树木为何在秋天落叶变色

百科   2024-11-02 08:20   北京  

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11月,我国北方逐渐进入深秋及初冬时节。此时,不少乔灌木落叶植物的叶片也陆续变色,那些或红或橙或黄的树叶飘飘洒洒落到地面,交织成一幅美丽的图画。据保守估计,全球范围内有超过600种植物参与到这场秋季的变装盛会。其中,最具代表性的有枫树、槭树、楸树、乌桕树、银杏树和黄栌等。


弯腰捡起一片落叶,放在掌心凑近细闻,一股清香扑鼻而来。人们不禁产生这样的疑问:这些树木为什么会选择在秋天落叶?树叶为何要在秋天变色?


“壮士断腕”为平衡

显微镜下叶子上的气孔

落叶是树木对气候环境变化的生理响应。在适宜的气候条件下,树木主要通过树叶进行的光合作用获取营养,它们利用阳光将二氧化碳和水转化为自身生长所需的有机物,同时释放氧气。随着秋天的来临,外界气温降低,降水减少,日照时间缩短,树木的光合作用和蒸腾受到很大影响,根系难以从土壤中获得足够的水分,而叶片上密布的气孔会随着蒸腾呼吸作用消耗掉大量的水分。为了适应自然环境的这种变化,树木不得不舍弃树叶进行调整。所以,当树木感应到一定的低温后,便会开始落叶。

“调色盘”类胡萝卜素

不过,在舍弃树叶之前,树木会首先回收其中的营养物质,尤其是叶绿素,因为叶绿素中含有丰富的氮,对树木的生理生长意义重大。这场缓慢的回收之旅会将树叶中的叶绿素降解殆尽,同时,叶子中的蛋白质也会被回收近三分之二。随着叶绿素的降解,叶子中的类胡萝卜素开始扮演“调色盘”的角色,使叶片呈现从橙色到金黄色的变化。

花青素和类胡萝卜素使秋日的树叶颜色多样,红黄交替

类胡萝卜素是一种辅助光合色素,在叶绿素被降解回收阶段,类胡萝卜素充当着树叶守护者的角色——它能够防止尚未脱落的黄色树叶因无法进行光合作用而被阳光灼伤。事实上,在秋高气爽的环境里,光照强度并不会因为气温降低而减弱。


“防虫大师”花青素

此外,有些树叶在秋天呈现出漂亮的淡红色,这是因为树叶中含有花青素。有趣的是,花青素原本并不存在于树叶中,而是树木在落叶过程中产生的。花青素还有一个作用——吸引昆虫到访。


那么,在余日无多的叶子中,花青素到底扮演了什么样的角色呢?有一种解释是,植物产生花青素用以应对环境胁迫,花青素这种水溶性色素不仅能过滤紫外光,防止光损伤,还可以溶解在细胞中,以增强细胞的渗透压,使植物能够应对秋季的干旱环境。不过,这个理由还不够充分,因为生产色素并不是应对环境胁迫最经济的途径。

另一种解释是,产生花青素是植物利用色彩防虫的生存策略,是与动物协同进化的结果。在秋季,大量的蚜虫迁移到树上越冬;当来年春天绿叶萌生时,这些蚜虫会对植物新生的嫩芽造成毁灭性打击。不过,大多数害虫并不能分辨出红色的叶子,在它们眼中,红色有如黯淡的黑色,变红的树叶会让害虫误以为这株植物没有太大的利用价值,从而受到蒙蔽,这会在一定程度上避免植物自身受到害虫的侵害。


其实,某些植物的树叶不仅在秋季变色,在春天刚萌发时,新生的嫩芽也呈红色,如红枫、紫薇和金缕梅科的红檵木。加拿大的大部分地区以及美国北部生长着一种高大的乔木——北美红枫,在春天,北美红枫的叶子是红色的,内含丰富的花青素。


随着气温的回升,北美红枫叶片中的光合作用增强,其叶片的颜色会逐渐由红变绿。紫薇的叶子在春天是红色的,而在深秋会变为黄色。春日,紫薇长在常绿树群之中,为春天增添了不同的色彩。红檵木那红到发紫的花朵,可以红透整个春天。


这种灌木终年不落叶,一整年都是紫红色;但在春天,它们的红叶的颜色会更加鲜亮。通过这类方式,植物的嫩芽避免了被虫子咬食的可能,为自身的顺利生长创造了条件。此外,一些绿色的害虫由于秋叶变色,失去了原本的保护色,更易暴露,从而被鸟类捕捉。自然界中的害虫减少了,树木自然获益更多。


正是由于秋叶中的花青素与类胡萝卜素两类色素相互搭配,使得树叶在秋天呈现出绚丽多彩的变化,有黄,有红,有褐,有紫……让温带落叶林显现出万紫千红的景象。秋叶是果实的旗帜,也是成熟的标志。从远处望去,山林红黄交替,层林尽染,煞是好看。

(作者单位:王堃,北京林业大学材料科学与技术学院;彭霄鹏,中国林业科学研究院林业研究所/海南热带野生动植物园;张益嘉,北京大学附属小学)



本文节选自《百科知识》2024.11A

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