叶子背后的秘密

乔心月

对于叶子，我们都不陌生。春天的丛丛绿叶生机盎然，秋天的片片红叶如火如荼；叶子给许多小动物提供食物，给旅途劳累或炎夏纳凉的人们提供一片荫蔽……然而，无处不在、看似普通的叶子里却隐藏着许多我们不知道的秘密。

叶子为什么有如此多的形态？

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？

叶子有大有小，有厚有薄，叶子的结构有复杂的，有简单的，这些都只是简单的描述。在植物学家的分类目录中则充满了大量晦涩的术语：对生的叶子、轮生的叶子、互生的叶子、带纤毛的叶子、带短硬毛的叶子、有卷须的叶子、有网状叶脉的叶子、覆盖着绒毛的叶子，等等。不过，叶子尽管形态万千，但大部分叶子基本上都在做着同样的事：将太阳光的能量转化为生命能量。那么，不同形状的叶子为什么都拥有捕捉阳光的能力呢？

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。

在夜晚寒冷潮湿、白天炎热干燥的热带高海拔地区，还生长有一些极端形态的叶子。在非洲、亚洲、夏威夷和美洲的山区，如果你有机会攀登到林木线以上，就会发现一种奇特的现象：一些植物顶端覆盖着厚厚的呈穹顶形的叶子，有的是活着的，有的已经枯死了。这被植物学荡碲尔之为“巨型莲座型叶丛”。这些巨大的叶丛可为新抽出的叶子嫩芽提供庇护，叶子表面的一层绒毛也可增强叶子对极端冷热变化天气的抵御能力。即使是枯死的落叶，它们对植物也有很大的帮助：既可以帮助抵御夜晚的严寒，又可以承接更多的露水，以应对干燥缺水的白天。在这样的海拔高度上，如果将枯黄腐朽的莲座叶丛清除掉，在失去枯叶这层“皮毛”保护后，裸露在严寒环境中的植物很快就会被冻死。

有时，自然选择会反复应用几种最好的形式。以生长在低营养沼泽地中的肉食植物为例。由于土壤无法提供足够的营养，它们只好捕食一些动物来补充营养。在反复实践的过程中，一些肉食植物就进化出了卷叶、粘毛、黏液池、捕食陷阱等。所有这些进化都是为了一个目的——抓住猎物。因此，对于一些小飞虫来说，沼泽地是一个很可怕的地方，那里住着许多可怕的植物。

叶子如何适应环境变化？

既然叶子的多样性是自然选择的结果，那么，在某个特定环境中，比如沙漠、山顶，抑或你家后院，叶子的形状就应该是相同的。然而，事实并非如此。实际上，叶子的形状还要受环境变化等因素的影响。那么，叶子是怎样适应环境变化的呢？

有科学家指出，城市环境中的叶子在进化过程中，为了适应城市环境中的种种不利条件，如污染、缺水、高温、动物排泄物等，在经过许多世代的自然选择后，最终进化形成了最能适应城市环境的形状。

除了形状，叶子的其他许多特征都与植物之间的长达4亿多年的生存竞争有关。生长在土壤里的植物要为养分、水分，以及树冠天蓬上透进来的缕缕阳光而竞争，这也就是为什么树木越长越高、森林越长越密的原因。如果没有这样的竞争，今天地球上所有的森林看起来都会像一张厚而平坦的绿毯，毫无特色可言。

在植物与植物的战争中，叶子的纹理也在发生着变化。拥有更多叶脉的叶子可以将更多的水分输送给叶绿体，让叶绿体制造出更多的糖分，使植物的生长速度更快，叶子也有更多的机会向空中伸展，占据更多的有利空间，获取更多的阳光。在生存之战中，成为最后赢家的往往是那些进化出了更多叶脉的植物。

叶子要应对的还不仅仅是植物之间的竞争。“老牛吃嫩草”，动物的这种习性几乎与叶子本身一样古老。古生物学家在恐龙粪便化石中的远古时代植物叶子上找到了这类证据，在一些叶子化石上也有被远古生物啮咬的痕迹。在生物的“食谱”中，没有比叶子更受欢：迎的“菜品”了。从飞蛾、蝴蝶、甲虫、真菌、猴子、树懒，到野牛、长颈鹿这类喜吃绿色植物的庞然大物，都是叶子的天敌。作为固定在土地上的植物，面对这种无时不在的危险，叶子根本没有逃跑的能力。

虽然无法主动逃走，但叶子仍然进化出了自己独特的自卫方式。一些植物叶子擅长玩一些致命诡计，以狠狠教训来犯者。例如，一些草叶进化出了一种特殊的自卫本领：将自己从土壤中获得的硅石积累起来，形成如玻璃般锋利的毛刺，如果像牛这样的食草动物咬上一口，就有可能崩坏牙齿。所以，食草动物在吃上几次苦头后，一看见这种带毛刺的青草，它们就会远远避开。又如，一些植物利用某些化学物质，让自己的叶子变得难吃甚至有毒。有的叶子的防御武器一眼即可看出，如叶脉上渗出的汁液，或叶片上长出的会刺痛皮肤的绒毛。还有一些叶子的防卫武器很隐蔽，专门等待毫无戒备的倒霉蛋上当受骗。

