为什么树叶会有那么多的形状?

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刺任芹O
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  树叶的形状为什么那么多?这个看似简单的问题,实际上长久以来一直未解释,最新研究又\x0d\x0a  望给出答案。\x0d\x0a\x0d\x0a  隐藏在叶脉中的秘密\x0d\x0a\x0d\x0a  植物对温室气体二氧化碳的吸收比地球上其他任何东西(包括海洋)都多,植物吸收的二\x0d\x0a  氧化碳是人类活动排放进大气的二氧化碳的10倍以上。我们知道,植物主要靠叶子吸收二\x0d\x0a  氧化碳,因此了解植物叶子对于弄清全球碳量很重要。换句话说,要想查明全球碳量,必须\x0d\x0a  搞清植物叶子的工作原理。这里涉及到三个基本要素:制造叶子所需的碳量、叶子的寿命和\x0d\x0a  叶子加工阳光的快慢(即进行光合作用的速度)。\x0d\x0a\x0d\x0a  上述三个基本要素以不同方式组合,最终就创造出多得令人难以置信的树叶形状和结\x0d\x0a  构。为了预测树叶怎样平衡这些要素以最好地服务于自己所属的树木,最近有科学家创建了\x0d\x0a  一个数学模型。科学家认为叶脉是树叶的根基,所以他们在这个模型中使用了在叶脉网络中\x0d\x0a  清晰可见的三种特性:叶脉密度、叶脉之间的距离,以及就像人类毛细血管一样的较小的叶\x0d\x0a  脉区域的数量(这些叶脉区域被称为“回路”)。\x0d\x0a\x0d\x0a  其中,叶脉密度是树叶在自己的网络中“投资”了多少的标志;叶脉之间的距离表明叶\x0d\x0a  脉让树叶持续得到水和养分的能力;回路数量则显示树叶的强韧度,也与树叶的寿命长短有\x0d\x0a  关(一当树叶被损害,回路就会改变供给物——水和养分的输运线路)。\x0d\x0a\x0d\x0a  叶脉能够揭示有关植物的大量信息。比如,当植物张开其叶子上的小孔(正规叫法是“气\x0d\x0a  孔”),为进行光合作用而吸收更多二氧化碳时,叶子就会在蒸腾作用(与天气和气候因素密\x0d\x0a  切相关)下失去大量水分。这一过程需要叶子内部的大量“管道”来输运水分,也就意味着\x0d\x0a  需要大量较大的叶脉。又比如,一种植物如果一直需要大量的水,它就会青睐特定几何形状\x0d\x0a  的叶脉布局,从而为树叶的整体形状奠定基础。因此,正是作为树叶骨架的叶脉在决定着树\x0d\x0a  叶是古典的枫叶形还是刀刃般的柳叶形,抑或是其他形状。\x0d\x0a\x0d\x0a  总体而言,叶脉决定着树叶的一切——为树叶提供结构性支撑,抵御侵害,传输养分,\x0d\x0a  甚至还帮助将化学信号传递给植物(在这方面叶脉就像是动物的神经)。科学家所建立的数学\x0d\x0a  模型正是通过综合上述的决定性因素——光合作用速率、树叶寿命、碳消耗量甚至氮消耗量\x0d\x0a  之间的关系,来模拟出树叶“应该具有的”形状。他们针对全球范围内超过2500种植物的\x0d\x0a  树叶进行了对比研究。结果发现预测情况与实际情况完全符合。\x0d\x0a\x0d\x0a  不过,上述最新研究成果还是显得有些笼统、含糊和深奥。那么怎样才能找到一种可以\x0d\x0a  简明扼要地解释树叶多样性的理论呢?有科学家试图通过比较热带植物和温带植物来回答这\x0d\x0a  个问题。\x0d\x0a\x0d\x0a  大多数热带树木的叶子都比温带树木的叶子圆而厚,边缘也更光滑(无锯齿)。正因此,\x0d\x0a  热带树叶比温带树叶更结实——热带植物可连续多年保有自己的树叶,温带的落叶植物则只\x0d\x0a  能保有树叶一个季节。对于温带植物,制造较薄的树叶需要的能量较少,但它们也要为此付\x0d\x0a  出代价:薄的叶子不够结实,尤其是在远离主要叶脉的区域(叶脉为树叶提供结构性支撑)。