Ongelmanratkaisua pidetään perinteisesti korkeampana kognitiivisena kykynä, joka vaatii päättelyä, suunnittelua ja muistia. Kasvit eivät ajattele ihmisen tavalla, mutta ne "ratkaisevat" rakenteellisia, energiaan liittyviä ja sopeutumiseen liittyviä ongelmia usein ihmisen ratkaisuja tehokkaammin. Kasvin ongelmanratkaisun tutkimus on synnyttänyt kokonaisia tekniikan aloja, joissa hyödynnetään luonnon ratkaisuja (biomimikry): monet arkkitehtuurin, materiaalitieteen ja algoritmisen optimoinnin eleganteimmista ratkaisuista ovat saaneet inspiraation siitä, kuinka kasvit selviytyvät sopeutumishaasteistaan.

Valon ongelma: Nouseminen varjosta

Trooppisessa metsässä kypsien puiden latvus estää 97–99 prosenttia auringonvalosta ennen kuin se saavuttaa maan. Maanpinnan alla itävälle taimelle valon ongelma on olemassaolon kysymys: ilman riittävää valoa fotosynteesi ei voi ylläpitää kasvua. Kasvin ratkaisut valon ongelmaan: varjon välttämisreaktio: fytoktromaatit (valonilmaisimet) havaitsevat varjoon tyypillisen punaisen/kaukaisen punaisen valon suhteen vähenemisen (aiheuttaa yläpuolisten lehtien klorofyllin punaisen valon absorptio). Vastauksena kasvi aktivoi signaalointiketjun, joka: nopeuttaa silmukkien välistä kasvua (varsi pitenevät nopeasti ja etsivät valoa), vähentää sivuoksien haarautumista (keskittää resurssit pystysuuntaiseen kasvuun), vähentää lehtien tuotantoa ja siirtää kasvua kohti huippua, suuntaa lehdet maksimoimaan sivusuuntaisen valon sieppaamisen. Tuloksena: varjossa oleva kasvi on morfologisesti täysin erilainen kuin sama laji täydessä valossa: korkeampi, ohuemmalla varrella, suuremmilla ja pystysuuntaisemmilla lehdillä. Poikkeuksellinen fenotyyppinen muuntuvuus valon ongelmaan vastauksena. Kiipeilevät kasvit ja köynnökset: tehokkain evoluutioratkaisu valon ongelmaan metsissä. Kiipeilijät eivät investoi kestävän, ligninoituneen varren rakentamiseen (kallis resurssien kannalta): ne käyttävät puun rakenteita tukena (kierteiden, tarttuvien kiekkojen, ilmajuurien kautta) ja sijoittavat lähes kaikki resurssit lehtiin fotosynteesin varten. Monstera deliciosa -köynnös kehittää lehtiä, joissa on suuria aukkoja: on esitetty hypoteesi (Muir, 2013), että aukot mahdollistavat lehden olevan suurempi (sieppaa enemmän valoa) ilman tuulivaurioita ja ilman, että se vie liikaa tilaa alemman kerroksen lehtien varjostuksesta.