叶子为什么会变色？

春天和夏天，植物呈现一片绿色——叶子中的叶绿素吸收太阳光线中除绿色之外的所有颜色，所以我们的眼睛看到的是植物叶子反射回来的绿色光线。待夏去秋来，白天变得越来越短，天气变得越来越冷，这时叶子的颜色从绿色变成红色、紫色、橙色或黄色。叶子为什么会变色？

原来，叶子中除了绿色色素外，还有黄色、橙色等多种色素，只是在一年中的大部分时间里，其他颜色都被绿色所掩盖。到了秋天，随着日照时间和温度的变化，叶子渐渐停止制造营养，养料制造过程关闭，赋予叶子生命气息的叶绿素分解，叶子中的绿色色素消失，黄色和橙色等色素便显现出来，赋予叶子以绚烂的秋色。

叶子中还发生着其他一些化学变化，让叶子的色彩变化更加丰富。枫树等植物的叶子能产生一种化学物质，它能让叶子变得如火般鲜红；一些化学物质能让山茱萸和漆树等的叶子变成淡红色或淡紫色；一些化学物质能让糖枫的叶子变成鲜艳的橙色……所有这些颜色变化都与秋天来临，叶子里的叶绿素和其他色素的此消彼长有关。

谁为叶子染色？

植物的色彩来自于色素分子。决定叶子颜色的三种主要色素是叶绿素、类胡萝卜素和花青素，这些化学物质的不同组合，赋予了秋天的叶子以各种各样的色彩。

叶绿素 叶绿素产生于叶子光合组织的叶绿体中，主要用于光合作用。叶绿素分子的闭合环类似于我们血液中的血红蛋白，但其作用是保存镁离子而不是铁离子。植物产生叶绿素需要付出昂贵代价，部分原因是因为叶绿素的每个闭合环都含有4个氮原子。当叶子的生命周期走向终点时，叶绿素渐渐分解，大部分的氮原子被植株再次吸收。

类胡萝卜素 类胡萝卜素产生明亮的橘黄色。光线中的蓝色波长被类胡萝卜素吸收，其他较长的波长被散射开来，于是显现黄色。秋天，当叶子中的叶绿素渐渐消失后，留在叶子中的类胡萝卜素便显现出来，叶子开始变黄。

花青素 花青素是植物细胞中的水溶性色素。它们让花瓣变成粉红色，让水果（如苹果）变红，并让秋天的叶子变成鲜艳的红色。光线中的蓝、绿色波长被花青素吸收，红色波长则被散射开来，于是呈现在我们的眼里的就是粉红色的花瓣和鲜红的秋叶。

过去很多教科书在解释叶子秋天变色的原因时都简单地说，在秋天。叶绿素消失后，其他色素才显现出来。实际上，花青素是在叶绿素开始分解后才出现的，并非原来就有的。

叶绿素是怎样工作的？

叶子不断地捕捉和吸收光能，将其转化为动植物生存和建立人类文明所不可缺少的糖分，而这个伟大的能量转换工作是由叶子中的叶绿体来完成的——大约16亿年前，一种不会利用太阳能量的细胞吞噬了一种能够进行光合作用的、被叫做藻青菌的细菌，于是它就成了世界上所有叶绿体的祖先。那么，叶绿体中的叶绿素是怎样工作的呢？

叶子利用叶面上的微孔从空气中吸收二氧化碳，利用根部吸收水分，叶子中的叶绿素通过光合作用，将阳光中的能量与二氧化碳和水结合在一起，形成植物生长需要的营养物质糖分，而这一宏大工程的副产品就是地球上所有生命不可缺少的氧气。

如果没有叶绿体，植物也许就不得不像我们以及其他生物—样，满世界地去寻找吃的。而拥有了叶绿体的神奇能量转换能力，植物叶子只要伸展开它们绿色的“手掌”去摄取阳光，就可以获得生命能量。如果说这个世界上真的存在魔法，那么施魔法者就是叶子中的叶绿素。

叶绿素之所以能赋予叶子绿色，是因为叶绿素吸收大部分红光和蓝光，并反射绿光，于是叶子呈现出绿色。而当秋天来临，日照时间和空气湿度都逐渐减少、变小时，在叶柄和树的木质部慢慢形成一层细胞，它妨碍了水和养料的输送，光合作用减弱了，没有了叶绿素的叶子在短时间内就变成其他颜色了。

秋叶为什么那样红？

科学家研究发现，土壤质量在叶子颜色变化过程中起到了关键作用。氮含量和其他自然元素含量越低的秋叶越能产生花青素。

为了弄清楚花青素的作用，科学家培育了一种无法合成花青素的变异植株，然后将这种植物与能够产生花青素的植物进行比较。结果发现，叶子变红的植物，可以继续从叶片吸收养分，而无法合成花青素的变异植株的营养吸收过程在秋天到来时早早地就停止了。

