植物的体型可能限制了植物叶片的大小

作者:Adrian Cho时间:2014-11-29 04:15:39评论:0

叶片的生长并不像看起来那么复杂。来自哈佛大学的生物物理学家简森与加州大学戴维斯分校的温尼克对不同物种的乔木树高和叶片大小数据进行了大量的分析,他们发现个体较矮的乔木树种在叶片的尺寸上具有更大的变幅,而最高的树木,其叶片长度却仅在10-20厘米之间。植物叶片大小变化幅度随着树高的增加而减少的这一趋势很可能是由于乔木内部的养分传导结构所致。简森说:“这其实是很简单的观察”,而负责数据分析的温尼克也表示他们很庆幸前人没有类似的研究。如果他们的猜想是正确的,那么就为世界上最高的被子植物的高度极限提供了理论依据。他们的这一研究结果在最近一期的《Physical Review Letters》上发表(论文链接:http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i1/e018104)。


简森和温尼克通过对1925种被子植物形态数据的分析发现:树高在30米以下的乔木植物的叶片长度的变化幅度非常巨大,既有3厘米长的榔榆(lacebark elm)叶片,也有60厘米长的木兰(magnolia)。而随着树高的增加,叶片长度的变化幅度逐渐随之减少,直到最高的有花植物,其叶片大小相对稳定在10-20厘米间。


作者从养分传导和能量传递的角度出发来解释这种格局的形成。植物叶片通过光合作用所获得的养分,以组织液(sap)的形式流经由筛管组成的网络,并传递到体内所有组织,保证植物体新陈代谢的正常进行。该养分的运输过程是由不同位置之间组织渗透压的不同所驱动的。


简森和温尼克将树木模型化为由一长一短彼此相连接的圆柱形管子,短管是可渗透的(代表叶片中的筛管),长管是(相对)不可渗透的(代表树干的韧皮部)。携带养分的组织液在两种管道中运输。当“短管”的长度增加(即叶片的变大)时,叶片接收组织液的能力随之越强。而情况在“长管”中却完全不同,当长管的长度增加时,组织液的传导伴随需要克服更多的阻力。


于是两位科学家便开始思考随着叶片大小的变化,植物体内负责传导养分和能量的组织液在流动总量上的差异。较大的叶片,其树干部位的传导阻力会相对增大,自然会限制组织液的输送。而较小的叶片,组织液在树干传导过程中受到的阻力就会相对变小。如果叶片小到一定的程度,组织液通过韧皮部的流动将比单纯在树干中扩散更慢,从而使韧皮部导管就变得毫无用处。


事实上,从理论模型模拟的限制与实际观察到的叶片大小数据是吻合的。由大量的物种数据拟合的曲线显示:随着树高的增加,叶片长度的极大值和极小值趋于汇聚,并在100m左右交汇。这差不多正好是目前世界上最高被子植物的树高值。简森介绍道,通过他们的模型可以判定, 100m很可能就是被子植物的一个高度极限。


并非所有的人都认可他们的解释。来自犹他州州立大学的生理学家约翰·斯泊瑞(John Sperry)就是其中之一。斯泊瑞只是对该论文两位作者的问题切入点很感兴趣。事实上,他这个模型的建立过于简单,以至于忽略了其他诸多可能影响模拟结果的因素。比如,简森和温尼克并没有考虑到树干中韧皮部的筛管组织会随着时间的推移发生融合的现象,所以并不存在叶片大小与树干中韧皮部筛管的某种一对一的特定关系。再者,针对高大乔木叶片尺寸变幅较小的论断,斯泊瑞则认为叶片大小的形成机制还与适宜的环境有关。


然而来自芝加哥州立大学从事植物进化研究的古生物学家凯文·波耶斯对简森和温尼克的理论模型报以希望。“因为简森和温尼克是首度关注到该格局的,因而他们具有优先尝试解释的权利,”波耶斯说道,“继续比较被子植物不同科之间叶片大小的分布格局,将有助于进一步验证该理论。”


简森对验证该理论有自己的看法。通过数学计算,他提供了组织液在植物体内的传输速率如何随着树高和叶片大小而变化的一个简单方程。而这个传输的速率值是在不同种类的高大乔木中是可测定的,尽管这需要将核磁共振成像设备搬运到雨林的林冠。


原文链接:http://news.sciencemag.org/sciencenow/2013/01/simple-physics-may-limit-the-siz.html

马文章 译


关键字:理论模型,Adrian Cho

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