\x0d\x0a  这样一来,那些“遥远”的叶子区域就被抛弃,结果就出现了有裂片(锯齿)的树叶,例如白\x0d\x0a  栎(音11)树叶。\x0d\x0a\x0d\x0a  树叶的形状、颜色和表面纹理等都在植物的蒸腾速率和防御方面起到一定的作用。比如,\x0d\x0a  较大的树叶有较大的边界层,当气流吹拂时这一层就比较平静。树叶表面有毛或纹理,就能\x0d\x0a  阻止更深边界层的气流涌动,从而减缓蒸腾速度。至于树叶上的毛,它既能减缓空气流动又\x0d\x0a  有助于阻挡吃树叶的昆虫。而树叶表面纹理可用来保护气孔。水生植物的气孔位于树叶的上\x0d\x0a  表面,以利于树叶透气。一些陆地植物的气孔却位于树叶的下表面,以保持阴凉、减少水分\x0d\x0a  散失。一些树叶上覆盖着较厚的蜡层,有利于阻止在十分干燥的环境中流失水分。像毛蕊花\x0d\x0a\x0d\x0a  \x09\x0d\x0a  属植物那样毛上有细小的分叉尖端,能阻止蚱蜢及其他昆虫。还有一些树叶颜色醒目而复杂,\x0d\x0a  这可能是在向企图吃掉它们的昆虫发出警告:“我有毒,别碰我!”而在另一些情况下,当树\x0d\x0a  叶很嫩很年轻时它们是红色的,这是为了减轻紫外线的伤害。\x0d\x0a\x0d\x0a  虽然至今仍不清楚树叶形状背后的“统一而又简单的”机理到底是什么,但科学家已经\x0d\x0a  知道有大量理由使得树叶在大小和形状方面变化万千。以下列举的只是这些理由中的少数几\x0d\x0a  个。\x0d\x0a\x0d\x0a  保持水分 生长在干燥环境中的植物叶子一般都面积较小,常常还呈针状,这是为了保\x0d\x0a  持水分。事实上,植物吸收的水分中多达90%都通过叶子的蒸腾作用最终丧失了。\x0d\x0a\x0d\x0a  抓取食物 一些植物的叶子形状像滑槽,并且真的很滑。不幸登陆这种叶子的昆虫就可\x0d\x0a  能滑落到叶子底部的一汪水和消化液里,沦为食肉植物的美食。\x0d\x0a\x0d\x0a  寻求保护 温带植物叶子通常为圆锥形,这是为避免冬雪积在叶面上压坏叶子。一些植\x0d\x0a  物为吓阻掠食者演化出了针状叶子,例如北极地区的针叶树,它们的叶子像刺一样,哪怕饥\x0d\x0a  肠辘辘的动物也轻易不敢吃它们。此外,北极缺乏阳光和降雨,每一片树叶都很珍贵,这也\x0d\x0a  就难怪那里的树叶会长得那么“小气”。\x0d\x0a\x0d\x0a  丢一些水 植物是通过叶子上的气孔来呼吸的,假如气孔都积满水,植物就会被“淹死”。\x0d\x0a  因此,大多数叶子的形状都特别有利于让多余的水流走,而叶脉在其中也充当着排水沟的角\x0d\x0a  色。\x0d\x0a\x0d\x0a  基因的作用\x0d\x0a\x0d\x0a  科学家于2008年12月报告说,基因可能决定着从卷心菜到枫树的很多植物的叶子形状。\x0d\x0a  这些基因反复开启,不断分化叶子边缘,从而创造出千变万化的叶子形状。\x0d\x0a\x0d\x0a  在叶组织从正在生长的植物嫩芽中分化出来后,它可能分化成更多、更小的叶子或称“小\x0d\x0a  叶”,形成复叶,其边缘可能变成锯齿形或称“浅裂状”。科学家一直怀疑,小叶从叶子上的\x0d\x0a  分化与叶子从嫩芽上的分化的方式是一样的。直到最近,支持这——推测的分子机制才刚开\x0d\x0a  始浮出水面。科学家发现,—个单—家族的基因在上述两个分化过程中都起着决定作用。\x0d\x0a\x0d\x0a  这个基因家族有两个亚群,分别称为NAM和CUC3,它们负责为一大群不同植物的调\x0d\x0a  节蛋白质解码。耧斗菜、青豆、番茄和苣芹是四种“远亲”植物,它们在大约1.25亿年前\x0d\x0a  从一个共同祖先分化出来。科学家检验由NAM和CUC3解码的蛋白质在何处表达,然后通\x0d\x0a  过压制特定的基因来降低这些蛋白质的水平。这两个基因亚群此前已知能帮助诸如叶子这样\x0d\x0a  的植物器官从茎上分化出来,例如拟南芥的叶子浅裂化就需要它们。