Veden ongelma: Nerokkaita ratkaisuja jokaiselle ympäristölle

Veden etsimisen ja säästämisen ongelma on tuottanut joitakin kasvin evoluution spektaakkelisimmista ratkaisuista. Syvät juuret: Welwitschia mirabilis (Namibia) on juuret, jotka laskeutuvat jopa 30 metrin syvyyteen pohjaveden saavuttamiseksi autiomaassa. Banksia-puu (Australia) omaa proteoidiset juuret, jotka luovat happamia pH-vyöhykkeitä juurten kärjen ympärille liuottaakseen muuten saavuttamattomia fosfaatteja köyhässä australialaisessa hiekkamaassa. Sumun kerääminen: autiomaiden kasvit Atacamassa keräävät kosteutta sumusta erikoistuneiden lehden rakenteiden kautta. Opuntia-kaktus (piikkiläikki) kerää yöllisen kasteleen hydrofiilistensä piikkien kautta ja ohjaa sen juuriin mikrokanaavien kautta pinnalla. Insinööritekninen inspiraatio "sumua keräävistä" materiaaleista tulee suoraan näistä rakenteista. CAM (Crassulacean Acid Metabolism): kasvit kuivissa autiomaissa (kaktukset, agaveet, ananakset) avaavat ilmahuokosensa vain yöllä (kun lämpötilat ovat alhaiset ja vesihaihtumisen kautta tapahtuva vesihäviö on minimaalinen) ja sitovat CO2:ta maalihappoon. Päivällä, kun ilmahuokoset ovat suljettuina, ne käyttävät maalihaposta vapautuvaa CO2:ta fotosynteesin varten. Ratkaisu fotosynteesin suorittamisen ongelmaan (joka vaatii CO2:ta: siis ilmahuokosten avaamista) samalla kun minimoidaan vesihäviö (joka vaatii ilmahuokosten sulkemista): "ajallinen kompromissi" -ratkaisu. Vesivarastot: mehikasvit (kaktukset, rasvaiset euforbia, aloe) varastoivat valtavia määriä vettä varren tai lehden kudoksiin (akvifeeri-parenkyyma). Kypsä saguaro-kaktus voi sisältää 200–700 litraa vettä. Varanto, joka mahdollistaa selviytymisen kuukausiksi ilman sadetta.

Rakenteellinen ongelma: Korkean, kevyen varren rakentaminen

60 metriä korkea puu, jonka on tuettava omien lehtiensä paino, kestettävä tuuli, kuljettava vettä juurista huipulle ja hiilihydraatteja lehdistöstä alaspäin: se on äärimmäisen monimutkainen rakenteellisen tekniikan ongelma, joka on ratkaistu biologisilla materiaaleilla. Kasvin rakenteelliset ratkaisut: puu luonnon inspiroituna komposiitteina: puu on selluloosan (vetolujuusfilaatit, vetolujuudelle kestävät), hemiselluloosan (sitova matriisi), ligniinin (jäykkyys, puristuskestävyys) luonnollinen komposiitti. Yhdistelmä tuottaa materiaalin, jonka lujuuden ja painon suhde on tietyissä olosuhteissa terästä parempi. Fraktaali-arkkitehtuuri: puun haarautuminen noudattaa fraktaalilakeja (Murrayn laki: rungon säteen kuutio on yhtä suuri kuin kaikkien tytäroksien säteiden kuutioiden summa), jotka optimoivat mahlan virtausta ja rakenneaineen jakautumista. Tätä lakia on sovellettu vesijakelun verkon suunnitteluun. Rakenteellinen tensegrity: puiden pintajuuret eivät tue puuta yksin: ne tukevat sitä yhdessä juurten joukon tuottaman jännityksen kanssa vastakkaiseen suuntaan. "Tensegrity"-järjestelmä (jännitys + rakenteellinen eheys), josta insinööri Buckminster Fuller sai inspiraatiota kasveista geodeettisissään rakenteissaan.

Kiipeilevien kasvien ongelmanratkaisu: tuen etsiminen

Kiipeilevät kasvit kohtaavat "ongelman" löytää fyysistä tukea kiipeämiselle. Niiden ratkaisu on aktiivisen havainnon ja trooppisen vasteen järjestelmä, joka yhdistää kosketuksen, painovoiman ja valon. Herneiden ja viinien kierteet: erikoistunut elin, joka liikkuu hitaasti jatkuvissa ympyräliikkeissä (sirkumnuutaatiot) ilmassa "etsien" kosketettavaa kohdetta. Kun se koskettaa tukea, se reagoi sekunnin sisällä nopealla epäsymmetrisellä kasvulla, joka kiertyy tuen ympärille 1–2 minuutissa. Alkuperäisen kosketuksen jälkeen kierre paksuuntuu ja lignifoituu muuttuen pysyväksi tukirakenteksi. Suuntautuminen pimeään (skototropismi): monet trooppiset metsän viinit kasvavat aluksi pimeään valon sijaan. Pimeys on luotettava merkki suuresta puun rungosta (joka heittää varjoa): viini kasvaa varjoon päästäkseen rungon luo kiipeämään, ja kun se on kiinnittynyt, se kasvaa valon puolelle. "Ensin tuki, sitten valo" -strategia, joka ratkaisee kanopin saavuttamisen ongelman luotettavammin kuin suora kasvu valon puolelle. Optimaalinen kiinnittymiskohta: jotkut kiipeilevät kasvit (Boquila trifoliata, chilenilainen viini) muuttavat jopa omien lehtensä muotoa naamioituakseen sen puun kanssa, jota käyttävät tuena, ottaen isäntäpuun lehtien saman koon, muodon, suoniston ja värin. Tapaus adaptiivisesta mimikrystä, joka liittyy kiipeämisen ongelmanratkaisuun.

