Fotosyntese og motorer udviklede sig på bemærkelsesværdigt lignende måder

En plante:naturlig, vokset, grønne. En forbrændingsmotor:kunstig, bearbejdet, metallisk.

Ved første rødme, disse to objekter kunne ikke se mindre ens ud. Endnu, ifølge en undersøgelse fra Princeton University, der blev offentliggjort 29. juni i tidsskriftet PLoS ONE , de to komplekse systemer deler slående paralleller i tilpasningen til ændrede miljøforhold. Planter, selvfølgelig, udvikler sig spontant, mens motorer "udvikler sig, " som det var, gennem bevidst menneskelig planlægning. For begge, tilføjelse af nye komponenter til en vellykket kerneproces, frem for at ændre selve kerneprocessen, har vist en varig strategi.

I tilfælde af planter, kerneprocessen er fotosyntese. Over millioner af år med naturlig udvikling, planter har udviklet to effektive fotosyntesevarianter til at håndtere stærkt forskellige klimaer. Ligeledes, i fossile brændstofdrevne motorer, forbrændingsprocessen er stort set uændret. Men over motorernes forholdsvis korte 150-årige historie, to effektivitetsforøgende tilføjelser-turboladeren og det elektriske hybridkøretøj-har tilpasset dem til nye nicher.

Undersøgelsen bygger på igangværende økohydrologiforskning af den tilsvarende forfatter Amilcare Porporato, Thomas J. Wu '94 professor i civil- og miljøteknik og Princeton Environmental Institute, samt data om motorer til jagerfly fra anden verdenskrig og moderne bilmærker. At udforske den lignende problemløsning på tværs af disse kontrasterende systemer kan give gavnlig indsigt i naturlig udvikling og teknologisk innovation, sagde forskerne.

"Vi har antaget, at naturlige og indbyggede systemer begge udvikler sig på samme måde som reaktion på ændrede begrænsninger, og nogle udviklingsprincipper kan være fælles for begge typer systemer, "sagde første forfatter Samantha Hartzell, en kandidatstuderende i Porporatos gruppe og en PEI Princeton Energy and Climate Scholar. "Ved dette, måske kan vi mere bevidst tage lektioner fra naturen, når vi designer mekaniske systemer. "

Princeton -papirets fund tyder på, at brud på formen af ​​etablerede, tidligere succes kan være vanskelig i naturlige og byggede systemer. Fortsat modulær innovation kan længe forsinke den forudsagte ende af forbrændingsmotoren, Sagde Hartzell. Mark Bartlett og Jun Yin, Princeton postdoktorale forskere i civil- og miljøteknik, er medforfattere på papiret.

"Nye teknologier, herunder brændselscelle- og batterielektriske køretøjer er mere risikable strategier og tager længere tid at fange end hybridbilen, da de kræver betydelige ændringer i fremstillingspraksis og infrastruktur, "Sagde Hartzell." Til sidst, imidlertid, de kunne vise sig at være mere optimale løsninger til at opfylde vores mål om pålidelig, billig transport, der er minimalt skadelig for vores miljø. "

"Analogien om at sammenligne motorer med planter begyndte som en sjov måde at forklare naturens tre fotosyntetiske veje i mit økohydrologikursus, "Sagde Porporato. Som mange af os først lærer i folkeskolen, fotosyntese er den proces, hvorved planter høster energi fra sollys. Den energi omdanner kuldioxidgas og vand til mad, frigiver den ilt, vi indånder som affaldsprodukt.

Cirka 85 procent af planterne på Jorden er afhængige af C3 fotosyntetisk vej - så navngivet, fordi det producerer et sukkermolekyle med tre carbonatomer. Forskere vurderer, at C3-fotosyntese udviklede sig for omkring en milliard år siden, da marine alger optog tidligere fritlevende fotosyntetiske bakterier i deres celler. De optagede bakterier, eller kloroplaster, trofast har tjent som plantes solhøstede kraftværker for en eon.

Princeton -forskerne sammenlignede etableringen af ​​C3 -fotosyntese med den tyske ingeniør Nikolaus Otto, der patenterede forbrændingsmotoren i 1876. Den nye motor blev hurtigt indarbejdet i datidens vejkøretøjer, meget som hvordan fotosyntetiske kloroplaster opretter butik i havalger.

C3 -vejen har ikke vist sig ideel under alle miljøforhold, imidlertid. Når kuldioxid tilgængelighed er lav, et nøgleenzym har en tendens til at inkorporere ilt i stedet for kulstof i fotosyntesereaktionskæden, reducere effektiviteten. Som svar, i de sidste snesevis af millioner af år, nogle planter har udviklet en fotosyntesevariant kaldet C4, som koncentrerer mængden af ​​kulstof i kloroplaster, dermed øge effektiviteten.

