为什么树叶都是扁平的，而不是圆柱形？

 

       每一种植物的叶片都各不相同，有圆形、扇形、鳞形、卵形、菱形，等等。尽管形状各异，但叶片都有一个共同点：它们都是扁平的薄片。这是为什么呢？

 

       ——好奇喵

 

       实际上，陆地植物最初是没有叶片的，只有分枝，光合作用也是通过嫩枝来完成的。因此，那时的陆地植物被统称为裸蕨。
 

 

       随着不断演化，陆地上渐渐出现了树木，叶片也在4亿~3.6亿年前的泥盆纪晚期出现了。

 

       叶片的出现是一个里程碑事件，它改变了地球生态系统，为其他物种的出现铺平了道路。

 

       “顶枝学说”

 

       但对于叶片为何是扁平的这个问题，一直没有确切的答案。

 

       最初的解释来自德国植物学家沃尔夫冈·齐默尔曼（Wolfgang Zimmerman）：1930年，他通过研究植物化石，提出了“顶枝学说”。

 

 

       齐默尔曼认为，植物是通过六个阶段的形态变化长出了扁平的叶片。

 

       第一步是“越顶”，也就是临近的分支变得长短不一；第二步是“扁化”，即顶枝逐渐处在一个平面内；第三步是“蹼化”，临近顶枝间出现薄壁组织，形成叶片。然后便是“退化”、“下弯”、“茎系统发育的并合”。

 

       在过去90年里，“顶枝学说”曾得到很多人的认可，但这个学说仅来自化石研究，一直没有实验支持。而且，随着研究增多，科学家发现这个学说与植物的实际生长过程也不符合，因此他们一直寻找新的更可靠的解释。

 

       “应力反馈学说”

 

       中国科学院遗传与发育生物学研究所的科学家焦雨铃就是追寻答案的科学家之一，她和同事通过番茄等植物的叶片，在2020年11月提出了一个新理论：应力反馈学说。

 

（A. 扁平叶片进化的主要步骤。B. 叶原基由初始形变产生初步扁平化形态，再由应力反馈维持扁平化生长形成叶片。）

 

       焦雨铃在研究中发现，叶片在生长过程中，边缘的细胞会合成一些特殊的调控因子，促使叶片打破破辐射对称（植物的茎秆和根系大多是辐射对称）的生长趋势，产生初始的扁平化。

 

       接下来，叶片细胞中的一种叫做“微管”的结构，会引导纤维素朝着特定方向沉积，使植物细胞的细胞壁出现力学上的差异，促进叶片朝着扁平化的方向生长（这就是“应力反馈”）。

 

       但是，如果辐射对称没能打破，那么叶片就会长成圆柱形的器官。

 

       这项研究不仅为植物学上的一个重要谜团提供了新的解释，让我们对植物有了更多了解，而且可能还会在农业生产中得到应用：利用“应力反馈”机制，科学家或许能够调控植物叶片的大小或宽度，让植物适应不同的生存环境。