葉子背后的秘密

喬心月

對于葉子，我們都不陌生。春天的叢叢綠葉生機盎然，秋天的片片紅葉如火如荼；葉子給許多小動物提供食物，給旅途勞累或炎夏納涼的人們提供一片蔭蔽……然而，無處不在、看似普通的葉子里卻隱藏著許多我們不知道的秘密。

葉子為什么有如此多的形態(tài)？

如果你有興趣，先去收集一把葉子。你會發(fā)現(xiàn)，葉子的形態(tài)可謂千姿百態(tài)，有些葉子甚至已經(jīng)變成了花瓣、荊棘或刺。即使是最普通的橡樹葉、蒲公英葉以及一些草葉，它們的大小、厚度、形狀、顏色、質地、氣味等特征也是千變萬化、各不相同的。那么，葉子為什么有如此多的形態(tài)呢？

葉子有大有小，有厚有薄，葉子的結構有復雜的，有簡單的，這些都只是簡單的描述。在植物學家的分類目錄中則充滿了大量晦澀的術語：對生的葉子、輪生的葉子、互生的葉子、帶纖毛的葉子、帶短硬毛的葉子、有卷須的葉子、有網(wǎng)狀葉脈的葉子、覆蓋著絨毛的葉子，等等。不過，葉子盡管形態(tài)萬千，但大部分葉子基本上都在做著同樣的事：將太陽光的能量轉化為生命能量。那么，不同形狀的葉子為什么都擁有捕捉陽光的能力呢？

答案是自然選擇。為適應缺水環(huán)境，葉子進化出了一些奇特的形態(tài)。例如，沙漠植物的葉子或小而皮厚，或表面有一層蠟質，或呈刺狀，生長在鹽堿地區(qū)等其他惡劣環(huán)境下的植物的葉子也一樣。而生長在水分充足的雨林中的植物的葉子通常呈狹長形，葉子頂端還有個“滴水頭”，多余的水分就從這里流走。在寒冷的地方，樹葉往往呈犬齒狀，如樺樹和櫻桃樹。

在夜晚寒冷潮濕、白天炎熱干燥的熱帶高海拔地區(qū)，還生長有一些極端形態(tài)的葉子。在非洲、亞洲、夏威夷和美洲的山區(qū)，如果你有機會攀登到林木線以上，就會發(fā)現(xiàn)一種奇特的現(xiàn)象：一些植物頂端覆蓋著厚厚的呈穹頂形的葉子，有的是活著的，有的已經(jīng)枯死了。這被植物學蕩碲爾之為“巨型蓮座型葉叢”。這些巨大的葉叢可為新抽出的葉子嫩芽提供庇護，葉子表面的一層絨毛也可增強葉子對極端冷熱變化天氣的抵御能力。即使是枯死的落葉，它們對植物也有很大的幫助：既可以幫助抵御夜晚的嚴寒，又可以承接更多的露水，以應對干燥缺水的白天。在這樣的海拔高度上，如果將枯黃腐朽的蓮座葉叢清除掉，在失去枯葉這層“皮毛”保護后，裸露在嚴寒環(huán)境中的植物很快就會被凍死。

有時，自然選擇會反復應用幾種最好的形式。以生長在低營養(yǎng)沼澤地中的肉食植物為例。由于土壤無法提供足夠的營養(yǎng)，它們只好捕食一些動物來補充營養(yǎng)。在反復實踐的過程中，一些肉食植物就進化出了卷葉、粘毛、黏液池、捕食陷阱等。所有這些進化都是為了一個目的——抓住獵物。因此，對于一些小飛蟲來說，沼澤地是一個很可怕的地方，那里住著許多可怕的植物。

葉子如何適應環(huán)境變化？

既然葉子的多樣性是自然選擇的結果，那么，在某個特定環(huán)境中，比如沙漠、山頂，抑或你家后院，葉子的形狀就應該是相同的。然而，事實并非如此。實際上，葉子的形狀還要受環(huán)境變化等因素的影響。那么，葉子是怎樣適應環(huán)境變化的呢？

有科學家指出，城市環(huán)境中的葉子在進化過程中，為了適應城市環(huán)境中的種種不利條件，如污染、缺水、高溫、動物排泄物等，在經(jīng)過許多世代的自然選擇后，最終進化形成了最能適應城市環(huán)境的形狀。

