Une plante :naturelle, grandi, feuillu. Un moteur à combustion interne :artificiel, usiné, métallique.

Au premier abord, ces deux objets ne pourraient pas se ressembler moins. Encore, selon une étude de l'Université de Princeton publiée le 29 juin dans la revue PLoS UN , les deux systèmes complexes partagent des parallèles frappants dans l'adaptation aux conditions environnementales changeantes. Les plantes, bien sûr, évoluer spontanément, tandis que les moteurs "évoluent, " comme c'était, grâce à une planification humaine consciente. Pour les deux, ajouter de nouveaux composants à un processus de base réussi, plutôt que de modifier ce processus de base lui-même, s'est avéré une stratégie durable.

Dans le cas des plantes, le processus central est la photosynthèse. Au cours de millions d'années d'évolution naturelle, les plantes ont développé deux variantes efficaces de la photosynthèse pour faire face à des climats très différents. De même, dans les moteurs à combustible fossile, le processus de combustion interne est resté en grande partie inchangé. Mais au cours de l'histoire relativement brève de 150 ans des moteurs, deux ajouts améliorant l'efficacité, le turbocompresseur et le véhicule électrique hybride, les ont adaptés à de nouveaux créneaux.

L'étude s'appuie sur les recherches en cours en écohydrologie menées par l'auteur correspondant Amilcare Porporato, le professeur Thomas J. Wu '94 de génie civil et environnemental et le Princeton Environmental Institute, ainsi que des données sur les moteurs des avions de combat de la Seconde Guerre mondiale et des marques de voitures modernes. L'exploration de la résolution de problèmes similaires à travers ces systèmes contrastés pourrait fournir des informations utiles sur l'évolution naturelle et l'innovation technologique, les chercheurs ont dit.

"Nous avons émis l'hypothèse que les systèmes naturels et construits se développent tous deux de manière similaire en réponse à des contraintes changeantes, et certains principes d'évolution peuvent être communs aux deux types de systèmes, " a déclaré la première auteure Samantha Hartzell, un étudiant diplômé du groupe de Porporato et un boursier PEI Princeton Energy and Climate. « Sachant cela, peut-être pouvons-nous plus consciemment tirer des leçons de la nature lors de la conception de systèmes mécaniques."

Les conclusions de l'article de Princeton suggèrent que briser le moule de l'établi, le succès passé peut être difficile dans les systèmes naturels et construits. La poursuite de l'innovation modulaire pourrait retarder longtemps la fin annoncée du moteur à combustion interne, dit Hartzell. Mark Bartlett et Jun Yin, Chercheurs postdoctoraux de Princeton en génie civil et environnemental, sont co-auteurs de l'article.

"Nouvelles technologies, y compris les véhicules électriques à pile à combustible et à batterie, sont des stratégies plus risquées et prennent plus de temps à s'imposer que la voiture hybride, car ils nécessitent des changements importants dans les pratiques de fabrication et les infrastructures, " a déclaré Hartzell. " En fin de compte, cependant, ils pourraient s'avérer être des solutions plus optimales pour atteindre nos objectifs de fiabilité, un moyen de transport peu coûteux et peu dommageable pour notre environnement.

"L'analogie consistant à comparer les moteurs aux plantes a commencé comme une façon amusante d'expliquer les trois voies photosynthétiques de la nature dans mon cours d'écohydrologie, " dit Porporato. Comme beaucoup d'entre nous l'apprennent à l'école primaire, la photosynthèse est le processus par lequel les plantes tirent l'énergie de la lumière du soleil. Cette énergie transforme le gaz carbonique et l'eau en nourriture, libérant l'oxygène que nous respirons comme un déchet.

Environ 85 % des plantes sur Terre dépendent de la voie photosynthétique C3, ainsi nommée parce qu'elle produit une molécule de sucre avec trois atomes de carbone. Les scientifiques estiment que la photosynthèse C3 a évolué il y a environ un milliard d'années, lorsque les algues marines ont absorbé des bactéries photosynthétiques auparavant libres dans leurs cellules. Ces bactéries absorbées, ou des chloroplastes, ont fidèlement servi de centrales solaires aux plantes pendant un éon.

Les chercheurs de Princeton ont comparé la création de la photosynthèse C3 à l'ingénieur allemand Nikolaus Otto qui a breveté le moteur à combustion interne en 1876. Le nouveau moteur a rapidement été intégré aux véhicules routiers de l'époque, un peu comme la façon dont les chloroplastes photosynthétiques s'installent dans les algues marines.

La voie C3 ne s'est pas avérée idéale dans toutes les circonstances environnementales, toutefois. Lorsque la disponibilité du dioxyde de carbone est faible, une enzyme clé a tendance à incorporer de l'oxygène au lieu du carbone dans la chaîne de réaction de la photosynthèse, réduire son efficacité. En réponse, au cours des dernières dizaines de millions d'années, certaines plantes ont développé une variante de la photosynthèse appelée C4, qui concentre la quantité de carbone dans les chloroplastes, augmentant ainsi l'efficacité.

