去年到日本京都、奈良賞楓,紅、綠相間的楓葉美的令人屏息,讓人開始思索大自然的奧妙,回國後,到圖書館和網路上搜尋相關文章,終於一解存在心中已久的疑惑。

以下先摘錄Jay Ingram所著的「The Velocity of Honey and more science of everyday life」一書第三章「樹木生死戰」的內容:

當北半球的時序由夏入秋,天空裡陽光的強度開始減弱,能提供給樹葉的太陽能也變少了,因此對樹葉來說,要維持複雜的分子合成生產線也愈來愈困難,這個生產線的目的是把太陽能轉變成有用的產物,而到了某個關鍵點以後,整件事變得很不划算。對很多樹來說〈當然針葉木除外〉,這時候最好的策略反而是放棄光合作用,等春天再度降臨時再說,屆時陽光的強度又回復原來的水準,又可以進行光合作用了。

葉綠素是樹木要從葉子裡搶救回來的物質之一,每個葉綠素包含四個氮原子,這種元素太珍貴了,不能隨便浪費掉。因此,葉綠素分子就遭分解,之後氮原子給運回樹木儲存起來,等到下個春天來臨時再派上用場。樹葉呈現綠色是因為葉綠素的關係〈它吸收陽光裡的其他所有顏色,但把綠色反射出來〉。當葉綠素消耗殆盡後,其他在夏天時被葉綠素掩蓋掉的顏色,紛紛展現出來。其中包括一些呈現黃色和橙色的胡蘿蔔分子,這跟使蔬菜呈現黃色或橙色的化學分子是一樣的。其實在整個夏天裡,類胡蘿蔔素也在樹葉裡捕捉葉綠素沒有捉住的陽光,但我們直到樹葉上那層葉綠素面具剝落之後,才看得到類胡蘿蔔。

葉子的紅色來源,是由一種叫做花青素的化學物質造成的,它是在樹木準備放棄葉子的時候,才新合成出來的,〈不過花青素的合成和葉綠素的分解以及其他入秋的準備,都在我們察覺到樹葉顏色的變化之前,就已經開始了〉,葉綠素雖然是絕妙的陽光吸收物質,但它的這個功能有時會把自己壓垮。乾旱、低溫和營養不足,都會對樹葉的光合作用形成很大的壓力,此時如果豔陽高照,會使葉綠素過度賣力。

秋天的樹葉如果沒有遇到別的不利因素,至少會碰到低溫,但偏偏在秋天時葉綠素對陽光特別敏銳,因為此時樹葉已經開始準備過冬,預備分解光合作用的生產機制了;葉綠素受光粒子的轟擊所吸收的能量,無法像在夏天一樣,立即適當安排出處或製成產物。事實上,在不穩定的秋季樹葉上,受激發的葉綠素分子會產生某些型態的氧,它們對樹葉而言是相當有害的成份。不管怎麼說,對秋天的樹葉而言,最好是不要讓樹葉吸收過多的陽光,而且方法就是製造花青素,為葉綠素遮住陽光。在很多樹上,最紅艷的樹葉都是長在陽光最充足的那一面,而且,較上面的樹葉較紅。紅葉最漂亮的條件是溫暖、晴朗、乾燥的白天和寒冷的夜晚,這些條件會使樹葉暴露在過多的陽光之下。同一種楓樹,生長在愈北方的就愈紅,也就是會產生愈多的花青素。因為那兒更冷、生存的壓力更大,它們的葉綠素更敏感、需要更有效的遮蓋。

表面上看來,九月和十月的滿山紅葉實在迷人,但真實的故事是它們在和時間賽跑,要在樹葉受第一次降霜完全摧毀之前,儘可能保護並回收樹葉裡剩餘的有用物質。

這個科學故事寫到這裡還沒完,並不是每項細節都已經有實驗驗證,而且我們也還不清楚為什麼有些樹種需要製造紅色色素,有些卻不用理會這檔事。是不是葉子變黃或根本不改變顏色的那些樹木,有別的方法防止秋天陽光的過度曝曬?這些樹的故事,雖然不是那麼璀燦亮眼,一定也是非常微妙而複雜的。

