秋叶并没有失落

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作者:大卫.卡奇普勒 (David Catchpoole)

翻译: 芬华

原文见:http://creation.com/autumn-leaves-fall-by-design

在秋季,落叶树[1]并非失去叶子——而是摆脱叶子。 这是一个高度有序、精心控制的过程,是为树干和树冠在休眠中越冬做准备。

预制的离层区                                          

叶子[2]与树的分离通常位于叶柄的底部,这就是所谓的离层区(Abscission Zone) 离层区的断裂点并非随机的,而是在树叶形成过程中预先设置的[3]。 正如佐治亚大学(美国)的一份出版物所说的那样:“叶子一设计就是可拆卸的。” 3

提取叶子中有价值的资源

在寒冷的天气来临之前,夏末空气中感到一丝凉意后,树木就启动了“衰老的程序” 2, 系统地从树叶中提取可以再利用的资源。随着这一过程的进展,叶绿素和其它感光(光化合的)元件[4]被分解,树叶开始变颜色。

首先,从前隐藏着的类胡萝卜素(如黄色的叶黄素和橙色达β-胡萝卜素)现在显露出来。在一直占主导地位的叶绿素消失以后,树叶变成了橙黄色。

然后,当大约一半的叶绿素已经消退,而且叶子中的磷酸盐水平下降时,花青素一类色素的含量增加。 花青素使秋叶染上红紫色并与类胡萝卜素混合创造出惊艳浓重的橙色、火热的红色等色彩,吸引游客长途跋涉来观光和拍照。

储存越冬用品

树木在叶子脱落之前从中提取宝贵的营养,在冬天把养分存储在树根、树干、和树枝中,直等来年春天再利用,以重生树叶。 这些工作必须在秋天温和的天气里完成,因为在严寒到达之后就再也无法从树叶中摄取养分了。 即使是一次霜冻或一夜间气温降到冰点以下,都可以迅速损坏叶片和叶柄的活组织。 一旦叶细胞被冻死,其中的资源就无法提取了[5]  。但如果在秋季叶片脱落之前从树叶中摄取了可调动的宝贵材料,树木和其中的材料就为安全过冬准备好了。

离层区的启动

完成了从树叶中提取资源的过程之后,离层区在三个位置上活跃起来:

  • 细胞壁降解区
  • 剪切力形成区
  • 树枝保护区

所有这些都必须到位,树叶才得以成功地脱落,并确保树木的成活。

弱化细胞壁

随着一系列化学信号(据信包括叶子内部消化产生的乙烯)触发脱落过程,离层区细胞开始分泌各种酶[6] 。  这些酶能分解将细胞粘合在一起“胶”[7] ,并弱化细胞间相隔的原生细胞壁。 外围的离层细胞主动地产生整个脱落过程所必需的材料,也就是说,它们保持活跃,直到脱落。

断裂线形成

虽然离层区的宽度自5 – 40细胞不等,但在该区域中只有一个宽度约1-3细胞的条带会相互分离,形成断裂线。这些细胞的细胞壁弱化,加上细胞内水压的增加,导致细胞膨胀。 这种扩张产生巨大的剪切力,推拉周围已经弱化的细胞壁,机械地在细胞壁之间打开断裂线。 秋风的拖曳使断裂线扩展,重力、降雨、和动物干扰也有所帮助。

断裂线愈合

随着细胞壁破裂和断裂线撕开,树枝一侧的离层细胞分泌甲基纤维素、软木脂、和木质素等沉积物包住伤口。 这个强有力的保护带封住了叶痕,保护树木免受冷冻和病虫害。 封口的过程完成之后,树叶才可以安全的脱掉。

层层秋叶背后的层层基因控制

虽然脱离过程还有大量细节有待进一步研究,我们已经可以看到树叶落下并非简单的事件,而是经过精心协调的一系列复杂的化学过程——这是由植物的基因控制的 。 研究人员以常用的实验室植物拟南芥(水芹)[8]为模型,已经绘制出了脱离过程背后的遗传途径,或称“信号级联”“图。他们已经发现了一个关键性的基因网络,这些基因依次编码一系列蛋白质。 信号级联中的累积过程的每一步都依赖于它的前一级。

这对进化模式是一个挑战——只要在信号级联中缺少了一个步骤,脱落的过程就不会发生。 (此外,进化何以产生一些基因,来编码一些消化自己的酶?)

逐步进化的故事不会形成全有或全无的基因级联[9],但在 “圣经” 中,植物是由一位超智能的创造者——上帝所设计的。 祂设计的植物与祂创造的季节相协调(创世记1:14,8:22,申命记11:14)。 秋天,其色彩缤纷的层层落叶绝非偶然出现的!

参考与注释

[1]. 落叶树即秋天落叶、冬天休眠的乔木和灌木,与常绿植物有别。  

[2] . 本文中讨论的过程不限于秋天的落叶,类似的过程也见于花瓣、花体、熟果、及病死枝的脱落。

[3].  Coder, K., Falling tree leaves: leaf abscission, University of Georgia Daniel B. Warnell School of Forestry Resources Extension publication FOR99–025, December 1999.

[4] . 有关奇妙的光合作用,见 Sarfati, J., Green power (photosynthesis) God’s solar power plants amaze chemists, Journal of Creation 19(1):14–15, 2005.

[5] .  许多果农都知道,倒春寒严重损害嫩枝和花蕾,不仅毁掉一年的收成,甚至有时冻死小树。

[6] .  例如果胶酶和纤维素酶。

[7] .  即细胞中层,细胞壁中的钙化桥也被拆除。

[8] .  Cho, S., Larue, C., Chevalier, D., Wang, H., Jinn, T.-L., Zhang, S., and Walker, J., Regulation of floral organ abscission in Arabidopsis thaliana, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 105(40):15629–15634, 7 October 2008.

[9].  例如,人和动物中的凝血过程含有超过100个因子或步骤。见: “Irreducibly complex: The clotting cascade”, Creation 33(3):15, 2011.

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