光合作用和发动机以非常相似的方式发展

乍一看，这两个物体看起来不太相似。然而，根据普林斯顿大学6月29日在PLoS ONE期刊上发表的一项研究，这两个复杂的系统在适应不断变化的环境条件方面有着惊人的相似之处。当然，植物通过有意识的人类规划自发地进化，而引擎则“发展”。对于这两者而言，向成功的核心流程添加新组件，而不是改变核心流程本身，已经证明是一种持久的策略。

就植物而言，核心过程是光合作用。经过数百万年的自然进化，植物已经开发出两种有效的光合作用变体，以应对截然不同的气候。同样，在化石燃料动力发动机中，内燃过程基本保持不变。但是，在发动机相对短暂的150年历史中，两个提高效率的增加 - 涡轮增压器和混合动力电动汽车 - 使它们适应了新的利基市场。

该研究借鉴了相应作者Amilcare Porporato，Thomas J. Wu '94土木与环境工程教授和普林斯顿环境研究所正在进行的生态水文学研究，以及第二次世界大战时代战斗机和现代汽车品牌的发动机数据。研究人员表示，探索这些对比系统中类似的问题解决方案可以为自然进化和技术创新提供有益的见解。

“我们假设自然和建筑系统在变化的约束条件下都发展相似，并且一些进化原理可能对两种类型的系统都很常见，”第一作者，Porporato小组的研究生和PEI Princeton Energy的研究生Samantha Hartzell说。和气候学者。“了解这一点，也许我们在设计机械系统时可以更自觉地从自然中吸取教训。”

普林斯顿大学论文的研究结果表明，在自然和建筑系统中打破既定的，过去成功的模式可能是困难的。Hartzell说，持续的模块化创新可能会延迟内燃机的预期结束。普林斯顿土木与环境工程博士后研究人员Mark Ba​​rtlett和Jun Yin是该论文的共同作者。

“新技术，包括燃料电池和电池电动汽车，是一种风险更高的策略，并且比混合动力汽车需要更长时间才能流行，因为它们需要在制造实践和基础设施方面进行重大改变，”Hartzell说。“然而，最终，它们可能被证明是更优化的解决方案，以实现可靠，廉价的运输目标，这对我们的环境造成的损害微乎其微。”

“将发动机比作植物的类比开始是解释自然生态水文学中三种光合作用途径的有趣方式，”Porporato说。正如我们许多人最初在小学就读的那样，光合作用是植物从阳光中获取能量的过程。这种能量将二氧化碳气体和水转化为食物，释放出我们作为废物呼吸的氧气。

地球上大约85%的植物依赖于C3光合作用途径 - 因为它产生了含有三个碳原子的糖分子而得名。科学家估计C3光合作用是在10亿年前发生的，当时海藻将以前自由生活的光合细菌吸收到它们的细胞中。那些吸收的细菌或叶绿体，忠实地作为植物的阳光捕获强者。

1876年，普林斯顿大学的研究人员将C3光合作用的建立比作德国工程师尼古拉斯·奥托(Nikolaus Otto)对内燃机的专利申请。这种新型发动机迅速融入当时的公路车辆，就像光合叶绿体在海藻中开店一样。

然而，C3途径在所有环境条件下都没有被证明是理想的。当二氧化碳可用性低时，关键酶倾向于将氧气而不是碳结合到光合作用反应链中，从而降低其效率。作为回应，在过去的几千万年中，一些植物已经进化出一种名为C4的光合作用变体，它将叶片中的碳含量集中在一起，从而提高了效率。

In parallel to C3 photosynthesis' limitations, the rudimentary internal combustion engine does not meet performance demands in all scenarios. When altitude increases, oxygen levels diminish. That proved to be a problem for World War II military aircraft powered by internal combustion engines. An engineering solution was found in the form of air compressors, known as turbochargers and superchargers, that force more air into the engine. These added components concentrate levels of oxygen for fuel combustion, boosting power generation. The innovation then found its way into passenger cars engines in the 1960s.

普林斯顿的研究人员证明了劳斯莱斯增压型Merlin III发动机与传统内燃机发动机相比，动力输出效率提高。与传统的C3作物，大豆和小麦相比，这些收益反映了C4作物，玉米和高粱的产量，与二氧化碳水平的变化有关。

接下来，该团队分析了系统核心流程的第二个主要增加，这次是以能量存储的形式。对于植物来说，这是景天酸代谢(CAM)的光合作用途径。它最初发展超过2.5亿年，帮助植物在炎热或干旱的条件下生存; 仙人掌和菠萝是这种特殊植物的两个熟悉的例子。CAM植物在炎热的一天保持叶子的毛孔闭合，以避免破坏水分损失，而是在凉爽的夜晚打开毛孔吸收二氧化碳。然后，白天的阳光会合成植物中储存的碳类电池。

电池的使用是混合动力电动汽车的核心。与驱动速度可变时相比，它们提供更高的效率，类似于CAM工厂面临的可变水供应。电动机将制动时的动能转换为蓄电池中存储的电能。然后，电可以提高发动机的功率输出。

研究人员开发了CAM植物用水效率的数学模型 - 最近也发表在生态模拟中。该模型通过比较标准和混合动力版本中销售的车辆之间的汽油里程统计数据，证实了所提出的工厂 - 发动机关系。

总体而言，各种形式的光合作用已明确证明是植物的成功策略，占地球上所有生物量的80%。同样，内燃机在世界范围内占据了陆地，海上和空中运输一个世纪。

“一旦你开发出一种效果非常好的东西，比如光合作用或汽油发动机，它往往会或多或少地保持不变，”Hartzell说。“除了修改潜在的反应之外，工厂还增加了组件 - ”涡轮增压器“和”电池“的等价物 - 使光合作用更加高效，就像我们添加了使汽油发动机更高效的组件一样。

斯坦福大学地球系统科学教授罗伯特杰克逊没有参与普林斯顿研究，他表示这项研究可以为自然系统和建筑系统的发展提供见解。

“我们可以通过比较进化时间的自然变化与人们今天建立的系统变化来学习很多东西，”杰克逊说。

展望未来，气候变化可能会导致工厂和发动机的进化不一致。植物光合作用将持续存在，但化石燃料内燃机由于产生改变气候的温室气体而不再受欢迎。越来越多的汽车制造商已宣布计划在未来十年内为其车辆增加电动机，甚至最终放弃内燃机。

“植物已经存在了数亿年，并且经历了比我们目前正在经历的气候变化更大的气候变化，因为它们很重要，”Hartzell说。“虽然我们目前的气候变化预计会导致某些植物类型的分布发生变化，但植物从中获得能量光合作用的基本机制仍然是一个可行的选择。”