Parallelt med C3 -fotosyntesens begrænsninger, den rudimentære forbrændingsmotor opfylder ikke præstationskrav i alle scenarier. Når højden stiger, iltniveauet falder. Det viste sig at være et problem for militærfly fra anden verdenskrig drevet af forbrændingsmotorer. Der blev fundet en teknisk løsning i form af luftkompressorer, kendt som turboladere og superladere, der tvinger mere luft ind i motoren. Disse tilføjede komponenter koncentrerer iltniveauer til brændstofforbrænding, øge elproduktionen. Innovationen fandt derefter vej til personbiler i 1960'erne.

Princeton -forskerne demonstrerede effektivitetsgevinster i effekt med Rolls Royce -ladet Merlin III -motor kontra konventionelle forbrændingsflymotorer. Gevinsterne afspejlede udbyttet fra C4 -afgrøder, majs og sorghum, sammenlignet med konventionelle C3 -afgrøder, sojabønner og hvede, på tværs af ændrede kuldioxidniveauer.

Næste, teamet analyserede den anden store tilføjelse til systemernes kerneprocesser, denne gang i form af energilagring. For planter, dette er den fotosyntetiske vej i crassulacean acid metabolism (CAM). Det udviklede sig oprindeligt for mere end 250 millioner år siden og hjælper planter med at overleve under varme eller tørre forhold; kaktus og ananas er to velkendte eksempler på en sådan specialiseret flora. CAM -planter holder deres blade 'porer lukket i løbet af den brændende dag for at undgå at ødelægge vandtab, i stedet åbner porerne i den køligere nat for at optage kuldioxid. Derefter, sollys i dagtimerne fotosyntetiserer det kul, der er lagret-batterilignende-i anlægget.

Brugen af ​​batterier er kernen i det hybridelektriske køretøj. De tilbyder større effektivitet end når kørehastighederne er variable, analogt med den variable vandtilgængelighed, som CAM -anlæg står over for. En elektrisk motor gør kinetisk energi fra bremsning til elektricitet, der er lagret i et batteri. Denne elektricitet kan derefter øge motorens effekt.

Forskerne udviklede en matematisk model for effektiviteten af ​​vandforbrug fra CAM -anlæg - også for nylig offentliggjort i Ecological Modeling. Denne model udmattede det foreslåede forhold mellem anlæg og motor ved at sammenligne gasmiljøstatistik mellem køretøjer, der sælges i standard- og hybridelektriske versioner.

Samlet set, fotosyntese i sine forskellige former har klart vist sig at være en vindende strategi for planter, som tegner sig for hele 80 procent af al biomasse på planeten. Ligeledes, forbrændingsmotoren har domineret land, sø- og lufttransport verden over i et århundrede.

"Når du har udviklet noget, der fungerer meget godt, som fotosyntese eller benzinmotoren, det har en tendens til at fortsætte mere eller mindre uændret, "Sagde Hartzell." I stedet for at ændre de underliggende reaktioner, fabrikker har tilføjet komponenter - ækvivalenterne til 'turboladere' og 'batterier' - for at gøre fotosyntesen mere effektiv, ligesom vi har tilføjet komponenter for at gøre vores benzinmotorer mere effektive. "

Robert Jackson, en professor i jordsystemvidenskab ved Stanford University, der ikke var involveret i Princeton -undersøgelsen, sagde forskningen kan give indsigt i udviklingen af ​​både naturlige og byggede systemer.

"Vi kan lære meget ved at sammenligne ændringer i naturen på tværs af evolutionær tid med ændringer i systemer, folk bygger i dag, "Sagde Jackson.

Ser frem til, klimaændringer kan kaste plante- og motorudvikling ud af justering. Plantefotosyntese vil vedvare, men fossilforbrændte forbrændingsmotorer falder i unåde på grund af deres produktion af klimaforandrende drivhusgasser. Et stigende antal bilproducenter har meddelt planer om at tilføje elektriske motorer til deres køretøjslinjer næste årti, eller endda til sidst opgive forbrændingsmotorer.

"Planter har eksisteret i hundredvis af millioner af år og har forvitret meget større klimaændringer end dem, vi i øjeblikket gennemgår, betydningsfulde som de er, "Hartzell sagde." Selvom vores nuværende klimaforandringer forventes at medføre ændringer i fordelingen af ​​visse plantetyper, den grundlæggende mekanisme, hvormed planter får deres energi - fotosyntese - vil stadig være en levedygtig mulighed. "

Papiret, "Ligheder i udviklingen af ​​planter og biler, "blev udgivet 29. juni af PLoS ONE .