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        落葉里的科學

        2023-01-10 18:10:10史軍
        科學大眾·小諾貝爾 2022年12期
        關(guān)鍵詞:卷曲葉脈變色

        史軍

        在瑟瑟的寒風中,樹葉紛紛脫落。當清潔工人忙于清掃路旁的落葉時,科學家又開始在落葉堆里尋找需要解決的科學問題了。

        葉子為什么會先變黃再脫落

        通常來說,我們接收到的概念是:葉子中葉綠素的勢力過于強大,其他色素都隱藏在它們的陰影之下。但到了秋天,葉綠素被降解,其他色素便展現(xiàn)出它們的真顏色。于是,秋日被裝點得五彩繽紛。

        然而,事實并不是那么簡單。變色可能由兩套完全不同的機制在操控。

        首先,營養(yǎng)的回收是導致葉片變色的主要原因。

        植物也不傻,該回收的還是得回收。那都回收什么呢?礦物質(zhì)和能量物質(zhì)是主要的,特別是礦物質(zhì)。因為對植物來說,能量是容易獲取的,但是礦物質(zhì)并不容易得到,所以最好把葉子里面的氮、磷、鉀、鎂都搬回來。因為葉綠素的核心構(gòu)成是鎂離子,所以鎂一旦脫離“工作崗位”,葉子就會變黃。通常來說,這是植物在接收到ABA(脫落酸)信號之后開始執(zhí)行落葉的過程。

        其次,葉片需要保護導致葉片變色。

        葉片未必是先變黃,也可能是先變紅。比如,有名的香山紅葉就是這樣的,在脫落之前先變成紅色。

        實際上,我們的身邊到處都有不是綠色的彩色葉片,比如秋海棠、紫葉李、香山黃櫨。因為葉片中的色素可不是只有葉綠素一種,還潛藏著黃色的葉黃素、橙色的胡蘿卜素,還有顏色多變的花青素(花瓣的顏色也是源于這些色素)。在葉片中,它們的作用就是輔助葉綠素吸收太陽光或者遮擋一部分陽光,避免葉片被曬傷。要知道,毒辣的陽光不僅能把人曬脫皮,對植物也有同樣的殺傷力。

        落葉為什么會打卷

        毫無疑問,葉子卷曲的關(guān)鍵是脫水了。很多剛剛飄落到地面的葉子并沒有卷曲,那通常是因為它們并沒有損失太多的水分。

        當然,脫水后是不是會卷曲,還跟葉片細胞的排列有關(guān)系。植物的葉片細胞不是標準的球形,一般來說,都是長方形。所以,當細胞脫水時,對長度的影響會更大一些。這種不均勻的收縮,勢必引起一些褶皺。

        脫水的葉片并不是等比例縮小,發(fā)生卷曲在所難免。絕大多數(shù)陸地植物的葉片正面和葉片背面的細胞排列是不一樣的,無法保證同尺度的收縮,這就使得葉片兩面收縮不同,產(chǎn)生了卷曲。

        我們還應(yīng)當注意到,植物葉片上面還有葉脈,葉脈細胞同普通的葉肉細胞是不一樣的,其他細胞不均勻收縮也會有影響。

        另外,脫水時,植物細胞的纖維素會重新搭在一起,這就好比A、B、C三個好朋友按順序手拉手時,葉子是平展的;而在脫水的時候,A繞過B,和C拉起了手,結(jié)果葉子就皺起來了。泡過水的紙會皺,也是類似的原理。

        我們在制作植物標本的時候,為了避免這種情況的發(fā)生,就要用吸水紙或者烘干方法對標本進行強制干燥,這樣就可以讓相鄰的纖維素搭上氫鍵(A、B、C按規(guī)則拉好),強制保持葉片的平整。

        落葉為何大多背面朝上

        對于這個問題,有各種不同的答案,到目前為止,還無定論,但是有兩個比較合理的解釋:一是葉片的外形和空氣動力學構(gòu)造有關(guān),二是跟葉片細胞的排列有關(guān)。

        通常來說,葉子都有明顯的兩面,正面的細胞會更致密一些,空氣的出入、光合作用主要是由這一面的細胞來承擔的。所以,其表面通常排列了很致密的柵欄組織。而在葉子的背面,通常是些疏松的組織,細胞就沒有那么致密了。所以,葉子的兩面在密度上并不一致。通常來說,葉子正面的密度會比背面的更大一些。這樣,葉子在飄落的時候,重心會偏向于致密的正面,也就使得正面觸地、背面朝上的機會更大一些。

        也有人認為,葉子背面的葉脈是隆起的,在落到地面之后,即便是背面向下落地,也很容易被風吹動。葉子一翻身,就變成背面朝上了。

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