而最近的研究又发现,\x0d\x0a  这个基因家族其实发挥着更广泛的作用。\x0d\x0a\x0d\x0a  在科学家新近研究的所有植物中,NAM和CUC3基因都在叶子和小叶基部启动,一旦\x0d\x0a  它们被关闭,裂片和浅裂作用立即消失,将原本漂漂亮亮、形态各异的叶子形状转变成难以\x0d\x0a  名状、界限不清的团状。科学家说,叶子的所有类型的进一步分化(即所谓“亚门”)都离不\x0d\x0a  开CUC基因家族。\x0d\x0a\x0d\x0a  事实上,虽然不同的植物家系各自\x0d\x0a\x0d\x0a  独立地进化出了基因通道,但NAM和CUC3基因将这些通道连接在了一起。复叶在植物进\x0d\x0a  化史上被多次创造出来,大多数植物都通过调动KNOXI基因家族来帮助小叶的分化,其余\x0d\x0a  植物调动的则是LEAFY(或称LFY)基因。根据植物种类的不同,关闭NAM和CUC3基因\x0d\x0a  就会改变KNOXI或LFY的表达,反之亦然。\x0d\x0a\x0d\x0a  环境的影响\x0d\x0a\x0d\x0a  \x09\x0d\x0a  位于树冠的树叶面临充足的阳光,这些树叶一般都比较小,这样就能减少吸收光线的表\x0d\x0a  面积。树冠树叶一般还有着复杂的边缘或裂片,这就使得树叶能迅速散失掉吸收的热量。树\x0d\x0a  冠下面的树叶被遮蔽较多,它们一般都比较大,因而吸收光线的表面积也较大,而且叶缘和\x0d\x0a  裂片的表达也比较简单。比较一下树冠较高的橡树和树冠较低的山茱萸,或者观察一下白栎\x0d\x0a  树树冠和下面的叶子,就不难看出这一点。白栎树上层树冠叶子较小,也使得大量阳光能穿\x0d\x0a  透到下面的叶子上,从而让下面的叶子也能进行持续的光合作用。\x0d\x0a\x0d\x0a  针形树叶吸收光线的表面积很小,因此每根针叶无法获得大量阳光来进行光合作用。针\x0d\x0a  叶有很厚的角质层,还有特殊的坑状气孔,这样能阻止水分的过量流失。针叶树尤其适合在\x0d\x0a  干燥土壤和干燥气候条件下生长,在这样的环境中生长特别需要保持水分。针叶和阔叶的另\x0d\x0a  一个主要不同点,就是针叶能“活”3~4年,而阔叶只能“活”一个生长季节。\x0d\x0a\x0d\x0a  在演化过程中,叶子针对不同环境发展出了多种多样的策略,这在一定程度上决定了叶\x0d\x0a  子的外形。这些策略举例如下:\x0d\x0a\x0d\x0a  ·能避免雨水打湿和污染的特殊表面结构,例如荷叶。\x0d\x0a\x0d\x0a  ·薄片状的叶子形状以减低风的阻力。\x0d\x0a\x0d\x0a  ·叶面上的毛能在干燥气候条件下俘获水分,并创造一个大的边界层来减少水分流失。\x0d\x0a\x0d\x0a  ·蜡状叶面减少水分散失。\x0d\x0a\x0d\x0a  ·用大大的叶面捕捉阳光并为植物创造阴凉,避免植物过热和减少水分散失。\x0d\x0a\x0d\x0a  ·多汁的叶子存储水和有机酸,以备光合作用所需。\x0d\x0a\x0d\x0a  ·叶子上的腺体制造芳香油、毒素或外激素来吓阻素食动物。\x0d\x0a\x0d\x0a  ·叶子中包含晶体来吓阻素食动物,例如草叶中所含的硅晶体。\x0d\x0a\x0d\x0a  ·转变成花瓣以吸引传授花粉的昆虫。\x0d\x0a\x0d\x0a  ·转变成刺以保护植物,例如仙人掌。\x0d\x0a\x0d\x0a  ·转变成昆虫陷阱以喂养植物,例如食肉植物。\x0d\x0a\x0d\x0a  ·转变成球茎以帮助存储食物和水,例如洋葱。\x0d\x0a\x0d\x0a  ·转变成卷须以帮助植物爬升,例如豌豆。\x0d\x0a\x0d\x0a  ·假如真花已极度退化,叶子就转变成苞片和假花替代通常的花结构。
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