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叶子的形状为什么各不相同?

都乐读 » 新闻热点 » 知识 » 正文  发布时间:2016-11-29 09:23来源:互联网

  导语:叶子的形态可谓千姿百态,有些叶子甚至已经变成了花瓣、荆棘或刺。那么,叶子为什么有如此多的形态呢?

  如果你有兴趣,先去收集一把叶子。你会发现,叶子的形态可谓千姿百态,有些叶子甚至已经变成了花瓣、荆棘或刺。即使是最普通的橡树叶、蒲公英叶以及一些草叶,它们的大小、厚度、形状、颜色、质地、气味等特征也是千变万化、各不相同的。那么,叶子为什么有如此多的形态呢?

树叶

  答案是自然选择。为适应缺水环境,叶子进化出了一些奇特的形态。例如,沙漠植物的叶子或小而皮厚,或表面有一层蜡质,或呈刺状,生长在盐碱地区等其他恶劣环境下的植物的叶子也一样。而生长在水分充足的雨林中的植物的叶子通常呈狭长形,叶子顶端还有个“滴水头”,多余的水分就从这里流走。在寒冷的地方,树叶往往呈犬齿状,如桦树和樱桃树。

  如今多亏了一项新的数学模式,从叶脉角度出发探讨这个问题。

  由于在地球上植物吸入最多的温室气体——二氧化碳,因此了解树叶叶脉是解决全球二氧化碳预算难题的重要部分。“每年全世界的树叶带走大气层中不计其数的二氧化碳。”亚利桑那大学博士生本·布兰德说道。相比海洋,树叶吸收的二氧化碳更多,还是人类向大气呼出的二氧化碳的10倍。“想了解二氧化碳的变化,必须先了解树叶是怎么运作的。”但并非所有的树叶都以同种方式运作。

  树叶生长需要的二氧化碳含量多少,树叶的寿命长短以及综合阳光的速度快慢——或者是光合作用率的高低。这些因素以不同方式,在不同的植物和环境中共同作用,从而创造了树叶形状及结构的多样性。“最让人惊讶的是以多种方式息息相关,但不会在全球范围内发生变化。”布兰德说道。

叶脉

  为了预测树叶如何平衡这三个因素,从使而树叶最佳运作,布兰德发明了一种数学模型,利用从叶脉网状结构中可以肉眼看到的三个方面:密度,叶脉间距,小型叶脉分布区域数量。这些分布区域类似人体的毛细血管,在这里称之为循环。叶脉密度标志着树叶在这个网状结构中投入了多少。叶脉间距是测量叶脉如何有效地为树叶提供水分和营养的一种方式。循环个数与树叶的强韧度和寿命有关,因为在树叶受损的情况下,循环为重新输入养分提供了路径。

  例如,如果植物打开气孔吸收更多的二氧化碳用于光合作用,就会蒸发水分,这就要求树叶有许多管道直接插入水中。反过来,这就意味着需要许多大型叶脉。如果植物需要不停地吸收水分,这有利于特定叶脉的几何分布,最终塑造树叶形状。因此叶脉——树叶的骨架决定了树叶是典型的枫叶形状还是尖刀似的柳叶形状。

  “叶脉无所不能。”布兰德说。叶脉构成植物结构,为植物抵御破坏,甚至传送化学信号,与动物神经类似。“树叶运作模式有失也有得。”布兰德补充道,“我们能做的只有合成所有东西,这样,在大的图片上其显示才会更加清晰。”布兰德在2500多种植物上测试了模型,该模型用于预测光合作用率、树叶寿命、二氧化碳甚至氮气消耗之间的关系。测试成功了。之后,布兰德与大学生助手林奇·帕克,杰姬·贝辛森以及大卫·卡哈勒测试了来自亚利桑那大学的25片树叶。他们的最初结果表明,这项模型在当地范围内可行。他们扩大研究范围,正研究科罗拉多若基山生物实验室中的树叶。布兰德及其学生在《生态学通讯》期刊上刊登了有关叶脉的研究。

 

  最终,对树叶的研究将会被纳入气候模型研究中。这不仅可以平衡二氧化碳预算,还可以预测蒸发率以及其它严重依赖植物,与天气、气候相关的事物。“了解植物与全球二氧化碳循环之间的关系,意义深远。”布兰德说道。

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