为什么秋天树叶要变色然后脱落

秋天枫叶为什么会变红？

　为什么有些树木的叶子会在秋天变红，这是一个比为什么绿叶会转黄难解得多的奥秘。绿叶转黄只不过是揭下了绿色的面纱，因为在漫长、翠绿的夏天里，黄色素一直躲藏在树叶中；而当炎夏告别，绿色素分解时，黄色便一展风采。 可是，红色素却并非整个夏天都在树叶里游荡。通常只是在快要落下枝头的前几星期，树叶才强打起临终前最后的精神，拼死制造红色素，从而展现出一片姹紫嫣红。 　　有人说，树叶在秋天变红简直就是死神降临前最后的“梳妆”。 科学家发现，秋叶中的世界有如冰海沉船上的大动乱——新陈代谢的通道（逃生之路）被堵死，各类化合物（乘客）开始分解（崩溃）。大限将至的细胞们抓紧时间抢救有价值的东西（尤其是氮），...全部

  　为什么有些树木的叶子会在秋天变红，这是一个比为什么绿叶会转黄难解得多的奥秘。绿叶转黄只不过是揭下了绿色的面纱，因为在漫长、翠绿的夏天里，黄色素一直躲藏在树叶中；而当炎夏告别，绿色素分解时，黄色便一展风采。
  可是，红色素却并非整个夏天都在树叶里游荡。通常只是在快要落下枝头的前几星期，树叶才强打起临终前最后的精神，拼死制造红色素，从而展现出一片姹紫嫣红。 　　有人说，树叶在秋天变红简直就是死神降临前最后的“梳妆”。
  科学家发现，秋叶中的世界有如冰海沉船上的大动乱——新陈代谢的通道（逃生之路）被堵死，各类化合物（乘客）开始分解（崩溃）。大限将至的细胞们抓紧时间抢救有价值的东西（尤其是氮），把它们转移至安全处。
  那么，在这生死攸关的紧要关头，树叶怎么还会有闲心披上红装打扮自己？树叶制造红色的机器是被偶然开动的，还是红色素有助于保存某种有价值的东西？为什么“树叶泰坦尼克”的乘员们会不顾逃命，反而停下来修补自己那已无实际价值的“特等舱”呢？ 植物的降压灵 　　植物不计代价地制造红色素，其中一定有某种原因。
  但究竟是什么原因呢？人们自亚里士多德时代就开始了思考。但是直到2002年9月，才有人提出了一种令人信服的解释：红色素是大自然的“降压灵”，它们能让脆弱、精细的细胞结构免遭破坏，而这种破坏严重威胁着那些面临巨大压力的植物。
  缺乏水分、光照过强、缺少养分、遭遇食草动物和病菌袭击等，都会让植物产生危险的自由基。自由基会攻击细胞膜，破坏DNA，而红色素能清除自由基，对维持树叶的生存非常重要。 　　其实，此前对于“为什么某些植物会具有红叶”这一问题已有多种解释。
  比如，红色素能让树叶在寒冷环境中保持暖和。又如，红色素能帮助植物抵御旱情，以及吓退或吸引昆虫。最具有说服力的一种解释，是红色素能阻挡危险的紫外线。不过，这一解释存在严重漏洞：能阻挡紫外线的花青素，一般只存在于叶肉内进行光合作用的组织中，这会让叶片最上层的细胞暴露在危险之中。
  不仅如此，其他色素更容易制造，也能更有效地阻挡紫外线，那么树叶还有什么理由偏要去制造昂贵的红色素呢？事实上，以上每一种解释都只适用于一种或者一些红叶，但不能解释全部。 　　树叶中几乎所有的红色素，都是花青素的产物。
  花青素是一小组黄酮醇分子，它们产生于细胞质中，并被运往细胞的空胞液泡。花青素开始是无色的，但在加入糖分子和其他一些化学成分后，就产生了红色、栗色、紫色和蓝色。这一过程十分复杂，非常消耗能量，所以除非有重要作用，否则植物是不可能如此劳神费力地来制造色素的。
  花瓣用明亮的色彩吸引路过的传花粉者；果实用诱人的色彩向动物展示自己的成熟，目的是让动物为自己传播种子。但是，植物早在开花、结果之前很久，就已在制造红色素了。 　　草本植物虽无抢眼的花朵，针叶松尽管根本就不开花，却也一样能制造花青素，甚至连一些更古老的蕨类植物和苔藓也能制造花青素。
  由此可以推测，花青素具有某种重要的生理功能。新西兰奥克兰大学的植物生理学家古尔德多年来一直在从事有关树叶变红的研究。一天夜晚在啜饮红葡萄酒时，他突然想起了某些研究者的说法——“每天一两杯红酒，保你活到九十九”。
  红酒中最明显的保健成分就是黄酮醇，也就是包括花青素在内的一组色素。 　　黄酮醇是高效抗氧化剂，它们能清除自由基和活泼氧。如果放任不管，自由基和活泼氧都会破坏细胞膜和DNA。皱纹、风湿和癌症发生的原因，都被认为同自由基和活泼氧有关。
