為何秋天樹葉會變色?

10/31/2014

每年的秋天都會看到樹葉由綠色轉變為金黃色、橘黃色、紅色，
最終成為脫落成為地上的落葉。
為何樹葉要在凋零前經歷這麼唯美的轉變呢？
讓我們一起一探究竟！

葉子在生長期間看起來是綠色，那是因為樹葉中存在一種叫做葉綠素(chlorophyll)的成份。葉綠素是儲存於植物細胞內小圓碟狀的葉綠體(chloroplasts)內。葉綠素分子會吸收陽光中紅色和藍色波長的光線，但它幾乎不吸收任何的綠色光線。這意味著綠色光線會被反射，所以我們所看到的樹葉是綠色。

< Photo credit: Aikawa Ke via Flickr. CC BY-NC-SA 2.0>

植物藉由光合作用將光能轉換為化學能。葉綠素是光合作用中不可或缺的角色，它將從陽光所獲得的能量應用於將二氧化碳(CO2)和水轉換成氧氣和碳水化合物(它就是植物的食物！)。葉綠素的結構也較不穩定，很容易在植物細胞內崩壞，因此植物需要不斷的製成足夠的葉綠素以維持光合作用。

而陽光和溫度是製造葉綠素的必要條件，所以春天和夏天是葉綠素生成最旺盛的期間。在生長期間，植物會分泌一種生長素(auxin)的植物賀爾蒙來抑制木栓細胞生長成為分離層(abscission layer)。隨著夏末秋初到來，白天時間縮短夜晚時間延長，植物可感應到每日的晝夜逐漸增加。當晝夜時間達到一定長度時，植物就會停止分泌生長素。隨之，分離層就會開始於樹葉和樹枝的交接處生成來阻隔水分和養分輸送至樹葉；當然這也斷絕了從樹葉生成的碳水化合物運輸。

一旦進入節能狀態，葉綠素就不再生成並且會快速分解，這也是我們開始看見樹葉變色的時機。原先被旺盛葉綠素覆蓋的成分開始顯現它們原有的顏色，類胡蘿蔔素(carotenoids)會反射橘黃色光線，葉黃素(xanthophylls)則是反射黃色光線。

紫色和紅色來自於一種叫做花色苷(Anthocyanin)的顏料，它在覆盆子和藍莓這類水果上特別豐富。花色苷不像類胡蘿蔔素和葉黃素一樣，它並非一直存在於樹葉中，而是由被分離層隔離於樹葉中糖和樹液所生成。花色苷的顏色會隨著酸鹼度而有所改變，若酸度較高則會呈現紅色，酸度較低則是紫色。(下次我們再帶大家做一個天然植物的酸鹼指示劑小實驗吧！）

令人好奇的是，秋天的光合作用減少，為何植物還要投資寶貴的糖分在生成花色苷？一些證據表示，因為秋天時期的葉子系統逐漸破壞，花色苷的作用是當作葉綠素的防曬劑，藉此保護還存留於樹枝上的樹葉並從中獲取更多的養分。經歷了時間的相信這樣的投資報酬是值得的。也有部分研究認為植物製成花色苷用來作為一種驅蟲劑；一些昆蟲會將紅色判別為有毒性或是不可口，藉此降低昆蟲於這些樹葉上產卵的意願。

秋天樹葉的變色會受到氣溫和土壤濕度的影響。涼爽的氣溫和大量陽光易刺激生產花色苷，但嚴寒會破壞生成的機制，這意味著早霜將觸發早日結束多彩的樹葉。乾燥的天氣也增加了糖的濃度

隨著秋天的陶冶，在分離層的細胞逐漸乾燥，導致支撐力不足而脫落樹葉。雖然有許多樹木會禿的很徹底，仍有部分樹木會於冬天時保留樹葉，但樹葉的顏色會顯得較為黯淡。這是因為其餘的顏料都已經分解殆盡，僅存留下褐色的單寧(tannins)。

了解了樹葉的變色原理後，是時候去戶外走走，享受一下大自然的秋意詩篇了吧！ J