Uma planta:natural, crescido, frondoso. Um motor de combustão interna:artificial, usinado, metálico.

À primeira vista, esses dois objetos não poderiam ser menos semelhantes. Ainda, de acordo com um estudo da Universidade de Princeton publicado em 29 de junho na revista PLoS ONE , os dois sistemas complexos compartilham paralelos notáveis ​​na adaptação às mudanças nas condições ambientais. Plantas, claro, evoluir espontaneamente, enquanto os motores "evoluem, "por assim dizer, por meio do planejamento humano consciente. Para ambos, adicionar novos componentes a um processo central de sucesso, em vez de alterar o próprio processo central, provou ser uma estratégia duradoura.

No caso de plantas, o processo central é a fotossíntese. Ao longo de milhões de anos de evolução natural, as plantas desenvolveram duas variantes de fotossíntese eficientes para lidar com climas totalmente diferentes. Da mesma forma, em motores movidos a combustível fóssil, o processo de combustão interna permaneceu praticamente inalterado. Mas ao longo da história comparativamente breve de 150 anos dos motores, duas adições que aumentam a eficiência - o turboalimentador e o veículo elétrico híbrido - os adaptaram a novos nichos.

O estudo baseia-se na pesquisa em eco-hidrologia em andamento pelo autor correspondente Amilcare Porporato, o professor Thomas J. Wu '94 de Engenharia Civil e Ambiental e do Instituto Ambiental de Princeton, bem como dados sobre motores de aviões de combate da era da Segunda Guerra Mundial e marcas de automóveis modernos. Explorar a resolução de problemas semelhantes entre esses sistemas contrastantes pode fornecer percepções benéficas sobre a evolução natural e a inovação tecnológica, disseram os pesquisadores.

"Colocamos a hipótese de que os sistemas naturais e construídos se desenvolvem de forma semelhante em resposta às mudanças nas restrições, e alguns princípios de evolução podem ser comuns a ambos os tipos de sistemas, "disse a primeira autora Samantha Hartzell, um estudante de graduação no grupo de Porporato e um PEI Princeton Energy and Climate Scholar. "Sabendo disso, talvez possamos aprender mais conscientemente com as lições da natureza ao projetar sistemas mecânicos. "

As descobertas do artigo de Princeton sugerem que quebrar o molde do estabelecido, o sucesso passado pode ser difícil em sistemas naturais e construídos. A inovação modular contínua pode atrasar muito o fim previsto do motor de combustão interna, Hartzell disse. Mark Bartlett e Jun Yin, Pesquisadores de pós-doutorado em Princeton em engenharia civil e ambiental, são co-autores do artigo.

"Novas tecnologias, incluindo veículos elétricos com células de combustível e baterias, são estratégias mais arriscadas e estão demorando mais para pegar do que o carro híbrido, uma vez que exigem mudanças significativas nas práticas de fabricação e infraestrutura, "Hartzell disse." No final, Contudo, eles podem provar ser as soluções mais ideais para atender aos nossos objetivos de confiabilidade, transporte barato que é minimamente prejudicial ao meio ambiente. "

"A analogia de comparar motores a plantas começou como uma maneira divertida de explicar as três vias fotossintéticas da natureza no meu curso de ecohidrologia, "Porporato disse. Como muitos de nós aprendemos pela primeira vez na escola, fotossíntese é o processo pelo qual as plantas colhem energia da luz solar. Essa energia transforma o gás dióxido de carbono e a água em alimentos, liberando o oxigênio que respiramos como um produto residual.

Aproximadamente 85% das plantas na Terra dependem da via fotossintética C3 - assim chamada porque produz uma molécula de açúcar com três átomos de carbono. Os cientistas estimam que a fotossíntese C3 evoluiu cerca de um bilhão de anos atrás, quando algas marinhas incorporaram bactérias fotossintéticas de vida livre em suas células. Essas bactérias captadas, ou cloroplastos, serviram fielmente como usinas de colheita de sol para as plantas por uma eternidade.

Os pesquisadores de Princeton compararam o estabelecimento da fotossíntese C3 ao engenheiro alemão Nikolaus Otto, que patenteou o motor de combustão interna em 1876. O novo motor foi rapidamente incorporado aos veículos rodoviários da época. muito parecido com a forma como os cloroplastos fotossintéticos se instalaram nas algas marinhas.

A via C3 não se mostrou ideal em todas as circunstâncias ambientais, Contudo. Quando a disponibilidade de dióxido de carbono é baixa, uma enzima chave tende a incorporar oxigênio em vez de carbono na cadeia de reação da fotossíntese, reduzindo sua eficiência. Em resposta, nas últimas dezenas de milhões de anos, algumas plantas desenvolveram uma variante da fotossíntese chamada C4, que concentra a quantidade de carbono nos cloroplastos, aumentando assim a eficiência.