研究表明，花青素就像是植物叶子的“防晒霜”。叶绿素分解后，叶子很容易受到强烈阳光的伤害，叶子变红不但可以让植物免受阳光伤害，还可以让植物继续从快要枯死的叶子中吸收养分，这些营养储备将帮助植物安然过冬。

植物产生的花青素越多，叶子就会变得越红，这也正是为什么叶子颜色的深浅每年都不一样，甚至树与树之间也不尽相同的原因。在环境条件严酷时，如遭遇干旱和疾病，这一年的叶子往往会比往年更红。

叶子变红可帮助植物更好地度过严寒天气。秋天越冷，红叶越多，这两者之间有着明显的联系。例如，气候较为温暖的美国佛罗里达州的红枫树叶远不如气候较为寒冷的威斯康星州的红枫树叶那么艳丽。

红叶的颜色深浅和持续时间，同温度、光照以及水分供应都有关系。零摄氏度以上的低温有利于花青素的形成，让枫树叶子变成鲜艳的红色，但过早到来的霜冻天气则会降低红叶的鲜艳程度。另外，多雨多阴天气会让秋叶的颜色变得更深。所以，晴朗干燥、有些凉意但不是太冷的天气是观赏秋叶美景的最好时机。

为什么有的植物不落叶？

当叶子出现秋天的色彩时，其他的变化也随之开始。大多数北方阔叶林在秋天都会落叶。但是，橡树的叶子以及其他一些树种的褐色枯叶有可能会留在树上，直到春天到来时再次恢复生机。而在天气较为温暖的南方，一些阔叶树的叶子四季常绿，冬天也不落，并一直保持苍翠的绿色。

无论在南方还是北方，大部分常绿针叶林，包括松树、云杉、冷杉、铁杉、雪松等，它们的叶子都四季常青。针状叶或鳞片状叶四季保持着翠绿或浅绿颜色。一些树种的叶子可以存活2～4年，甚至更多年份。那么，为什么有的植物在秋天会落叶，有的植物不落叶？

这是因为大部分的叶子都是有一定寿命的。一年生的植物，叶子会随着植物体的死亡而死亡；多年生的植物，叶子寿命可长达几年；有的植物有很长的寿命，叶子寿命也很长（如百岁叶，叶子寿命可达600年）。

当叶子要脱落时，在叶柄处会分裂出数层扁小的薄壁细胞，称为离区。在离区，一部分薄壁细胞的胞间层开始分解，形成离层。离层与树枝的联系逐渐被切断，在风或自身重量作用下，叶子飘然而下。而在原先的叶柄处，细胞木栓化，木栓细胞覆盖叶子脱落后形成的断痕，而自身又与茎的木栓层相连，继续保护植物体。

叶子为什么要变色？

在渐渐变色、枯死的叶子中隐藏着植物生存的奥秘。越来越多的证据表明，叶子在秋天变色是为了帮助植物应对秋冬的来临，有益于植物来年的生长。叶子变色的意义远远超过了叶子短暂的生命周期。那么，植物从叶子变色中获得了哪些好处呢？

花青素对于渐渐老去的叶子在生物学上有着两个方面的重要意义。首先，花青素，特别是叶子中的花青素，是一种很强的抗氧化剂，越来越多的研究证明花青素对延缓衰老具有重要意义。动物实验表明，在饲料中增加花青素可提高动物的记忆力。其次，花青素作为植物叶子的遮光剂，可保护脆弱的叶绿素分子免受阳光紫外线伤害。秋天，在叶绿素分解后，含花青素的叶子尤其是红叶，释放更多的氮回馈树枝和树干，为来年春天新叶生长储备营养物质。有证据表明，落叶的红色越深，其中所剩的氮越少。

叶子缺乏强大的伪装能力，很容易被它们的天敌采摘吃掉。因此，叶子无论变红还是变黄都不失为很好的伪装策略。红色和黄色的叶子看上去很显眼，一些动物会将这种鲜艳的颜色与“有毒”或“不好吃”联系在一起，它们会避而远之。有研究发现，叶子变得越红，被昆虫吃得越少。因此，叶子变色具有“吓阻”动物、避免昆虫在叶子上产卵的作用，可将昆虫对植物来年生长的伤害降到最小。

从营养角度看，叶子变色机制也是有道理的。昆虫不喜吃红色的叶子，是因为其中所含的营养太少（红叶的含氮量低于绿叶）。此外，叶子鲜亮的颜色还能吸引一些动物前来食用颜色不那么鲜艳的果实，让动物将植物种子带到别处去生根发芽。

尽管我们还不能了解每一片叶子为什么会长成我们看到的那样，但我们知道它们都是大自然的杰作。每一片叶子都在向我们展示生命的生生不息。