Problemlösning betraktas traditionellt som en högre kognitiv förmåga som kräver resonemang, planering och minne. Växter resonerar inte på människans sätt, men de "löser" strukturella, energetiska och adaptiva problem med en effektivitet som ofta överträffar mänskliga lösningar. Studiet av växternas problemlösning har givit upphov till hela forskningsfält inom bioinspirerad teknik (biomimikry): många av arkitekturens, materialens och algoritmiska optimeringens mest eleganta lösningar har inspirerats av hur växter tacklar sina adaptiva utmaningar.

Ljusproblemet: Att ta sig ur skuggan

I en tropisk regnskog fångas 97-99 procent av solljuset av kronorna på mogna träd innan det når marken. För ett frö som gror i understorey är ljusproblemet existentiellt: utan tillräckligt ljus kan fotosyntes inte upprätthålla tillväxten. Växternas lösningar på ljusproblemet: skuggundvikelsesvar: fytokrimer (ljusdetektorer) registrerar det reducerade röd/fjärröd-ljusförhållandet som är typiskt för skugga (orsakad av att klorofyll i löven ovanför absorberar rött ljus). Som svar aktiverar växten en signalkaskad som: accelererar internodietillväxten (stamen förlängs snabbt för att ta sig upp), minskar sidogreningar (koncentrerar resurser på vertikal tillväxt), minskar bladproduktionen och skiftar tillväxten mot spetsen, orienterar bladen för att maximera sidoljusuppsamlingen. Resultatet: en växt i skugga är morfologiskt helt annorlunda från samma art i fullt ljus: högre, med en tunnare stam, större och mer vertikala blad. Extraordinär fenotypisk plasticitet som svar på ljusproblemet. Klätterväxter och viner: den mest effektiva evolutionära lösningen på ljusproblemet i skogar. Klätterväxter investerar inte i att bygga en robust, förvedad stam (kostsam i resurser): de använder trädstrukturer som stöd (via rankor, klibbiga skivor, luftrötter) och investerar nästan alla resurser i blad för fotosyntes. Monstera deliciosa-vinen utvecklar blad med stora fenestrationer (hål): det har hypotesiserats (Muir, 2013) att fenestrationer gör att bladet kan vara större (fånga mer ljus) utan att utsättas för vindskador och utan att ta upp för mycket plats i skugginterception för lägre blad.

Vattenproblemet: Ingenösa lösningar för varje miljö

Problemet att hitta och bevara vatten har producerat några av de mest spektakulära lösningarna i växternas evolution. Djupa rötter: Welwitschia mirabilis (Namibia) har rötter som går ner till 30 meter för att nå grundvatten i öknen. Banksia-trädet (Australien) har proteoidrötter som skapar zoner med surt pH omkring rotspetsen för att lösa upp annars otillgängliga fosfater i Australiens fattiga sandjord. Dimuppsamling: ökenväxter i Atacama samlar in fukt från dimma genom specialiserade bladstrukturer. Opuntia-kaktusen (taggkaktus) samlar in nattig dagg genom sina hydrofila taggar och leder den mot rötterna genom mikrokanaler på ytan. Teknikinspirationerna för "dimuppsamlande" material kommer direkt från dessa strukturer. CAM (Crassulacean Acid Metabolism): växter i torra öknar (kaktusar, agaver, ananaser) öppnar sina stomatier endast på natten (när temperaturen är låg och vattenförlust genom avdunstning är minimal) och fixerar CO2 i äppelsyra. Under dagen, med stomatier stängda, använder de CO2 som frigörs från äppelsyra för fotosyntes. En lösning på problemet att utföra fotosyntes (som kräver CO2: alltså stomatöppning) samtidigt som vattenförlusten minimeras (som kräver stomatstängning): en "temporal kompromisslösning". Vattenbehållare: saftig växter (kaktusar, feta euforbia, aloe) lagrar enorma mängder vatten i stam- eller bladväv (akviferös parenkym). En mogen saguaro-kaktus kan innehålla 200-700 liter vatten. En reserv som möjliggör överlevnad i flera månader utan regn.

Strukturproblemet: Att bygga en hög, lätt stam

Ett 60 meter högt träd som måste bära vikten av sina egna löv, motstå vind, transportera vatten från rötter till toppen och kolhydrater från löven nedåt: det är ett extremt komplext strukturtekniskt problem, löst med biologiska material. Växternas strukturella lösningar: trä som bioinspirerad komposit: trä är en naturlig komposit av cellulosa (dragfibrer, motståndskraftig mot spänning), hemicellulosa (bindande matris), lignin (styvhet, tryckhållfasthet). Kombinationen producerar ett material med ett styrka-till-vikt-förhållande som är överordnat stål under vissa förhållanden. Fraktal arkitektur: trädgreningar följer fraktallagar (Murrays lag: kubiken av stammens radie är lika med summan av kuberna av alla dottergrenars radier) som optimerar saftflödet och fördelningen av strukturmaterial. Denna lag har tillämpats på design av vattendistributionsnätverk. Strukturell tensegrity: ytrotterna på träd stöder inte trädet ensamt: de stöder det i kombination med spänning som produceras av rotensemblen i spänning i motsatt riktning. Ett "tensegrity"-system (spänning + strukturell integritet) som ingenjören Buckminster Fuller hämtade inspiration från växter för sina geodetiska strukturer.

