Una planta:natural, crecido, frondoso. Un motor de combustión interna:artificial, mecanizado metálico.

Al primer rubor, estos dos objetos no podrían parecerse menos. Todavía, según un estudio de la Universidad de Princeton publicado el 29 de junio en la revista Más uno , los dos sistemas complejos comparten sorprendentes paralelos en la adaptación a las cambiantes condiciones ambientales. Plantas por supuesto, evolucionar espontáneamente, mientras los motores "evolucionan, " como si fuera, a través de la planificación humana consciente. Para ambos, agregar nuevos componentes a un proceso central exitoso, en lugar de alterar ese proceso central en sí, ha demostrado ser una estrategia duradera.

En el caso de las plantas, el proceso central es la fotosíntesis. Durante millones de años de evolución natural, Las plantas han desarrollado dos variantes de fotosíntesis eficientes para hacer frente a climas marcadamente diferentes. Igualmente, en motores propulsados ​​por combustibles fósiles, el proceso de combustión interna se ha mantenido prácticamente sin cambios. Pero a lo largo de los 150 años de historia comparativamente breve de los motores, dos adiciones que aumentan la eficiencia, el turbocompresor y el vehículo eléctrico híbrido, los han adaptado a nuevos nichos.

El estudio se basa en la investigación ecohidrológica en curso del autor correspondiente Amilcare Porporato, el Profesor Thomas J. Wu '94 de Ingeniería Civil y Ambiental y el Instituto Ambiental de Princeton, así como datos sobre motores de aviones de combate de la era de la Segunda Guerra Mundial y marcas de automóviles modernas. Explorar la resolución de problemas similares a través de estos sistemas contrastantes podría proporcionar información beneficiosa sobre la evolución natural y la innovación tecnológica, dijeron los investigadores.

"Hemos planteado la hipótesis de que los sistemas naturales y construidos se desarrollan de manera similar en respuesta a las limitaciones cambiantes, y algunos principios de la evolución pueden ser comunes a ambos tipos de sistemas, "dijo la primera autora Samantha Hartzell, estudiante de posgrado en el grupo de Porporato y becario PEI Princeton Energy and Climate. "Sabiendo esto, tal vez podamos aprender más conscientemente de la naturaleza al diseñar sistemas mecánicos ".

Los hallazgos del artículo de Princeton sugieren que romper el molde de lo establecido, el éxito pasado puede ser difícil en sistemas naturales y construidos. La innovación modular continua podría retrasar durante mucho tiempo el fin previsto del motor de combustión interna, Hartzell dijo. Mark Bartlett y Jun Yin, Investigadores postdoctorales de Princeton en ingeniería civil y ambiental, son coautores del artículo.

"Nuevas tecnologías, incluidos los vehículos eléctricos de pila de combustible y batería, son estrategias más arriesgadas y tardan más en ponerse al día que el coche híbrido, ya que requieren cambios significativos en las prácticas de fabricación y la infraestructura, "Hartzell dijo." Al final, sin embargo, podrían demostrar ser soluciones más óptimas para cumplir con nuestros objetivos de confiabilidad, transporte económico que es mínimamente dañino para nuestro medio ambiente ".

"La analogía de comparar motores con plantas comenzó como una forma divertida de explicar las tres vías fotosintéticas de la naturaleza en mi curso de ecohidrología, ", Dijo Porporato. Como muchos de nosotros aprendemos por primera vez en la escuela primaria, la fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas obtienen energía de la luz solar. Esa energía transforma el dióxido de carbono y el agua en alimentos, liberando el oxígeno que respiramos como producto de desecho.

Aproximadamente el 85 por ciento de las plantas de la Tierra dependen de la vía fotosintética C3, llamada así porque produce una molécula de azúcar con tres átomos de carbono. Los científicos estiman que la fotosíntesis de C3 evolucionó hace alrededor de mil millones de años cuando las algas marinas incorporaron bacterias fotosintéticas de vida libre en sus células. Esas bacterias absorbidas, o cloroplastos, han servido fielmente como centrales eléctricas de recolección de sol de las plantas durante un eón.

Los investigadores de Princeton compararon el establecimiento de la fotosíntesis C3 con el ingeniero alemán Nikolaus Otto que patentó el motor de combustión interna en 1876. El nuevo motor se incorporó rápidamente a los vehículos de carretera de la época. muy parecido a cómo los cloroplastos fotosintéticos se establecieron en las algas marinas.

La vía C3 no ha demostrado ser ideal en todas las circunstancias ambientales, sin embargo. Cuando la disponibilidad de dióxido de carbono es baja, una enzima clave tiende a incorporar oxígeno en lugar de carbono en la cadena de reacción de la fotosíntesis, recortando su eficiencia. En respuesta, en las últimas decenas de millones de años, algunas plantas han desarrollado una variante de fotosíntesis llamada C4, que concentra la cantidad de carbono en los cloroplastos, aumentando así la eficiencia.

