葉子的形狀為什麼各不相同? 世界上不存在兩片相同的葉子！如果你有興趣，先去收集一把葉子。你會發現，葉子的形態可謂千姿百態，有些葉子甚至已經變成了花瓣、荊棘或刺。即使是最普通的橡樹葉、蒲公英葉以及一些草葉，它們的大小、厚度、形狀、顏色、質地、氣味等特徵也是千變萬化、各不相同的。那麼，葉子為什麼有如此多的形態呢? 答案是自然選擇。為適應缺水環境，葉子進化出了一些奇特的形態。例如，沙漠植物的葉子或小而皮厚，或表面有一層蠟質，或呈刺狀，生長在鹽鹼地區等其他惡劣環境下的植物的葉子也一樣。而生長在水分充足的雨林中的植物的葉子通常呈狹長形，葉子頂端還有個“滴水頭”，多餘的水分就從這裏流走。在寒冷的地方，樹葉往往呈犬齒狀，如樺樹和櫻桃樹。
如今多虧了一項新的數學模式，從葉脈角度出發探討這個問題。
由於在地球上植物吸入最多的温室氣體——二氧化碳，因此瞭解樹葉葉脈是解決全球二氧化碳預算難題的重要部分。“每年全世界的樹葉帶走大氣層中不計其數的二氧化碳。”亞利桑那大學博士生本·布蘭德説道。相比海洋，樹葉吸收的二氧化碳更多，還是人類向大氣呼出的二氧化碳的10倍。“想了解二氧化碳的變化，必須先了解樹葉是怎麼運作的。”但並非所有的樹葉都以同種方式運作。
樹葉生長需要的二氧化碳含量多少，樹葉的壽命長短以及綜合陽光的速度快慢——或者是光合作用率的高低。這些因素以不同方式，在不同的植物和環境中共同作用，從而創造了樹葉形狀及結構的多樣性。“最讓人驚訝的是以多種方式息息相關，但不會在全球範圍內發生變化。”布蘭德説道。
為了預測樹葉如何平衡這三個因素，從使而樹葉最佳運作，布蘭德發明了一種數學模型，利用從葉脈網狀結構中可以肉眼看到的三個方面：密度，葉脈間距，小型葉脈分佈區域數量。這些分佈區域類似人體的毛細血管，在這裏稱之為循環。葉脈密度標誌着樹葉在這個網狀結構中投入了多少。葉脈間距是測量葉脈如何有效地為樹葉提供水分和營養的一種方式。循環個數與樹葉的強韌度和壽命有關，因為在樹葉受損的情況下，循環為重新輸入養分提供了路徑。
例如，如果植物打開氣孔吸收更多的二氧化碳用於光合作用，就會蒸發水分，這就要求樹葉有許多管道直接插入水中。反過來，這就意味着需要許多大型葉脈。如果植物需要不停地吸收水分，這有利於特定葉脈的幾何分佈，最終塑造樹葉形狀。因此葉脈——樹葉的骨架決定了樹葉是典型的楓葉形狀還是尖刀似的柳葉形狀。
“葉脈無所不能。”布蘭德説。葉脈構成植物結構，為植物抵禦破壞，甚至傳送化學信號，與動物神經類似。“樹葉運作模式有失也有得。”布蘭德補充道，“我們能做的只有合成所有東西，這樣，在大的圖片上其顯示才會更加清晰。”布蘭德在2500多種植物上測試了模型，該模型用於預測光合作用率、樹葉壽命、二氧化碳甚至氮氣消耗之間的關係。測試成功了。之後，布蘭德與大學生助手林奇·帕克，傑姬·貝辛森以及大衞·卡哈勒測試了來自亞利桑那大學的25片樹葉。他們的最初結果表明，這項模型在當地範圍內可行。他們擴大研究範圍，正研究科羅拉多若基山生物實驗室中的樹葉。布蘭德及其學生在《生態學通訊》期刊上刊登了有關葉脈的研究。
最終，對樹葉的研究將會被納入氣候模型研究中。這不僅可以平衡二氧化碳預算，還可以預測蒸發率以及其它嚴重依賴植物，與天氣、氣候相關的事物。“瞭解植物與全球二氧化碳循環之間的關係，意義深遠。”布蘭德説道。