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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