除了形狀，葉子的其他許多特征都與植物之間的長達4億多年的生存競爭有關。生長在土壤里的植物要為養(yǎng)分、水分，以及樹冠天蓬上透進來的縷縷陽光而競爭，這也就是為什么樹木越長越高、森林越長越密的原因。如果沒有這樣的競爭，今天地球上所有的森林看起來都會像一張厚而平坦的綠毯，毫無特色可言。

在植物與植物的戰(zhàn)爭中，葉子的紋理也在發(fā)生著變化。擁有更多葉脈的葉子可以將更多的水分輸送給葉綠體，讓葉綠體制造出更多的糖分，使植物的生長速度更快，葉子也有更多的機會向空中伸展，占據(jù)更多的有利空間，獲取更多的陽光。在生存之戰(zhàn)中，成為最后贏家的往往是那些進化出了更多葉脈的植物。

葉子要應對的還不僅僅是植物之間的競爭?！袄吓３阅鄄荨?，動物的這種習性幾乎與葉子本身一樣古老。古生物學家在恐龍糞便化石中的遠古時代植物葉子上找到了這類證據(jù)，在一些葉子化石上也有被遠古生物嚙咬的痕跡。在生物的“食譜”中，沒有比葉子更受歡：迎的“菜品”了。從飛蛾、蝴蝶、甲蟲、真菌、猴子、樹懶，到野牛、長頸鹿這類喜吃綠色植物的龐然大物，都是葉子的天敵。作為固定在土地上的植物，面對這種無時不在的危險，葉子根本沒有逃跑的能力。

雖然無法主動逃走，但葉子仍然進化出了自己獨特的自衛(wèi)方式。一些植物葉子擅長玩一些致命詭計，以狠狠教訓來犯者。例如，一些草葉進化出了一種特殊的自衛(wèi)本領：將自己從土壤中獲得的硅石積累起來，形成如玻璃般鋒利的毛刺，如果像牛這樣的食草動物咬上一口，就有可能崩壞牙齒。所以，食草動物在吃上幾次苦頭后，一看見這種帶毛刺的青草，它們就會遠遠避開。又如，一些植物利用某些化學物質，讓自己的葉子變得難吃甚至有毒。有的葉子的防御武器一眼即可看出，如葉脈上滲出的汁液，或葉片上長出的會刺痛皮膚的絨毛。還有一些葉子的防衛(wèi)武器很隱蔽，專門等待毫無戒備的倒霉蛋上當受騙。

葉子為什么會變色？

春天和夏天，植物呈現(xiàn)一片綠色——葉子中的葉綠素吸收太陽光線中除綠色之外的所有顏色，所以我們的眼睛看到的是植物葉子反射回來的綠色光線。待夏去秋來，白天變得越來越短，天氣變得越來越冷，這時葉子的顏色從綠色變成紅色、紫色、橙色或黃色。葉子為什么會變色？

原來，葉子中除了綠色色素外，還有黃色、橙色等多種色素，只是在一年中的大部分時間里，其他顏色都被綠色所掩蓋。到了秋天，隨著日照時間和溫度的變化，葉子漸漸停止制造營養(yǎng)，養(yǎng)料制造過程關閉，賦予葉子生命氣息的葉綠素分解，葉子中的綠色色素消失，黃色和橙色等色素便顯現(xiàn)出來，賦予葉子以絢爛的秋色。

葉子中還發(fā)生著其他一些化學變化，讓葉子的色彩變化更加豐富。楓樹等植物的葉子能產(chǎn)生一種化學物質，它能讓葉子變得如火般鮮紅；一些化學物質能讓山茱萸和漆樹等的葉子變成淡紅色或淡紫色；一些化學物質能讓糖楓的葉子變成鮮艷的橙色……所有這些顏色變化都與秋天來臨，葉子里的葉綠素和其他色素的此消彼長有關。

誰為葉子染色？

植物的色彩來自于色素分子。決定葉子顏色的三種主要色素是葉綠素、類胡蘿卜素和花青素，這些化學物質的不同組合，賦予了秋天的葉子以各種各樣的色彩。

葉綠素 葉綠素產(chǎn)生于葉子光合組織的葉綠體中，主要用于光合作用。葉綠素分子的閉合環(huán)類似于我們血液中的血紅蛋白，但其作用是保存鎂離子而不是鐵離子。植物產(chǎn)生葉綠素需要付出昂貴代價，部分原因是因為葉綠素的每個閉合環(huán)都含有4個氮原子。當葉子的生命周期走向終點時，葉綠素漸漸分解，大部分的氮原子被植株再次吸收。