  而从植物色素中提取的物质，被认为能抵御疾病和衰老。医生和专家建议公众多吃水果和蔬菜，尤其是红色果蔬，其理由就是它们不仅富含维生素，而且它们本身就是优质的抗氧化剂，因为它们富含花青素。在清除自由基的能力方面，红色素是维生素E或维生素C的四倍。
   　　正因为自由基对植物和对人类一样有害，所以古尔德怀疑红色素也能像保护人类一样保护植物本身。植物经常面临自由基和活泼氧的威胁，一些自由基和活泼氧对细胞是致命的。植物细胞中有一系列的酶和酚色素能对付自由基和活泼氧，但有时前者不足以抵挡后者的进攻。
  古尔德猜测当植物最急需时花青素或许能提供另一层保护。 　　确实如此，引发自由基产生的因素，同时也引发了花青素的生成。比如，当昆虫叮咬新西兰的霍罗皮托树时，伤口周围就会出现红斑。而当旱情严重时，当地另一种树的绿叶就会变红。
  另外，在树叶生命中的最严峻时刻，如初次茂盛和将要落下时，花青素的含量最高。 盾牌和清道夫 　　虽然有大量证据表明花青素是强力抗氧化剂，却无人查证过它是否对植物也具有相同的功效。在这方面进行研究，古尔德具有得天独厚的条件，因为新西兰的红叶植物种类繁多，树叶变红的概率和程度很不相同。
  有的植物是红、绿叶相间，有时甚至就在同一树枝上；有的是同一片树叶上红、绿斑相间；有的是红叶树紧挨着同种绿叶树生长。这些植物都是研究红色素功能的最佳目标，因为它们的红色和绿色组织在各个方面都完全相同，只有一个例外——花青素水平。
   　　古尔德的学生从树叶颜色不同的同种植物上分别取下红叶和绿叶，并比较它们的抗氧化能力，结果发现红叶提取物比绿叶提取物强13倍。令人吃惊的是它们紧挨着生长，又属同种植物，但树叶颜色竟然不同。
  接下来的问题是：为什么这种植物的叶子不是全都变红了呢？答案看来是：产生红色素的植物叶子所受到的太阳光照要强烈得多，而阴凉处的树叶却保持了绿色。这一推测在实验室中得到了证明，但古尔德希望观察到花青素在活细胞中的作用。
  于是，他选择霍罗皮托树为研究对象，这种树干的叶面上红、绿斑交杂。在一名学生的帮助下，他模拟树叶遭昆虫叮咬的情况，并观察植物的反应。首先，他需要确定昆虫叮咬是否会引发自由基的形成。为此，他的学生从叶皮上取下绿色及红色组织样本，并在样本中注入一种染料。
  当存在自由基时，该染料在紫外光下会闪亮。接着，古尔德用针刺叶片组织，以此模拟昆虫叮咬。效果可谓立竿见影。在显微镜下古尔德看到，不论被刺的是绿色组织还是红色组织，伤口周围都形成了明亮的光圈。而不同的是，红色区域的光圈过了不到5分钟就消失了——所有自由基都被红细胞吞噬了。
  而在绿细胞中，光圈则过了10分钟才消失。 　　但是还有一个问题：当花青素被限制在空胞液泡中时，它们抵御自由基的能力又如何呢？实验表明，在清除自由基方面，刚在细胞质中制造出来的花青素同空胞液泡中的花青素作用一样，这表明花青素能对细胞膜和DNA等提供全面的保护。
  事实上，花青素不仅能清除自由基，而且能限制自由基的产生。具有讽刺意味的是，植物面临的最大威胁之一正是阳光。当光照过强时，植物光合作用组织中的叶绿素分子就会将多余的能量转移到分子氧，并将后者分裂成单个氧、过氧化氢和尤其有害的羟基自由基。
  所有这些物质都会破坏细胞的重要组成部分。有时，甚至连并不算强烈的光线也是有害的。当植物感到压力时，哪怕就平时而言是适量的光照对植物来说都是过量的。对于这种类型的伤害，红色素能通过阻挡绿色光来保护光合作用组织。
  尽管叶绿素能反射掉到达自己的大部分绿光，但绿光却具有极高的能量，因而极易引发自由基的形成。另外，绿光还比其他波长更能穿透树叶，直至到达海绵组织。 　　古尔德的学生发现，洛罗鲁嗦莴苣的红色组织能比绿色组织更好地应对强光。
  这种莴苣起皱的叶边红得发紫，越往中间则越呈绿色，强光在红色组织中引发生成的自由基比在绿色组织中少。每当情况不妙时，红色素不仅能直接清除自由基，而且能间接充当着盾牌。在淘赫俄黑树的叶片上，可清楚地观察到红色素盾牌的有效性。
  同一株淘赫俄黑树上，不仅有绿叶和红叶，而且有红绿相间的单片树叶。在绿光照射下，叶绿素会发出荧光。当用绿光照射绿叶时，叶片通体都发出荧光。而用绿光照射红叶或红色区域时，细胞红色组织下面的花青素不仅能阻挡光线，而且能清除自由基，因而具有双重保护的极佳功效。