Em paralelo às limitações da fotossíntese C3, o motor de combustão interna rudimentar não atende às demandas de desempenho em todos os cenários. Quando a altitude aumenta, os níveis de oxigênio diminuem. Isso provou ser um problema para as aeronaves militares da Segunda Guerra Mundial movidas por motores de combustão interna. Uma solução de engenharia foi encontrada na forma de compressores de ar, conhecidos como turbocompressores e supercompressores, que força mais ar para o motor. Esses componentes adicionados concentram níveis de oxigênio para a combustão de combustível, impulsionando a geração de energia. A inovação então encontrou seu caminho nos motores de automóveis de passageiros na década de 1960.

Os pesquisadores de Princeton demonstraram os ganhos de eficiência na produção de potência com o motor Merlin III superalimentado Rolls Royce em comparação com os motores convencionais de aeronaves de combustão interna. Os ganhos refletiram aqueles no rendimento das safras C4, milho e sorgo, em comparação com culturas C3 convencionais, soja e trigo, em mudanças nos níveis de dióxido de carbono.

Próximo, a equipe analisou a segunda grande adição aos processos centrais dos sistemas, desta vez na forma de armazenamento de energia. Para plantas, esta é a via fotossintética do metabolismo do ácido crassuláceo (CAM). Ele evoluiu originalmente há mais de 250 milhões de anos e ajuda as plantas a sobreviver em condições quentes ou áridas; cactos e abacaxis são dois exemplos familiares dessa flora especializada. As plantas CAM mantêm os poros das folhas fechados durante o dia escaldante para evitar a perda de água prejudicial, em vez disso, abrir os poros durante a noite mais fria para absorver o dióxido de carbono. Então, a luz solar diurna fotossintetiza o carbono armazenado - como uma bateria - na planta.

O uso de baterias está no cerne do veículo elétrico híbrido. Eles oferecem maior eficiência do que quando as velocidades de direção são variáveis, análogo à disponibilidade variável de água enfrentada pelas plantas CAM. Um motor elétrico transforma a energia cinética da frenagem em eletricidade armazenada em uma bateria. Essa eletricidade pode então aumentar a potência do motor.

Os pesquisadores desenvolveram um modelo matemático da eficiência do uso da água por plantas CAM - também publicado recentemente na Ecological Modeling. Este modelo confirmou a relação planta-motor proposta, comparando estatísticas de milhagem de gás entre veículos vendidos em versões elétricas padrão e híbridas.

Geral, a fotossíntese em suas várias formas tem se mostrado uma estratégia vencedora para as plantas, que representam 80 por cento de toda a biomassa do planeta. Da mesma forma, o motor de combustão interna dominou a terra, transporte marítimo e aéreo em todo o mundo por um século.

"Depois de desenvolver algo que funciona muito bem, como a fotossíntese ou o motor a gasolina, tende a persistir mais ou menos inalterado, "Hartzell disse." Em vez de modificar as reações subjacentes, plantas adicionaram componentes - os equivalentes de 'turbocompressores' e 'baterias' - para tornar a fotossíntese mais eficiente, assim como adicionamos componentes para tornar nossos motores a gasolina mais eficientes. "

Robert Jackson, um professor de ciência do sistema terrestre na Universidade de Stanford que não estava envolvido no estudo de Princeton, disse que a pesquisa pode oferecer insights sobre o desenvolvimento de sistemas naturais e construídos.

"Podemos aprender muito comparando as mudanças na natureza ao longo do tempo evolutivo com as mudanças nos sistemas que as pessoas estão construindo hoje, "Disse Jackson.

Olhando para a frente, as mudanças climáticas podem desalinhar a evolução da planta e do motor. A fotossíntese das plantas vai persistir, mas os motores de combustão interna movidos a combustível fóssil estão caindo em desuso por causa de sua produção de gases de efeito estufa que alteram o clima. Um número crescente de fabricantes de veículos anunciou planos de adicionar motores elétricos às suas linhas de veículos na próxima década, ou mesmo, eventualmente, renunciar aos motores de combustão interna.

"As plantas existem há centenas de milhões de anos e passaram por mudanças climáticas muito maiores do que as que estamos enfrentando atualmente, importantes como são, "Hartzell disse." Embora nossas mudanças climáticas atuais devam causar mudanças na distribuição de certos tipos de plantas, o mecanismo básico pelo qual as plantas obtêm sua energia - fotossíntese - ainda será uma opção viável. "

O papel, “Semelhanças na evolução de plantas e carros, "foi publicado em 29 de junho por PLoS ONE .