樹木為何在秋天落葉變色

11月，我國北方逐漸進(jìn)入深秋及初冬時(shí)節(jié)。此時(shí)，不少喬灌木落葉植物的葉片也陸續(xù)變色，那些或紅或橙或黃的樹葉飄飄灑灑落到地面，交織成一幅美麗的圖畫。據(jù)保守估計(jì)，全球范圍內(nèi)有超過600種植物參與到這場秋季的變裝盛會(huì)。其中，最具代表性的有楓樹、槭樹、楸樹、烏桕樹、銀杏樹和黃櫨等。

彎腰撿起一片落葉，放在掌心湊近細(xì)聞，一股清香撲鼻而來。人們不禁產(chǎn)生這樣的疑問：這些樹木為什么會(huì)選擇在秋天落葉？樹葉為何要在秋天變色？

“壯士斷腕”為平衡

落葉是樹木對(duì)氣候環(huán)境變化的生理響應(yīng)。

在適宜的氣候條件下，樹木主要通過樹葉進(jìn)行的光合作用獲取營養(yǎng)，它們利用陽光將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為自身生長所需的有機(jī)物，同時(shí)釋放氧氣。隨著秋天的來臨，外界氣溫降低，降水減少，日照時(shí)間縮短，樹木的光合作用和蒸騰受到很大影響，根系難以從土壤中獲得足夠的水分，而葉片上密布的氣孔會(huì)隨著蒸騰呼吸作用消耗掉大量的水分。為了適應(yīng)自然環(huán)境的這種變化，樹木不得不舍棄樹葉進(jìn)行調(diào)整。所以，當(dāng)樹木感應(yīng)到一定的低溫后，便會(huì)開始落葉。

“調(diào)色盤”類胡蘿卜素

不過，在舍棄樹葉之前，樹木會(huì)首先回收其中的營養(yǎng)物質(zhì)，尤其是葉綠素，因?yàn)槿~綠素中含有豐富的氮，對(duì)樹木的生理生長意義重大。這場緩慢的回收之旅會(huì)將樹葉中的葉綠素降解殆盡，同時(shí)，葉子中的蛋白質(zhì)也會(huì)被回收近三分之二。隨著葉綠素的降解，葉子中的類胡蘿卜素開始扮演“調(diào)色盤”的角色，使葉片呈現(xiàn)從橙色到金黃色的變化。

類胡蘿卜素是一種輔助光合色素，在葉綠素被降解回收階段，類胡蘿卜素充當(dāng)著樹葉守護(hù)者的角色—它能夠防止尚未脫落的黃色樹葉因無法進(jìn)行光合作用而被陽光灼傷。事實(shí)上，在秋高氣爽的環(huán)境里，光照強(qiáng)度并不會(huì)因?yàn)闅鉁亟档投鴾p弱。

“防蟲大師”花青素

此外，有些樹葉在秋天呈現(xiàn)出漂亮的淡紅色，這是因?yàn)闃淙~中含有花青素。有趣的是，花青素原本并不存在于樹葉中，而是樹木在落葉過程中產(chǎn)生的。花青素還有一個(gè)作用—吸引昆蟲到訪。

那么，在余日無多的葉子中，花青素到底扮演了什么樣的角色呢？

有一種解釋是，植物產(chǎn)生花青素用以應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫，花青素這種水溶性色素不僅能過濾紫外光，防止光損傷，還可以溶解在細(xì)胞中，以增強(qiáng)細(xì)胞的滲透壓，使植物能夠應(yīng)對(duì)秋季的干旱環(huán)境。不過，這個(gè)理由還不夠充分，因?yàn)樯a(chǎn)色素并不是應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫最經(jīng)濟(jì)的途徑。另一種解釋是，產(chǎn)生花青素是植物利用色彩防蟲的生存策略，是與動(dòng)物協(xié)同進(jìn)化的結(jié)果。在秋季，大量的蚜蟲遷移到樹上越冬；當(dāng)來年春天綠葉萌生時(shí)，這些蚜蟲會(huì)對(duì)植物新生的嫩芽造成毀滅性打擊。不過，大多數(shù)害蟲并不能分辨出紅色的葉子，在它們眼中，紅色有如黯淡的黑色，變紅的樹葉會(huì)讓害蟲誤以為這株植物沒有太大的利用價(jià)值，從而受到蒙蔽，這會(huì)在一定程度上避免植物自身受到害蟲的侵害。

其實(shí)，某些植物的樹葉不僅在秋季變色，在春天剛萌發(fā)時(shí)，新生的嫩芽也呈紅色，如紅楓、紫薇和金縷梅科的紅檵木。加拿大的大部分地區(qū)以及美國北部生長著一種高大的喬木—北美紅楓，在春天，北美紅楓的葉子是紅色的，內(nèi)含豐富的花青素。隨著氣溫的回升，北美紅楓葉片中的光合作用增強(qiáng)，其葉片的顏色會(huì)逐漸由紅變綠。紫薇的葉子在春天是紅色的，而在深秋會(huì)變?yōu)辄S色。春日，紫薇長在常綠樹群之中，為春天增添了不同的色彩。紅檵木那紅到發(fā)紫的花朵，可以紅透整個(gè)春天。這種灌木終年不落葉，一整年都是紫紅色；但在春天，它們的紅葉的顏色會(huì)更加鮮亮。通過這類方式，植物的嫩芽避免了被蟲子咬食的可能，為自身的順利生長創(chuàng)造了條件。此外，一些綠色的害蟲由于秋葉變色，失去了原本的保護(hù)色，更易暴露，從而被鳥類捕捉。自然界中的害蟲減少了，樹木自然獲益更多。

正是由于秋葉中的花青素與類胡蘿卜素兩類色素相互搭配，使得樹葉在秋天呈現(xiàn)出絢麗多彩的變化，有黃，有紅，有褐，有紫……讓溫帶落葉林顯現(xiàn)出萬紫千紅的景象。秋葉是果實(shí)的旗幟，也是成熟的標(biāo)志。從遠(yuǎn)處望去，山林紅黃交替，層林盡染，煞是好看。

（作者單位：王堃，北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；彭霄鵬，中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/海南熱帶野生動(dòng)植物園；張益嘉，北京大學(xué)附屬小學(xué)）

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