Химия осенних листьев

 Ученая Пермского Политеха рассказала, что заставляет листья желтеть и краснеть

Осенью зеленая крона приобретает желтые, оранжевые и красные оттенки. Это не просто увядание, а результат последовательных химических превращений, запускаемых внешними сигналами. Ученая Пермского Политеха объяснила, какие соединения участвуют в окраске листвы, как они разрушаются и образуются, и почему дерево «перекрашивается» перед листопадом.

Многие привыкли считать, что деревья желтеют и краснеют просто потому, что им не хватает тепла. Однако смена цвета – это не пассивное увядание, а активный процесс, который запускается целенаправленно. Внутри листовой пластинки одновременно разрушаются одни пигменты и образуются другие. Причем то, какой оттенок в итоге проявится, зависит не только от погоды, но и от наследственных особенностей конкретного вида.

Три «краски» осеннего листа

По словам Ирины Пермяковой, доцента кафедры «Химия и биотехнология» Пермского Политеха, кандидата технических наук, в кроне содержится несколько типов красящих соединений. Самое заметное из них – хлорофилл. Он придаёт листьям зелёный цвет и участвует в фотосинтезе: поглощает солнечный свет и запускает цепочку реакций по синтезу питательных элементов.

– Второй тип – антоцианы, дающие красные, фиолетовые и синие оттенки. Летом их почти нет, но при похолодании или стрессе у некоторых видов они начинают вырабатываться в большом количестве. Эти соединения защищают хлоропласты от избыточного излучения и нейтрализуют агрессивные молекулы кислорода. Это особенно важно перед листопадом: в стареющих клетках ещё есть белки с азотом и фосфором, которые дерево должно забрать. Антоцианы не позволяют яркому свету вызвать окисление, которое помешало бы расщеплению этих белков, поэтому полезные элементы успевают перейти в ветки и ствол, – продолжает ученая.

Третий тип – каротиноиды. К ним относятся оранжевые каротины и жёлтые ксантофиллы. Эти вещества помогают улавливать более широкий диапазон видимого спектра солнечного излучения, а также защищают клетки от повреждений, нейтрализуя опасные молекулы кислорода. В тёплое время года они не видны, потому что зелёный хлорофилл их маскирует, – продолжает ученая Пермского Политеха.

Что запускает осенние перемены

Как комментирует эксперт ПНИПУ, главный сигнал для изменения цвета – сокращение светового дня. Растение улавливает его с помощью светочувствительных белков фитохромов и криптохромов, и когда время года сменяется, внутренние биологические часы перестраиваются.

– Параллельно дерево реагирует на похолодание. Оболочки клеток становятся жёстче, в них повышается уровень кальция, а специальные белки-рецепторы передают сигнал внутрь. В ответ меняется гормональный фон: снижается уровень ауксина – соединения, отвечающего за рост, – а содержание этилена и абсцизовой кислоты растёт. Эти вещества инициируют старение тканей и включают программу увядания, – комментирует Ирина Пермякова.

Под действием всех этих изменений в клетках активируются определённые гены, которые запускают выработку белков-разрушителей, расщепляющих молекулы хлорофилла. Одновременно подавляется работа фермента глутамил-тРНК-редуктазы – ключевого белка, необходимого для синтеза этого пигмента.

Почему у одних деревьев листья жёлтые, а у других красные

Как рассказывает ученая Пермского Политеха Ирина Пермякова, итоговый цвет зависит от того, какие красящие вещества остаются в листе после распада хлорофилла, и от условий погоды. Если растение не производит красные антоцианы в большом количестве, то после исчезновения зелёного пигмента остаются только каротиноиды – и лист становится жёлтым или оранжевым.

– Такая окраска чаще всего встречается у берёзы, липы, тополя, ясеня, вязи и ивы, – делится эксперт ПНИПУ.

Для образования большого количества красных соединений нужны одновременно похолодание и яркий свет. При низкой температуре метаболизм в листе замедляется, клетки не успевают использовать всю энергию, а синие и ультрафиолетовые лучи дополнительно стимулируют синтез веществ, отвечающих за алый оттенок. В тканях накапливается глюкоза, которая одновременно служит сигналом для создания антоцианов и строительным материалом для них.

– Чаще всех краснеют клён остролистный и красный, рябина, дуб красный, осина, дикий виноград и черёмуха. Если осень тёплая и пасмурная, цвет выражен слабее, а если холодные ночи чередуются с солнечными днями – листва становится особенно яркой, – дополняет ученая.

Почему хвойные не желтеют

Такие деревья, как ель, сосна или пихта, устроены иначе. Их листья превратились в узкие иголки, покрытые толстым восковым слоем и плотной кожицей. Устьица (поры для газообмена) находятся в углублениях на поверхности иголок, что снижает потерю влаги, а в клетках содержатся особые вещества, которые не дают воде замерзать. Благодаря этому хвоя может переживать морозы и не нуждается в ежегодном сбрасывании.

– Хвоинки живут несколько лет и сменяются постепенно, по одной, поэтому дерево никогда не остаётся голым. Зелёный хлорофилл сохраняется круглый год, и осенью дерево не меняет цвет. Исключение — лиственница, которая сбрасывает иголки осенью, – объясняет эксперт.

Почему листья опадают

Как рассказывает Ирина Пермякова, листопад является отдельным процессом, который начинается после того, как дерево забирает из листвы все полезные элементы. Сначала в стебель и корни переносятся азот, фосфор, калий и магний – их растение сохраняет на зиму. Затем у основания черешка формируется особый отделительный слой из клеток с ослабленными стенками. Под действием этилена и абсцизовой кислоты этот слой размягчается, и лист отрывается от ветки.

– Цвет листьев меняется, пока дерево извлекает из кроны ценные соединения, а завершающее опадение наступает, когда эта часть растения перестает участвовать в обмене веществ, – заключает ученая Пермского Политеха Ирина Пермякова.