire utili intuizioni sull'evoluzione naturale e sull'innovazione tecnologica, hanno detto i ricercatori.

"Abbiamo ipotizzato che i sistemi naturali e costruiti si sviluppino in modo simile in risposta ai vincoli mutevoli, e alcuni principi di evoluzione possono essere comuni a entrambi i tipi di sistemi, " ha detto la prima autrice Samantha Hartzell, uno studente laureato nel gruppo di Porporato e un PEI Princeton Energy and Climate Scholar. "Sapendo questo, forse possiamo prendere più consapevolmente lezioni dalla natura quando progettiamo sistemi meccanici".

I risultati del documento di Princeton suggeriscono che rompere gli schemi dell'affermazione stabilita, il successo passato può essere difficile nei sistemi naturali e costruiti. La continua innovazione modulare potrebbe ritardare a lungo la predetta fine del motore a combustione interna, ha detto Hartzell. Mark Bartlett e Jun Yin, Princeton ricercatori post-dottorato in ingegneria civile e ambientale, sono coautori del documento.

"Nuove tecnologie, compresi i veicoli elettrici a celle a combustibile e a batteria, sono strategie più rischiose e impiegano più tempo a prendere piede rispetto all'auto ibrida, poiché richiedono cambiamenti significativi nelle pratiche di produzione e nelle infrastrutture, "Ha detto Hartzell. "Alla fine, però, potrebbero rivelarsi soluzioni più ottimali per raggiungere i nostri obiettivi di affidabilità, trasporto poco costoso che è minimamente dannoso per il nostro ambiente."

"L'analogia di paragonare i motori alle piante è iniziata come un modo divertente per spiegare i tre percorsi fotosintetici della natura nel mio corso di ecoidrologia, " Disse Porporato. Come molti di noi imparano per la prima volta alle elementari, la fotosintesi è il processo mediante il quale le piante raccolgono energia dalla luce solare. Quell'energia trasforma l'anidride carbonica e l'acqua in cibo, rilasciando l'ossigeno che respiriamo come prodotto di scarto.

Circa l'85% delle piante sulla Terra si affida alla via fotosintetica C3, così chiamata perché produce una molecola di zucchero con tre atomi di carbonio. Gli scienziati stimano che la fotosintesi C3 si sia evoluta circa un miliardo di anni fa, quando le alghe marine hanno assorbito nelle loro cellule batteri fotosintetici precedentemente a vita libera. Quei batteri assorbiti, o cloroplasti, hanno fedelmente servito come centrali elettriche per la raccolta del sole delle piante per un eone.

I ricercatori di Princeton hanno paragonato la creazione della fotosintesi C3 all'ingegnere tedesco Nikolaus Otto che ha brevettato il motore a combustione interna nel 1876. Il nuovo motore è stato rapidamente incorporato nei veicoli stradali dell'epoca, proprio come i cloroplasti fotosintetici hanno aperto un negozio nelle alghe marine.

Il percorso C3 non si è dimostrato ideale in tutte le circostanze ambientali, però. Quando la disponibilità di anidride carbonica è bassa, un enzima chiave tende a incorporare ossigeno invece del carbonio nella catena di reazione della fotosintesi, riducendone l'efficienza. In risposta, nelle ultime decine di milioni di anni, alcune piante hanno evoluto una variante della fotosintesi chiamata C4, che concentra la quantità di carbonio nei cloroplasti, aumentando così l'efficienza.

Parallelamente ai limiti della fotosintesi C3, il rudimentale motore a combustione interna non soddisfa le richieste di prestazioni in tutti gli scenari. Quando l'altitudine aumenta, i livelli di ossigeno diminuiscono. Questo si è rivelato un problema per gli aerei militari della seconda guerra mondiale alimentati da motori a combustione interna. Una soluzione ingegneristica è stata trovata sotto forma di compressori d'aria, noti come turbocompressori e compressori, che spingono più aria nel motore. Questi componenti aggiunti concentrano i livelli di ossigeno per la combustione del carburante, aumentando la produzione di energia. L'innovazione ha poi trovato la sua strada nei motori delle autovetture negli anni '60.

