仙人掌的“刺”是叶子吗？植物器官演化知识科普

是的，仙人掌上那些尖锐的刺，本质上是叶子经过长期演化而来的特化结构。它们被称为变态叶。

要理解这一点，我们需要了解一些植物器官演化的知识：

叶子的基本功能与限制：

• 叶子是植物进行光合作用（制造养分）和蒸腾作用（水分蒸发）的主要器官。
• 蒸腾作用虽然有助于水分和养分的运输，但在干旱环境中，过度的蒸腾会导致植物迅速失水死亡。

仙人掌面临的挑战：

• 仙人掌的祖先原本生长在水分相对充足的环境中，拥有典型的扁平绿叶。
• 在漫长的演化过程中，一部分仙人掌的祖先迁移到了极度干旱的荒漠环境。
• 在这种环境下，保持水分成为生存的第一要务。宽大的叶片会通过蒸腾作用损失大量珍贵的水分，变得非常不利。

演化的解决方案：叶子功能的转变与形态的改变：

• 功能转变： 为了适应干旱，仙人掌的叶子逐渐放弃了光合作用和大幅减弱了蒸腾作用这两个主要功能。
• 形态简化： 叶子不再需要宽阔的面积来进行光合作用和气体交换，因此开始退化、缩小、变硬。
• 特化成刺：
  • 退化的叶子最终演变成了尖锐的刺。
  • 主要功能：
    • 防御： 这是刺最显著的功能。尖锐的刺能有效抵御动物（如草食动物）的啃食，保护植物体（尤其是储存水分的茎干）不被破坏。
    • 减少蒸腾： 刺的表面积极小，且表面通常覆盖有蜡质或角质层，极大减少了水分的蒸发损失。
    • 收集水分（辅助）： 在某些仙人掌上，刺的排列或结构有助于在夜间凝结雾气或露水，并将水滴引导至根部附近的地面。
    • 遮荫（辅助）： 密集的刺能形成一个小范围的阴影，略微降低茎干表面的温度，减少水分蒸发。

关键证据：

• 位置： 仙人掌的刺生长在被称为“刺座”的特殊结构上。刺座是高度特化的短枝（芽）。在植物学上，叶子（无论是正常叶还是变态叶）通常是生长在枝条的节（芽）上的。
• 同源器官： 在仙人掌科中，存在一些原始或过渡类型的仙人掌（如麒麟掌属、叶仙人掌属），它们同时拥有扁平状的叶片和刺。这清晰地展示了叶子向刺演化的中间状态。
• 发育起源： 在刺的发育早期，可以观察到它们是从类似叶原基（叶子发育的起点）的结构生长出来的。

谁承担了光合作用？

• 既然叶子退化成刺，失去了光合作用的能力，那么仙人掌靠什么制造养分呢？
• 答案是：茎。仙人掌肥厚多汁的绿色茎干承担了光合作用的重任。茎干表皮含有叶绿素，可以进行光合作用。同时，肥大的茎干也是储存水分和养分的器官。

总结与植物器官演化启示：

仙人掌的刺是一个经典的器官演化（特化或变态） 案例。它生动地说明了：

• 自然选择的力量： 在严酷的干旱环境压力下，拥有更小、更少蒸腾叶片的个体具有生存优势，这种适应性特征被一代代选择并强化。
• 功能决定形态： 器官的形态会随着其功能的改变而发生巨大变化。叶子从“光合+蒸腾”转变为“防御+保水”，其形态就从宽阔扁平变成了细小尖锐。
• 结构适应环境： 植物通过改变器官的结构来最大限度地适应特定的生态环境。
• 器官的可塑性： 植物的器官（根、茎、叶）具有高度的演化可塑性，能够发展出多种多样的变态形式来适应不同的需求（如储存、攀援、防御、繁殖等）。除了仙人掌的刺（叶的变态），其他例子还有：
  • 茎的变态：土豆的块茎（储存）、洋葱的鳞茎（储存）、草莓的匍匐茎（繁殖）、葡萄的卷须（攀援）。
  • 根的变态：萝卜的贮藏根（储存）、红薯的块根（储存）、红树林的呼吸根（通气）、菟丝子的寄生根（寄生）。

因此，仙人掌的刺虽然看起来和普通的叶子天差地别，但从起源、发育位置和演化历程来看，它们确实是叶子高度特化（变态）的产物，是植物在干旱环境中生存智慧的结晶。