一种植物:自然生长的叶状植物。内燃机:人造的、机械的、金属的。
乍一看，这两个物体非常相似。然而，根据普林斯顿大学6月29日发表在《公共科学图书馆·综合》(PLoS ONE)杂志上的一项研究，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，植物是自发进化的，而引擎可以说是通过有意识的人类规划“进化”的。对于两者来说，向成功的核心流程添加新组件，而不是更改核心流程本身，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。在数百万年的自然进化过程中，植物已经进化出两种有效的光合作用变体来应对截然不同的气候。同样，在化石燃料驱动的发动机中，内燃过程基本上没有改变。但是在发动机相对较短的150年历史中，增压器和混合动力电动汽车这两种提高效率的新产品使它们适应了新的市场。
这项研究利用了通讯作者Amilcare Porporato正在进行的生态水文学研究，他是94年Thomas J. Wu的土木和环境工程教授，普林斯顿环境研究所，以及二战时期战斗机和现代汽车品牌发动机的数据。研究人员说，在这些不同的系统中探索类似的解决问题的方法，可以为自然进化和技术创新提供有益的见解。
第一作者Samantha Hartzell是Porporato研究小组的研究生，也是普林斯顿大学能源和气候学者。她说:“我们假设，自然系统和人工构建的系统在应对不断变化的约束条件时都是相似的，而且进化的一些原则可能对这两种系统都是相同的。”“知道了这一点，或许我们在设计机械系统时可以更有意识地从大自然中吸取教训。”
普林斯顿大学的这篇论文的研究结果表明，在自然和人工系统中，打破既定的、过去的成功模式可能是困难的。Hartzell说，持续的模块化创新可能会长期推迟内燃机的预期寿命。普林斯顿大学土木与环境工程博士后马克•巴特利特(Mark Bartlett)和尹俊(Jun Yin)是这篇论文的共同作者。
Hartzell称:”包括燃料电池和纯电动车在内的新技术是更具风险的策略，比混合动力车需要更长的时间才能流行起来，因为它们需要在生产实践和基础设施方面做出重大改变。”“然而，最终，它们可能被证明是更优的解决方案，可以满足我们的目标，即可靠、廉价、对环境破坏最小的交通。”
Porporato说:“在我的生态水文学课程中，把发动机比作植物是解释自然的三种光合作用途径的有趣方式。”正如我们许多人在小学第一次学到的那样，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C3光合作用途径——之所以这么命名是因为它产生一个含有三个碳原子的糖分子。科学家们估计C3光合作用大约在10亿年前进化而来，当时海洋藻类把以前自由生活的光合细菌带入细胞。这些被吸收的细菌，或叶绿体，在一万年里一直忠实地充当着植物的太阳能发电站。
普林斯顿大学的研究人员将C3光合作用的建立比作1876年德国工程师Nikolaus Otto为内燃机申请专利。这个新引擎很快就被应用到当时的道路交通工具中，就像光合叶绿体在海藻中形成商店一样。
然而，C3通路并不是在所有环境条件下都是理想的。当二氧化碳的可用性较低时，一种关键的酶倾向于将氧而不是碳纳入光合作用反应链，从而降低了其效率。作为回应，在过去的几千万年中，一些植物进化出了一种光合作用变体C4，它能将叶绿体中的碳含量集中起来，从而提高效率。
与C3光合作用的局限性相平行，基本的内燃机并不能满足所有场景下的性能要求。当海拔升高时，氧气水平下降。事实证明，这对第二次世界大战中使用内燃机作为动力的军用飞机来说是个问题。一个工程解决方案以空气压缩机的形式被发现，称为涡轮增压器和增压机，迫使更多的空气进入发动机。这些增加的部件集中了燃料燃烧所需的氧气，从而提高了发电量。这项创新在20世纪60年代进入了轿车发动机领域。
普林斯顿大学的研究人员证明，与传统的内燃飞机发动机相比，劳斯莱斯(Rolls Royce)增压的默林III发动机在功率输出方面的效率有所提高。与传统的C3作物、大豆和小麦相比，C4作物、玉米和高粱的产量也有所提高，但二氧化碳水平不断变化。
接下来，团队分析了系统核心流程的第二个主要附加功能，这次是以能量存储的形式。对于植物来说，这是crassulacean acid metabolism (CAM)光合作用途径。它最初在2.5亿年前进化而来，帮助植物在炎热或干旱的条件下生存;仙人掌和菠萝就是这类特殊植物的两个常见例子。CAM植物在炎热的白天保持叶子的气孔闭合，以避免水分损失，而在凉爽的夜晚打开气孔吸收二氧化碳。然后，白天的阳光将储存在植物里的碳进行光合作用，就像电池一样。
电池的使用是混合动力电动车的核心。它们比变速行驶时提供更高的效率，类似于CAM工厂所面临的变水可用性。电动机将制动产生的动能转化为储存在电池中的电能。然后，电力可以提高发动机的功率输出。
研究人员建立了CAM植物水分利用效率的数学模型，该模型最近也发表在《生态建模》杂志上。该模型通过比较标准版和混合动力版汽车的油耗统计数据，验证了所提出的植物发动机关系。
总的来说，各种形式的光合作用对植物来说显然是一个成功的策略，植物占地球上所有生物量的80%。同样，一个世纪以来，内燃机一直主宰着世界范围内的陆海空运输。
哈泽尔说:“一旦你开发出某种运作良好的东西，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。”“植物没有改变潜在的反应，而是添加了一些成分——相当于‘涡轮增压器’和‘电池’——来提高光合作用的效率，就像我们添加了一些成分来提高汽油发动机的效率一样。”
斯坦福大学(Stanford University)地球系统科学教授罗伯特·杰克逊(Robert Jackson)没有参与普林斯顿大学的这项研究。他说，这项研究可以为自然系统和人工系统的发展提供洞见。
杰克逊说:“我们可以通过比较不同进化时期自然界的变化和人们今天正在构建的系统的变化，从中学到很多东西。”
展望未来，气候变化可能会使植物和发动机的进化失去平衡。植物的光合作用将会持续下去，但是化石燃料的内燃机由于产生会改变气候的温室气体而逐渐失宠。越来越多的汽车制造商已经宣布，计划在未来10年将电动发动机添加到他们的汽车生产线上，甚至最终放弃内燃机。
哈泽尔说:“植物已经存在了数亿年，它们经受的气候变化要比我们现在经历的气候变化大得多，尽管它们意义重大。”“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，但植物获取能量的基本机制——光合作用——仍然是一个可行的选择。”
这篇题为《植物和汽车进化的相似性》的论文于6月29日由PLoS ONE发表。这项工作得到了美国农业部农业研究服务处、美国国家粮食和农业研究所以及美国国家科学基金会的支持。