類胡蘿卜素 類胡蘿卜素產(chǎn)生明亮的橘黃色。光線中的藍色波長被類胡蘿卜素吸收，其他較長的波長被散射開來，于是顯現(xiàn)黃色。秋天，當葉子中的葉綠素漸漸消失后，留在葉子中的類胡蘿卜素便顯現(xiàn)出來，葉子開始變黃。

花青素 花青素是植物細胞中的水溶性色素。它們讓花瓣變成粉紅色，讓水果（如蘋果）變紅，并讓秋天的葉子變成鮮艷的紅色。光線中的藍、綠色波長被花青素吸收，紅色波長則被散射開來，于是呈現(xiàn)在我們的眼里的就是粉紅色的花瓣和鮮紅的秋葉。

過去很多教科書在解釋葉子秋天變色的原因時都簡單地說，在秋天。葉綠素消失后，其他色素才顯現(xiàn)出來。實際上，花青素是在葉綠素開始分解后才出現(xiàn)的，并非原來就有的。

葉綠素是怎樣工作的？

葉子不斷地捕捉和吸收光能，將其轉化為動植物生存和建立人類文明所不可缺少的糖分，而這個偉大的能量轉換工作是由葉子中的葉綠體來完成的——大約16億年前，一種不會利用太陽能量的細胞吞噬了一種能夠進行光合作用的、被叫做藻青菌的細菌，于是它就成了世界上所有葉綠體的祖先。那么，葉綠體中的葉綠素是怎樣工作的呢？

葉子利用葉面上的微孔從空氣中吸收二氧化碳，利用根部吸收水分，葉子中的葉綠素通過光合作用，將陽光中的能量與二氧化碳和水結合在一起，形成植物生長需要的營養(yǎng)物質糖分，而這一宏大工程的副產(chǎn)品就是地球上所有生命不可缺少的氧氣。

如果沒有葉綠體，植物也許就不得不像我們以及其他生物—樣，滿世界地去尋找吃的。而擁有了葉綠體的神奇能量轉換能力，植物葉子只要伸展開它們綠色的“手掌”去攝取陽光，就可以獲得生命能量。如果說這個世界上真的存在魔法，那么施魔法者就是葉子中的葉綠素。

葉綠素之所以能賦予葉子綠色，是因為葉綠素吸收大部分紅光和藍光，并反射綠光，于是葉子呈現(xiàn)出綠色。而當秋天來臨，日照時間和空氣濕度都逐漸減少、變小時，在葉柄和樹的木質部慢慢形成一層細胞，它妨礙了水和養(yǎng)料的輸送，光合作用減弱了，沒有了葉綠素的葉子在短時間內就變成其他顏色了。

秋葉為什么那樣紅？

科學家研究發(fā)現(xiàn)，土壤質量在葉子顏色變化過程中起到了關鍵作用。氮含量和其他自然元素含量越低的秋葉越能產(chǎn)生花青素。

為了弄清楚花青素的作用，科學家培育了一種無法合成花青素的變異植株，然后將這種植物與能夠產(chǎn)生花青素的植物進行比較。結果發(fā)現(xiàn)，葉子變紅的植物，可以繼續(xù)從葉片吸收養(yǎng)分，而無法合成花青素的變異植株的營養(yǎng)吸收過程在秋天到來時早早地就停止了。

研究表明，花青素就像是植物葉子的“防曬霜”。葉綠素分解后，葉子很容易受到強烈陽光的傷害，葉子變紅不但可以讓植物免受陽光傷害，還可以讓植物繼續(xù)從快要枯死的葉子中吸收養(yǎng)分，這些營養(yǎng)儲備將幫助植物安然過冬。

植物產(chǎn)生的花青素越多，葉子就會變得越紅，這也正是為什么葉子顏色的深淺每年都不一樣，甚至樹與樹之間也不盡相同的原因。在環(huán)境條件嚴酷時，如遭遇干旱和疾病，這一年的葉子往往會比往年更紅。

葉子變紅可幫助植物更好地度過嚴寒天氣。秋天越冷，紅葉越多，這兩者之間有著明顯的聯(lián)系。例如，氣候較為溫暖的美國佛羅里達州的紅楓樹葉遠不如氣候較為寒冷的威斯康星州的紅楓樹葉那么艷麗。