I ricercatori di Princeton hanno dimostrato i guadagni di efficienza nella potenza erogata con il motore Merlin III sovralimentato Rolls Royce rispetto ai motori aeronautici a combustione interna convenzionali. I guadagni rispecchiavano quelli della resa delle colture C4, mais e sorgo, rispetto alle colture C3 convenzionali, soia e grano, attraverso i mutevoli livelli di anidride carbonica.

Prossimo, il team ha analizzato la seconda importante aggiunta ai processi principali dei sistemi, questa volta sotto forma di accumulo di energia. Per le piante, questa è la via fotosintetica del metabolismo dell'acido crassulaceo (CAM). Originariamente si è evoluto più di 250 milioni di anni fa e aiuta le piante a sopravvivere in condizioni calde o aride; cactus e ananas sono due esempi familiari di tale flora specializzata. Le piante CAM mantengono i pori delle foglie chiusi durante la giornata torrida per evitare dannose perdite d'acqua, invece aprendo i pori durante la notte più fresca per assorbire l'anidride carbonica. Quindi, la luce solare diurna fotosintetizza il carbonio immagazzinato, come una batteria, nella pianta.

L'uso delle batterie è al centro del veicolo elettrico ibrido. Offrono una maggiore efficienza rispetto a quando le velocità di guida sono variabili, analoga alla variabile disponibilità idrica affrontata dagli impianti CAM. Un motore elettrico trasforma l'energia cinetica dalla frenata in elettricità immagazzinata in una batteria. Quell'elettricità può quindi aumentare la potenza del motore.

I ricercatori hanno sviluppato un modello matematico dell'efficienza dell'uso dell'acqua da parte degli impianti CAM, anch'esso pubblicato di recente su Ecological Modeling. Questo modello ha confermato la relazione impianto-motore proposta confrontando le statistiche sul chilometraggio del gas tra i veicoli venduti nelle versioni elettriche standard e ibride.

Globale, la fotosintesi nelle sue varie forme si è chiaramente dimostrata una strategia vincente per le piante, che rappresentano un enorme 80 per cento di tutta la biomassa del pianeta. Allo stesso modo, il motore a combustione interna ha dominato la terra, trasporti marittimi e aerei in tutto il mondo da un secolo.

"Una volta che hai sviluppato qualcosa che funziona molto bene, come la fotosintesi o il motore a benzina, tende a persistere più o meno inalterato, "Ha detto Hartzell. "Piuttosto che modificare le reazioni sottostanti, le piante hanno componenti aggiunti - gli equivalenti di "turbocompressori" e "batterie" - per rendere più efficiente la fotosintesi, così come abbiamo aggiunto componenti per rendere più efficienti i nostri motori a benzina."

Robert Jackson, un professore di scienze del sistema terrestre alla Stanford University che non era coinvolto nello studio di Princeton, ha affermato che la ricerca può offrire spunti sullo sviluppo di sistemi sia naturali che costruiti.

"Possiamo imparare molto confrontando i cambiamenti della natura nel corso del tempo evolutivo con i cambiamenti nei sistemi che le persone stanno costruendo oggi, " ha detto Jackson.

Guardando avanti, il cambiamento climatico potrebbe mettere fuori allineamento l'evoluzione di impianti e motori. La fotosintesi delle piante persisterà, ma i motori a combustione interna alimentati a combustibili fossili stanno perdendo popolarità a causa della loro produzione di gas serra che alterano il clima. Un numero crescente di produttori di veicoli ha annunciato piani per aggiungere motori elettrici alle loro linee di veicoli nel prossimo decennio, o addirittura rinunciare ai motori a combustione interna.

"Le piante esistono da centinaia di milioni di anni e hanno resistito a cambiamenti climatici molto più grandi di quelli che stiamo attualmente subendo, significativi come sono, "Ha detto Hartzell. "Mentre si prevede che i nostri attuali cambiamenti climatici causino cambiamenti nella distribuzione di alcuni tipi di piante, il meccanismo di base attraverso il quale le piante traggono la loro energia, la fotosintesi, sarà ancora un'opzione praticabile".

La carta, "Somiglianze nell'evoluzione di impianti e automobili, " è stato pubblicato il 29 giugno da PLoS UNO .