Klätterväxternas problemlösning: Att hitta stöd

Klätterväxter står inför "problemet" att hitta fysiskt stöd att klättra på. Deras lösning är ett system av aktiv detektion och tropisk respons som kombinerar beröring, gravitation och ljus. Ärterna och vinernas rankor: ett specialiserat organ som långsamt rör sig i kontinuerliga cirklar (circumnutationer) genom luften och "söker" efter ett föremål att röra vid. När det berör ett stöd reagerar det inom sekunder med snabb asymmetrisk tillväxt som lindas runt stödet på 1-2 minuter. Efter initial kontakt förtjockas rankan och förvedas, och blir en permanent stödstruktur. Orientering mot mörker (skototropism): många tropiska skogsvinor växer initialt mot mörker snarare än ljus. Mörker är en tillförlitlig indikator på närvaron av en stor trädstam (som kastar skugga): vinen växer mot skuggan för att nå stammen att klättra på, och när den väl är fäst växer den mot ljus. En "stöd först, sedan ljus"-strategi som löser problemet med att nå kronorna mer tillförlitligt än direkt tillväxt mot ljus. Optimalt fästningspunkt: vissa klätterväxter (Boquila trifoliata, en chilensk vin) ändrar till och med formen på sina egna blad för att kamouflera sig med trädet de använder som stöd, och antar samma storlek, form, nervmönster och färg som värdväxtens blad. Ett fall av adaptiv mimikry kopplat till klätterväxternas problemlösningsbeteende.

Biomimikry: Växtlösningar som efterliknas av tekniken

Biomimikry (bio-inspiration) är disciplinen som studerar biologiska lösningar för att tillämpa dem på teknik och design. Växter är bland de mest fruktbara inspirationskällorna. Lotuseffekten: lotusblad har en mikrostrukturerad nanotopografisk yta (mikroskopiska vaxpapiller) som gör vatten superhydrofobiskt: droppar glider av och drar smuts med sig (självrengörande). Efterliknad i färger, tyger och självrengörande arkitektoniska ytor. Dimsamling: inspirerad av växter och ökeninsekter. Dimsamlarnät installerade i torra zoner (Chile, Namibia, Marocko) efterliknar de hydrofila/hydrofoba mikrostrukturerna på biologiska ytor för att samla vatten från luften. Fraktala strukturer för värmeutbyte: bioinspirerade värmeavgivare och värmevexlare efterliknar blads fraktala struktur (förgrenad nervering optimerad för vätsketransport) för att maximera värmeutbyteseffektiviteten. Optimeringsalgoritmer: Karl Mattias Fischers Virtual Cambium (TU München) använder samma adaptiva tillväxtprinciper som träd (tillsats av material där spänningen är störst) för att optimera mekaniska strukturer designade av ingenjörer. Träd löste strukturoptimeringproblemet för 300 miljoner år sedan.

Rotkoncurrens som social problemlösning

När rötter från olika växter möts i jorden utvecklas en form av "konkurrens" om resurser som har egenskaper som liknar problemlösning i en resursbegränsad miljö. Själv/icke-själv-igenkänning: en växts rötter känner igen rötter från samma växt (själv) från rötter från en annan växt (icke-själv), troligen genom kemiska signaler som utsöndras i rotexsudat. Med "själv"-rötter (t.ex. rötter från olika grenar av samma växt): samarbete och frånvaro av intensiv konkurrens. Med "icke-själv"-rötter (en annan växt): direkt konkurrens om utrymme och näringsämnen. Konkurrenskraftigt rotbeteende: vissa växter (som vild lök Allium vineale) skjuter ut rötter i alla riktningar och "drar sedan tillbaka" rötter i riktningar där de möter konkurrens, och koncentrerar sig på fria zoner. En sorts "utforskning + ockupation + strategisk tillbakadragning" som optimerar jordtäckningen. Allelopati (kemisk hämning av konkurrens): många växter utsöndrar allelopatiska kemiska föreningar från rötter (organiska syror, fenol, terpener) som hämmar groningen och rottillväxten hos konkurrenter i omgivande jord. Svart valnöt (Juglans nigra) producerar juglone, en potent allelopatisk förening som skapar ett konkurrensfrikt område runt trädet. En kemisk lösning på rotkonkurrensproblemet.