紅葉的顏色深淺和持續(xù)時間，同溫度、光照以及水分供應都有關系。零攝氏度以上的低溫有利于花青素的形成，讓楓樹葉子變成鮮艷的紅色，但過早到來的霜凍天氣則會降低紅葉的鮮艷程度。另外，多雨多陰天氣會讓秋葉的顏色變得更深。所以，晴朗干燥、有些涼意但不是太冷的天氣是觀賞秋葉美景的最好時機。

為什么有的植物不落葉？

當葉子出現(xiàn)秋天的色彩時，其他的變化也隨之開始。大多數(shù)北方闊葉林在秋天都會落葉。但是，橡樹的葉子以及其他一些樹種的褐色枯葉有可能會留在樹上，直到春天到來時再次恢復生機。而在天氣較為溫暖的南方，一些闊葉樹的葉子四季常綠，冬天也不落，并一直保持蒼翠的綠色。

無論在南方還是北方，大部分常綠針葉林，包括松樹、云杉、冷杉、鐵杉、雪松等，它們的葉子都四季常青。針狀葉或鱗片狀葉四季保持著翠綠或淺綠顏色。一些樹種的葉子可以存活2～4年，甚至更多年份。那么，為什么有的植物在秋天會落葉，有的植物不落葉？

這是因為大部分的葉子都是有一定壽命的。一年生的植物，葉子會隨著植物體的死亡而死亡；多年生的植物，葉子壽命可長達幾年；有的植物有很長的壽命，葉子壽命也很長（如百歲葉，葉子壽命可達600年）。

當葉子要脫落時，在葉柄處會分裂出數(shù)層扁小的薄壁細胞，稱為離區(qū)。在離區(qū)，一部分薄壁細胞的胞間層開始分解，形成離層。離層與樹枝的聯(lián)系逐漸被切斷，在風或自身重量作用下，葉子飄然而下。而在原先的葉柄處，細胞木栓化，木栓細胞覆蓋葉子脫落后形成的斷痕，而自身又與莖的木栓層相連，繼續(xù)保護植物體。

葉子為什么要變色？

在漸漸變色、枯死的葉子中隱藏著植物生存的奧秘。越來越多的證據(jù)表明，葉子在秋天變色是為了幫助植物應對秋冬的來臨，有益于植物來年的生長。葉子變色的意義遠遠超過了葉子短暫的生命周期。那么，植物從葉子變色中獲得了哪些好處呢？

花青素對于漸漸老去的葉子在生物學上有著兩個方面的重要意義。首先，花青素，特別是葉子中的花青素，是一種很強的抗氧化劑，越來越多的研究證明花青素對延緩衰老具有重要意義。動物實驗表明，在飼料中增加花青素可提高動物的記憶力。其次，花青素作為植物葉子的遮光劑，可保護脆弱的葉綠素分子免受陽光紫外線傷害。秋天，在葉綠素分解后，含花青素的葉子尤其是紅葉，釋放更多的氮回饋樹枝和樹干，為來年春天新葉生長儲備營養(yǎng)物質。有證據(jù)表明，落葉的紅色越深，其中所剩的氮越少。

葉子缺乏強大的偽裝能力，很容易被它們的天敵采摘吃掉。因此，葉子無論變紅還是變黃都不失為很好的偽裝策略。紅色和黃色的葉子看上去很顯眼，一些動物會將這種鮮艷的顏色與“有毒”或“不好吃”聯(lián)系在一起，它們會避而遠之。有研究發(fā)現(xiàn)，葉子變得越紅，被昆蟲吃得越少。因此，葉子變色具有“嚇阻”動物、避免昆蟲在葉子上產(chǎn)卵的作用，可將昆蟲對植物來年生長的傷害降到最小。

從營養(yǎng)角度看，葉子變色機制也是有道理的。昆蟲不喜吃紅色的葉子，是因為其中所含的營養(yǎng)太少（紅葉的含氮量低于綠葉）。此外，葉子鮮亮的顏色還能吸引一些動物前來食用顏色不那么鮮艷的果實，讓動物將植物種子帶到別處去生根發(fā)芽。

盡管我們還不能了解每一片葉子為什么會長成我們看到的那樣，但我們知道它們都是大自然的杰作。每一片葉子都在向我們展示生命的生生不息。