Biomimikry: kasvitieteelliset ratkaisut tekniikan soveltamisessa

Biomimikry (bio-inspiratio) on tieteenala, joka tutkii biologisia ratkaisuja niiden soveltamiseksi tekniikkaan ja muotoiluun. Kasvit ovat yksi hedelmällisimmistä inspiraation lähteistä. Lootuksen efekti: lootuksen lehdillä on mikro-rakenteinen nanomainen pinta (mikroskooppiset vahakarvat), joka tekee vedestä superhydrofobista: pisarat liukuvat pois vetäen likaa mukanaan (itseään puhdistava). Jäljitelty maaleissa, kankaissa ja itseään puhdistuvissa arkkitehtuuri­pinnoissa. Sumun kerääminen: inspiraatio kasveista ja aavikon hyönteisistä. Sumun keräysverkot aridialueilla (Chile, Namibia, Marokko) jäljittelevät biologisten pintojen hydrofiilejä ja hydrofobeja mikrorakenteita ilmasta veden keräämiseksi. Fraktaalirakenteet lämmönvaihdolle: bio-inspiroituneet jäähdyttimet ja lämmönvaihtajat jäljittelevät lehtien fraktaalirakennetta (haarautunut suonisto, joka on optimoitu nesteen kuljetukselle) lämmönvaihtotehokkuuden maksimoimiseksi. Optimointialgoritmi: Karl Mattias Fischerin Virtual Cambium (TU München) käyttää samoja puiden adaptiivisen kasvun periaatteita (materiaalin lisääminen suurimman rasituksen kohdalle) insinöörien suunnittelemien mekaanisten rakenteiden optimoimiseksi. Puut ratkaisivat rakenteellisen optimoinnin ongelman 300 miljoonaa vuotta sitten.

Juurten kilpailu sosiaalisena ongelmanratkaisuna

Kun eri kasvien juuret kohtaavat maassa, muodostuu eräänlainen "kilpailu" resursseista, jolla on piirteitä, jotka muistuttavat ongelmanratkaisua resursseiltaan rajoitetussa ympäristössä. Itse/muuksi tunnistaminen: kasvin juuret tunnistavat saman kasvin juuret (itse) toisesta kasvista tulevista juurista (muuksi), todennäköisesti juurten eritteistä erittyvien kemiallisten signaalien kautta. "Itse"-juurten kanssa (esim. saman kasvin eri oksista tulevat juuret): yhteistyö ja intensiivisen kilpailun puuttuminen. "Muuksi"-juurten kanssa (toinen kasvi): suora kilpailu tilasta ja ravinteista. Kilpaileva juurten käyttäytyminen: jotkut kasvit (kuten villisillikka Allium vineale) lähettävät juuria kaikkiin suuntiin ja sitten "vetävät takaisin" juuria suuntiin, joissa ne kohtaavat kilpailijan miehityksen, keskittyen vapaisiin alueisiin. Eräänlainen "tutkiminen + miehitys + strateginen vetäytyminen", joka optimoi maaperän peittävyyttä. Allelopatia (kilpailun kemiallinen estäminen): monet kasvit erittävät juurista allelopaattisia kemiallisia yhdisteitä (orgaanisia happoja, fenoolia, terpeeneja), jotka estävät kilpailijoiden itämisen ja juurten kasvun ympäröivässä maassa. Mustaperä (Juglans nigra) tuottaa juglonia, voimakasta allelopaattista yhdistettä, joka luo kilpailuvapaan alueen puun ympärille. Kemiallinen ratkaisu juurten kilpailuongelmaan.