熱帶雨林樹木如何散熱?──葉片在地適應的秘密

更新 發佈閱讀 7 分鐘

當我們走進熱帶雨林時,常常會覺得悶熱潮濕。但是我們可以選擇短暫停留,回到有空調的室內去喘口氣,「站」在那裡的樹木們,卻只能默默承受。


當太陽直射在葉片上的時候,如果你用手指輕輕撫過葉片,你會發現葉片有點熱。在白天,葉片因為吸收了強烈的太陽輻射,溫度往往比週圍的空氣高出好幾度,一不小心就會超過光合作用系統所能忍受的極限。那麼,植物要如何調適呢?


最近有一個發表於Global Change Biology的研究,嘗試著回答一個問題:

樹木的葉片,能不能靠著調整自己葉片的特徵來「散熱」?


大部分的哺乳動物有維持體溫恆定的能力,但是植物無法讓自己整株維持恆溫。不過,某些植物能透過葉片特徵的改變,讓葉溫不要隨外界升溫而過度飆高,這種能力叫做有限恆溫性(limited homeothermy)

換句話說,就是葉片自帶「空調」,能夠在炎熱的環境中盡量保持涼爽。


為了瞭解植物如何進行這樣的調適,研究團隊在澳洲昆士蘭濕熱帶的雨林,選了三種常見喬木:


果實靠鳥類散播的胡頹子(Elaeocarpus grandis),在許多地區都可見的樹木。

原產於昆士蘭北部的達令樹(Darlingia darlingiana),屬於地方特有種,其種子靠風力散播。

同樣也是澳大利亞昆士蘭州東北部雨林特有種的北方絲櫟(Cardwellia sublimis),種子也是靠風力散播。


他們從低地到高山(0–1300 m)不同溫度帶採樣這些樹木的葉片,測量了葉片厚度、寬度、反射率、氣孔特徵,還測了光合作用耐熱度(T50),並用能量平衡模型估算葉片相對於空氣的溫差(ΔT)。最後還配合基因體數據,看是否能找到在地適應的證據。


結果發現,樹木確實會因環境溫度不同而出現系統性的「散熱調整」。在較熱的環境中,胡頹子和達令樹的葉子會變得更窄、更薄。


這會帶來什麼好處呢?窄葉能減少邊界層(boundary layer)厚度,加速散熱;薄葉則更容易透過蒸散帶走熱量。


所謂的「邊界層」,指得是葉片表面附近的一層靜止空氣,因為氣體分子黏性與摩擦效應,氣流在葉面上不會完全「貼合」流動,而是形成一層相對穩定的薄膜。這使得從氣孔蒸散出去的水蒸氣分子,也不會馬上離開葉片,而是會先停留在「邊界層」,再慢慢的離開。這就好像我們從車站走出來,也不會馬上離開車站,而是會等親友來接或是走到計程車招呼站去叫車。


過去的研究發現,大的葉子的「邊界層」較厚,相對也比較不容易進行水分的蒸散;所以讓葉片變窄,的確可以促進蒸散作用的發生。


另外,研究團隊也發現,在較熱的環境中, 達令樹的葉片對光的吸收率下降,避免吸收太多熱。


但是,在北方絲櫟,研究團隊反而觀察到葉片的反射率下降,顯示它缺乏有效的「遮陽設計」。


另一個有趣的發現是,研究團隊觀察到有些樹木會進行氣孔的微調!如在熱區的胡頹子,其氣孔密度上升且單一氣孔變小,如此一來,它可以維持總氣孔導度,有利於蒸散散熱。雖然這樣的策略會失去寶貴的水分,但換到的是「用水降溫」;就像我們在熱天的時候會狂流汗一樣。


另一個有趣的現象是,胡頹子和達令樹的光合作用耐熱溫度(T50)會隨環境溫度升高而提高。研究團隊發現,每升高 1°C 的環境溫度,這兩種樹木的T50 也大約提高 0.48°C。


另外,研究團隊還測量了葉片與空氣的溫差(ΔTtrait)。本文一開始就提到,葉片因為吸收了太陽輻射,導致在陽光下的葉片表面溫度其實比周圍的空氣要熱一點。這個溫度的差距,就是所謂的「ΔTtrait」。


研究團隊想知道,當樹木自己做出上面提到的各種改變以後,是不是真的可以讓自己不要那麼熱呢?因此他們透過能量平衡模型計算、並用「假設基準葉片」作為比較點來得到「ΔTtrait」的變化。


他們輸入「葉片的形態特徵(厚度、寬度、反射率、氣孔參數等)」到葉片能量平衡模型,計算在相同輻射、風速、濕度條件下,葉片相對於空氣的溫度差,並與他們設定的「標準參考葉片」比較差異。


結果發現,達令樹每升高 1°C,ΔTtrait 下降0.26°C;

胡頹子每升高 1°C,ΔTtrait 下降0.19°C。

至於北方絲櫟則沒有顯著變化。這些結果意味著,因為不同的樹種的調適策略不同,也影響到他們的「散熱」效果。


當葉片溫度升高時,對於葉片內的酵素活性當然會產生影響;通常科學家們會用「安全邊際(Thermal Safety Margin, TSM)」來描述生物系統所能忍受的溫度極限。在這個研究裡,他們使用了T50 (光合作用效率下降一半的溫度)與葉片溫度(Tleaf)的差值來代表TSM。


研究團隊發現,在胡頹子和達令樹中,雖然葉溫隨環境升高,但因為葉片能進行調整 以及 T50 提升,TSM 下滑比較慢。

相對的,北方絲櫟的 TSM 下滑更快,顯示風險較大。


基因體分析顯示,三種樹都出現與溫度、濕度、土壤有關的基因變異。

在胡頹子的溫室實驗中,來自較熱地區的個體,即使在相同條件下,也展現較低的 ΔTtrait,證明有「遺傳性的在地適應」。


總而言之,胡頹子和達令樹能透過「葉片空調」+「耐熱升級」雙重機制,在一定程度上對抗暖化。

反觀北方絲櫟,因為缺乏有效調節機制,在面臨氣候變遷時可能更容易滅絕。


參考文獻:

Middleby, K. B., Jordan, R., Cheesman, A. W., Rossetto, M., Breed, M. F., Crayn, D. M., & Cernusak, L. A. (2025). Local adaptation drives leaf thermoregulation in tropical rainforest trees. Global Change Biology, 31(9), e70461. https://doi.org/10.1111/gcb.70461


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