Parallèlement aux limitations de la photosynthèse C3, le moteur à combustion interne rudimentaire ne répond pas aux exigences de performance dans tous les scénarios. Lorsque l'altitude augmente, les niveaux d'oxygène diminuent. Cela s'est avéré être un problème pour les avions militaires de la Seconde Guerre mondiale propulsés par des moteurs à combustion interne. Une solution d'ingénierie a été trouvée sous la forme de compresseurs d'air, appelés turbocompresseurs et surcompresseurs, qui force plus d'air dans le moteur. Ces composants ajoutés concentrent les niveaux d'oxygène pour la combustion du carburant, augmenter la production d'électricité. L'innovation a ensuite trouvé sa place dans les moteurs de voitures particulières dans les années 1960.

Les chercheurs de Princeton ont démontré les gains d'efficacité en termes de puissance de sortie avec le moteur suralimenté Merlin III de Rolls Royce par rapport aux moteurs d'avion à combustion interne conventionnels. Les gains ont reflété ceux du rendement des cultures C4, maïs et sorgho, par rapport aux cultures conventionnelles C3, le soja et le blé, à travers l'évolution des niveaux de dioxyde de carbone.

Prochain, l'équipe a analysé le deuxième ajout majeur aux processus de base des systèmes, cette fois sous forme de stockage d'énergie. Pour les plantes, il s'agit de la voie photosynthétique du métabolisme de l'acide crassulacé (CAM). Il a évolué à l'origine il y a plus de 250 millions d'années et aide les plantes à survivre dans des conditions chaudes ou arides; les cactus et les ananas sont deux exemples familiers d'une telle flore spécialisée. Les plantes CAM gardent les pores de leurs feuilles fermés pendant la journée torride pour éviter la perte d'eau dommageable, au lieu d'ouvrir les pores pendant la nuit plus fraîche pour absorber le dioxyde de carbone. Puis, la lumière du soleil diurne fait la photosynthèse du carbone stocké (comme une batterie) dans la plante.

L'utilisation des batteries est au cœur du véhicule électrique hybride. Ils offrent une plus grande efficacité que lorsque les vitesses de conduite sont variables, analogue à la disponibilité variable de l'eau rencontrée par les usines de CAM. Un moteur électrique transforme l'énergie cinétique du freinage en électricité stockée dans une batterie. Cette électricité peut alors augmenter la puissance de sortie du moteur.

Les chercheurs ont développé un modèle mathématique de l'efficacité de l'utilisation de l'eau par les plantes CAM, également publié récemment dans Ecological Modeling. Ce modèle a confirmé la relation usine-moteur proposée en comparant les statistiques de consommation d'essence entre les véhicules vendus en versions électriques standard et hybrides.

Globalement, la photosynthèse sous ses différentes formes s'est clairement avérée une stratégie gagnante pour les plantes, qui représentent 80 pour cent de toute la biomasse de la planète. De même, le moteur à combustion interne a dominé la terre, le transport maritime et aérien dans le monde entier depuis un siècle.

« Une fois que vous avez développé quelque chose qui fonctionne très bien, comme la photosynthèse ou le moteur à essence, il a tendance à persister plus ou moins inchangé, " dit Hartzell. " Plutôt que de modifier les réactions sous-jacentes, les plantes ont ajouté des composants - les équivalents des " turbocompresseurs " et des " batteries " - pour rendre la photosynthèse plus efficace, tout comme nous avons ajouté des composants pour rendre nos moteurs à essence plus efficaces."

Robert Jackson, un professeur de science du système terrestre à l'Université de Stanford qui n'a pas participé à l'étude de Princeton, a déclaré que la recherche peut offrir des informations sur le développement des systèmes naturels et construits.

« Nous pouvons apprendre beaucoup en comparant les changements de la nature au cours de l'évolution aux changements dans les systèmes que les gens construisent aujourd'hui, " a déclaré Jackson.

Regarder vers l'avant, le changement climatique pourrait désaligner l'évolution des centrales et des moteurs. La photosynthèse végétale persistera, mais les moteurs à combustion interne à combustibles fossiles sont en train de tomber en disgrâce en raison de leur production de gaz à effet de serre qui modifient le climat. Un nombre croissant de constructeurs automobiles ont annoncé leur intention d'ajouter des moteurs électriques à leurs gammes de véhicules au cours de la prochaine décennie, ou même éventuellement renoncer aux moteurs à combustion interne.

"Les plantes existent depuis des centaines de millions d'années et ont résisté à des changements climatiques beaucoup plus importants que ceux que nous subissons actuellement, aussi importants qu'ils soient, " a déclaré Hartzell. " Alors que nos changements climatiques actuels devraient provoquer des changements dans la distribution de certains types de plantes, le mécanisme de base par lequel les plantes tirent leur énergie – la photosynthèse – restera une option viable. »

Le papier, « Des similitudes dans l'évolution des plantes et des voitures, " a été publié le 29 juin par PLoS UN .