   　　红色素的“光线盾牌”和“自由基清道夫”这双重角色，能够解释为什么众多热带植物的新叶会红得发亮。植物顶部的新叶暴露在高温和强光下，而“红色盾牌”则能保护正在生长的叶绿体免遭破坏。到叶片完全展开即长成熟时，就能产生更多的抗氧化酶和其他黄酮醇。
  此时，叶片不再需要高级别的保护，红色也随之消褪。热带雨林最下层的植物叶片背面通常是红色的，这一现象也可用“盾牌与清道夫”理论来解释。在到达树顶的光线中，只有很少部分能到达地面，因此地面植物就习惯了在阴暗处生长。
  不过，偶尔也会有比通常到达地面的光线强度高上千倍的强光束穿透黑暗，击中地面的植物。而早已习惯在黑暗中生长的叶片缺乏蜡样的保护膜或纤毛，也没有足够的抗氧化酶，因而不能像雨林顶端的植物叶片那样自我保护，所以，地面植物就难以获得足够的阳光来进行光合作用，而将花青素集中在叶片的下层组织中，看来是一个折衷：使穿过叶片组织的光线强弱形成一个梯度，既保护了叶片下层对光线很敏感的叶绿体，同时又允许光合作用在靠近叶面的对光不那么敏感的细胞中进行。
   为新生而牺牲 　　“盾牌和清通夫”理论是否也能解释新英格兰秋季植物那令人目眩的红色呢？许多年来，一种被广为接受的观点是：当植物的叶绿体被分解掉（即新陈代谢的通道被堵死），而且植物在甩掉自己的叶片之前已尽可能地拯救了有价值的东西之后，剩下的就是色彩。
  但最新理论认为，这一解释对黄色和橘橙色是适合的，但对红色却不适合。 　　科学家对美国麻省哈佛森林中的89种红叶植物进行了观察，发现其中70%的植物都是在衰老期制造花青素的。也就是说，甚至在自己行将死亡之际，秋叶却在加紧制造着红色素。
  不仅如此，当这些树种面临寒潮等恶劣条件时，其叶片会变得更红。事实上，花青素能极为有效地保护秋叶。以红柳山茱萸为例，这种灌木的叶片越暴露，就越容易在秋天变得发红乃至发紫，而越是呆在暗处则越能保持绿色。
  如果用强光照射30分钟，可发现绿叶所受损害远比红叶大，且恢复元气却比红叶慢。 　　可是，有什么要保护死期将至的叶子呢？最新观点认为，红色素“盾牌”能足够长时间地保护叶绿体免遭过量阳光的破坏，以便让树木从树叶那里获取额外的养分，从而为来年春暖花开时树木的新生做好营养准备。
  每当秋天来临，树叶就开始拆除自己的叶绿体，这使得树叶更易受到光线伤害。在这一拆除、分解过程中释放的叶绿素分子极具危险性，只要有光线击中它们，就会产生大量致命的氧自由基。所以，假如叶片细胞在“垂暮之年”受到损害，植物自我拯救行动成功的概率也将大大减少。
  换句话说，制造红色素是为了保护死期将至的叶子，而保护“老朽”的树叶则是为了保证树木在来年的新生。这是多么伟大的牺牲与奉献！ 　　那么，“盾牌与清道夫”理论是否已破解了“为什么有些叶子是红色的”这一奥秘呢？尽管已有一些令人信服的证据，但仍有人怀疑这一理论的完整性和准确性。
  最终答案也许将来自于一种更低等的植物——欧龙牙草。这种植物出现在大约4。5亿年前，是地球上最早期的植物之一。那时，欧龙牙草的生存环境极为恶劣，因为当时地球所受到的紫外辐射要比今天强得多。植物要想存活下来，就必须找到与自由基作战的有效办法。
  这种办法会不会就是制造红色素呢？ 　　今天，大多数欧龙牙草都生活在潮湿、阴暗的地方——它们是绿色植物，但有一种生活在奥克兰港海域中部火山岛上的欧龙牙草却独树一帜。那里环境非常糟糕——辐射强烈，养分少，或许同最早的欧龙牙草所生活的环境没有多大不同。
  当然，这里的欧龙牙草还有一点不同——它是红色的。 背景知识 临终妆扮，为了最后的奉献 　　生理学研究表明，树叶在其生命的最后数星期里，也许需要特殊的保护。实验证明，老树叶收集阳光进行光合作用的能力比年轻但成熟的树叶差。
  当树叶变色时，尽管植物获取能量的效率和处理能量的效率都会下降，但后者下降得比前者快，造成能量超负荷，植物的新陈代谢因此减慢。季节性的因素——比如气温骤降，同样会阻碍树叶的新陈代谢。 　　可是到了秋季，老树叶必须尽量抢制出氮等营养，并把它们转移至可以越冬的植物组织中。
  所以，虽然老叶的光合作用能力即将丧失，但为了完成拯救行动——为新春树木的重生备足营养，秋叶仍必须以自己的老迈之躯辛勤工作——捕捉阳光并进行光合作用，直到生命的最后一刻。而制造红色素，正是为了让老朽的秋叶奉献自己最后的干劲。
  收起