以下為蔡尚恬和蔡振章所共同發表的文章:

楓葉變紅了,天然色素的顏色化學
 
作者:蔡尚恬 / 中興大學昆蟲學系、蔡振章 / 高雄大學應用化學系

在驚嘆楓葉變紅的大自然美景時,讓我們來探討有趣的顏色化學。植物體內主要的色素有葉
綠素、葉黃素、胡蘿蔔素和花青素,葉子變色主要由植物體內色素的變化所主導
。春、夏季
日照長,光合作用特別活躍,葉片行光合作用除合成醣類外,也加速葉綠素的分解,夜晚時,
葉綠素又開始合成。由於葉綠素持續不停地分解與再生,因此,葉子含有豐富的葉綠素。

葉子內同時含有葉綠素與胡蘿蔔素時,葉子會吸收紅光、藍光、藍綠光,剩下的光線反射,
葉子便呈現綠色。

進入秋天後,日照時間縮短,夜間漸長,因應日照時間的變化,落葉樹種會在葉柄基部產生
離層素,葉子因而脫落,卻也阻止養分的運輸。同時,溫度降低後,葉綠素合成的速率會變
慢。葉內水分減少的結果,葉綠素在低溫發生分解,但葉綠素合成的速率卻來不及補充,因
此葉綠素色素含量逐漸降低。此外,胡蘿蔔素遠比葉綠素穩定,即使葉綠素消失了,胡蘿蔔
素仍可存於葉子中,葉片中的葉黃素、胡蘿蔔素等逐漸主宰樹葉顏色,
導致葉片呈現黃色。

由於植物輸送養料的能力減弱,葡萄糖就被留在葉子裡,於是甜度越來越高。有些植物會將
葉子內的葡萄糖和葉黃素在陽光作用下,逐漸生成花青素。

到了深秋,葉子的葉綠素不斷減少,葉子的綠色褪去,而花青素卻不斷增加,紅色增強,於
是就變成鮮紅可愛的樹葉了
日光愈強,植物產生的花青素就愈多,溫差越大,葉綠素降得
越低,葉片的顏色變得越紅。研究發現,
楓樹缺氮養分時,楓葉會更紅,更早變紅。因此,
楓葉變紅的程度與日照、氣溫、乾旱、污染、氮元素有關。

另外,紅色楓葉有遮光劑的作用,使得落葉時間延後,楓樹因而可以吸收更多的營養,因此,
楓葉變紅的現象可以看成楓樹對自然界環境變化反應的結果。葉綠素與花青素相對含量與生
成速率,也可以解釋植物的嫩芽和新葉呈現紅色的原因。葉綠素的生成速率高於花青素時,
植物的嫩芽和新葉便綠得快。當花青素的生成速率高於葉綠素時,植物的的嫩芽和新葉就呈
現紅色。等到葉綠素色素增加後,葉子就變回綠色。


臺灣的賞楓景點大多呈點狀或帶狀分布,整片楓樹純林只有在南投奧萬大、苗栗馬拉邦山、
石門水庫等少數地區才可看到。賞楓必須選在秋冬交替,氣候由暖乍寒,頭兩波寒流來襲後
的三、四天,是楓葉轉紅的時候,但這兩波寒流間隔最好約半個月到三周時間,若間隔太近,
樹葉還來不及轉紅;若間隔太長,在第二波寒流到來之前,就已落葉歸根。

賞楓最好位置是北風吹得到樹的區域,例如稜線上,至於懸崖邊、空曠地等位於山谷、低窪
地區的楓樹,通常還來不及轉紅,葉片就飄落了。平地的楓葉因為日夜溫差太小,沒有辦法
變紅。不過,你可以剪下一片楓葉,在家裡把它浸在砂糖水中,過些時候,糖分變成花青素,
楓葉就變紅了。
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