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叶片为何不“撞衫”

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荷叶是圆的,韭菜叶是长的,枫叶一副巴掌样……不同植物的叶片形状不一样,即便是同一棵树上的叶片形状也会多少有些不同。树上的叶片,有些是卵形,有些则形如钢锸。世界上究竟有没有两片完全相同的叶子?它们的功能既然都是光合作用,为什么要“设计”出多样的形态?

植物身上隐藏着很多秘密,它们多样的形状一直都是研究者很感兴趣的问题。人们对叶片形状之谜的突破来自日本:2011年,京都大学植物分子生物学专家小山知嗣率领的研究小组,找到了与叶片边缘形态有关的一组基因。这是一组被称为TCP基因的特殊基因群,这组基因的活跃程度,决定了叶片边缘锯齿的深浅――牛菜的叶片边缘相对平滑,而玫瑰的叶片边缘却有很多小锯齿,这样的区别就是这组基因在起作用。不过植物叶片形状的“大方向”由它们的生存环境决定。

作为地球生命世界的发动机,植物叶片的主要职能就是收集太阳光线。为了实现这一功能,也为了节省能量,从而达到最佳效果,薄片形状就成了所有叶子的基本设计。如果植物只是在“衣食无忧、旱涝不侵”的理想环境中生长的话,叶片满足于保持薄片型、努力收集光线也就够了,不会有如此丰富的多样性。但现实是,植物的日子也不怎么好过――它们把叶片“裁剪”成不同的形状,是因为生存的需要。

流行哪一款,环境说的算

水分是一切生物生存的根本,植物叶片的“设计”很大程度上是为了适应生活环境中的水分状况。

在干旱炎热的地区,植物都拥有极强的储水能力,这些植物的叶片普遍都变得很厚实,在形状上更接近于棒状,或者密实得像橡胶片一样。这类叶片的内部具有发达的海绵组织,用以囤积大量水分。除了这些储存水分的厚叶片,还有以松树为代表的针状叶、以柏树为代表的鳞状叶,这些叶片丢失水分的比率很低(蒸发量很小)。对比一下走进松树林和杨树林的感觉,你肯定会觉得到杨树林更凉爽一些,因为杨树会让更多的水分变成水蒸气,同时也就带走了更多的热量。当然,相对松树来说,种植杨树也就更费水,杨树会大量抽离土壤中的水分。

水分少难办,水分多了更难办。对于那些生活在潮湿地区的树木来说,它们须要尽量保持叶片的干爽,如果叶片长时间处于湿润状态的话,就很容易被真菌感染。于是,在这些地区分布的植物,多半配备修长的尖端――叶尖。叶尖的功能就是让水分尽可能地聚集于此,并滴落到地面上。仔细观察一下菩提树吧,它细长的叶尖在大雨中能迅速排水。那些生活在水中的植物(比如莲和睡莲),具有发达的通气组织,同时它们的叶片表面有纳米级的绒毛,可以很容易地排干水分,这些叶片会用有限的材料“做出”尽可能大的叶子,于是,圆形的叶片成了最佳的选择。

除了与水分的斗争,叶片还要应对温度的压力,特别是来自低温的压力。相对于干旱和水分来说,温度对叶片的影响会小一些,但是,在寒冷地方生活的植物叶片更小,表皮层也更为发达,这样有利于它们保持适当的温度。

植物叶片的形态(注意,是形态,不是形状)确实会受到环境的实时影响。比如说,在低光照条件下,桃树的叶片会变得更薄、更宽大,同时还伴随着叶绿素a和叶绿素b配比的变化,以此来弥补光能密度不足带来的损失。当然了,叶片的形状还是桃树叶片的模样。

特殊用途,特殊形状

还有一些叶片具有特殊的用途。我们熟知的捕蝇草和猪笼草的叶片会变成“夹子”和“瓶状陷阱”,用来捕捉昆虫,补充营养。眼树莲属的植物就更为高明了,它们的一些叶片变成了盒子状的“小花盆”。在这些特殊的叶片中,可以储藏水分,甚至有的品种还有共生蚂蚁搬来土壤填入“花盆”,眼树莲的附加根就扎入这些“花盆”里。一个个叶片成了真正的储藏室,不仅可以额外得到蚂蚁搬运来的泥土中的营养,还可以靠储藏的水分度过干旱季节。

同木不同叶的情况也时有发生,这多半也是因为遇上了特殊情况而发展出来的特别能力。比如,我们常见的圆柏,它们植株基部的叶片是刺状的,而植株上部的叶片则是鳞状的。这样的差别被认为是与食草动物竞争的结果――谁愿意去啃带刺的叶子呢?胡杨的两形叶则被认为与抵御干旱有关。幼年的胡杨树和成年胡杨树下部的萌生条上,会呈线状长出披针形、狭披针形叶片,形似柳叶;而成年胡杨上部的叶片则更像杨树叶,呈卵状菱形、卵圆形或肾形等。有研究显示,宽卵形叶的结构比披针形叶更适应干旱环境,具有更强的抵抗逆境的能力和渗透调节能力,有较高的净光合速率和水分利用效率,更有利于胡杨在盐碱化荒漠中生存。

实际上,经过亿万年的自然选择过程,每种叶片都具有适应当地环境的特殊结构。目前,我们只能从了解它们的具体功能入手,研究功能与基因,为改造人工作物和“制造”适于太空生长的植物打基础。