En paralelo a las limitaciones de la fotosíntesis C3, el motor de combustión interna rudimentario no satisface las demandas de rendimiento en todos los escenarios. Cuando la altitud aumenta, los niveles de oxígeno disminuyen. Eso resultó ser un problema para los aviones militares de la Segunda Guerra Mundial propulsados ​​por motores de combustión interna. Se encontró una solución de ingeniería en forma de compresores de aire, conocidos como turbocompresores y sobrealimentadores, que fuerzan más aire en el motor. Estos componentes agregados concentran los niveles de oxígeno para la combustión de combustible, impulsar la generación de energía. La innovación luego se abrió camino en los motores de los automóviles de pasajeros en la década de 1960.

Los investigadores de Princeton demostraron las ganancias de eficiencia en la producción de potencia con el motor Merlin III sobrealimentado de Rolls Royce en comparación con los motores de avión de combustión interna convencionales. Las ganancias reflejaron las del rendimiento de los cultivos C4, maíz y sorgo, en comparación con los cultivos C3 convencionales, soja y trigo, a través de los niveles cambiantes de dióxido de carbono.

Próximo, el equipo analizó la segunda adición importante a los procesos centrales de los sistemas, esta vez en forma de almacenamiento de energía. Para plantas, esta es la vía fotosintética del metabolismo del ácido crasuláceo (CAM). Originalmente evolucionó hace más de 250 millones de años y ayuda a las plantas a sobrevivir en condiciones cálidas o áridas; los cactus y las piñas son dos ejemplos familiares de tal flora especializada. Las plantas CAM mantienen los poros de sus hojas cerrados durante el día abrasador para evitar la pérdida de agua dañina. en su lugar, abre los poros durante la noche más fresca para absorber el dióxido de carbono. Luego, la luz solar diurna hace la fotosíntesis de ese carbono almacenado, como si fuera una batería, en la planta.

El uso de baterías está en el corazón del vehículo eléctrico híbrido. Ofrecen una mayor eficiencia que cuando las velocidades de conducción son variables, análoga a la disponibilidad variable de agua que enfrentan las plantas CAM. Un motor eléctrico convierte la energía cinética del frenado en electricidad almacenada en una batería. Esa electricidad puede aumentar la potencia de salida del motor.

Los investigadores desarrollaron un modelo matemático de la eficiencia del uso del agua por las plantas CAM, también publicado recientemente en Ecological Modeling. Este modelo confirmó la relación planta-motor propuesta al comparar las estadísticas de consumo de combustible entre los vehículos vendidos en versiones eléctricas estándar e híbridas.

En general, la fotosíntesis en sus diversas formas ha demostrado claramente ser una estrategia ganadora para las plantas, que representan la friolera del 80 por ciento de toda la biomasa del planeta. Igualmente, el motor de combustión interna ha dominado la tierra, transporte marítimo y aéreo en todo el mundo durante un siglo.

"Una vez que haya desarrollado algo que funcione muy bien, como la fotosíntesis o el motor de gasolina, tiende a persistir más o menos inalterado, ", Dijo Hartzell." En lugar de modificar las reacciones subyacentes, las plantas han agregado componentes, los equivalentes de 'turbocompresores' y 'baterías', para hacer la fotosíntesis más eficiente, así como hemos agregado componentes para hacer que nuestros motores de gasolina sean más eficientes ".

Robert Jackson, profesor de ciencia del sistema terrestre en la Universidad de Stanford que no participó en el estudio de Princeton, dijo que la investigación puede ofrecer información sobre el desarrollo de sistemas tanto naturales como construidos.

"Podemos aprender mucho al comparar los cambios en la naturaleza a lo largo del tiempo evolutivo con los cambios en los sistemas que la gente está construyendo hoy en día, "Dijo Jackson.

Mirando hacia el futuro, El cambio climático podría desalinear la evolución de las plantas y los motores. La fotosíntesis de las plantas persistirá, pero los motores de combustión interna de combustibles fósiles están cayendo en desgracia debido a su producción de gases de efecto invernadero que alteran el clima. Un número creciente de fabricantes de vehículos ha anunciado planes para agregar motores eléctricos a sus líneas de vehículos la próxima década. o incluso eventualmente renunciar a los motores de combustión interna.

"Las plantas han existido durante cientos de millones de años y han resistido cambios climáticos mucho mayores que los que estamos experimentando actualmente, importantes como son, ", Dijo Hartzell." Si bien se espera que nuestros cambios climáticos actuales provoquen cambios en la distribución de ciertos tipos de plantas, el mecanismo básico por el cual las plantas obtienen su energía, la fotosíntesis, seguirá siendo una opción viable ".

El papel, "Similitudes en la evolución de plantas y automóviles, "fue publicado el 29 de junio por Más uno .