— Почему осенью зелёные листья становятся жёлтыми, оранжевыми и красными? Какие пигменты отвечают за цвет листвы?

Доцент кафедры «Химия и биотехнология» Пермского Политеха, кандидат технических наук Ирина Пермякова

— В кроне дерева содержится несколько типов красящих соединений. Главный из них — хлорофилл. Он придаёт листьям зелёный цвет и участвует в фотосинтезе.

Второй тип — антоцианы, дающие красные и фиолетовые оттенки. Летом их почти нет, но при похолодании или стрессе у некоторых видов деревьев они начинают вырабатываться в большом количестве. Кроме того, эти соединения защищают хлоропласты от избыточного солнечного излучения.

И третий тип — это каротиноиды. К ним относятся оранжевые каротины и жёлтые ксантофиллы. Эти пигменты улавливают более широкий диапазон видимого спектра солнечного излучения, а также защищают клетки от повреждений. В тёплое время года они не видны, потому что их маскирует зелёный хлорофилл.

— Какие изменения в окружающей среде запускают изменение цвета листьев осенью?

— Один их ключевых сигналов для осенних перемен — сокращение светового дня. Растение улавливает его с помощью светочувствительных белков фитохромов, и когда время года сменяется, внутренние биологические часы перестраиваются.

Параллельно дерево реагирует на похолодание. В оболочках клеток повышается уровень кальция, а специальные белки-рецепторы передают сигнал внутрь клетки. В ответ меняется гормональный фон: снижается уровень ауксина, отвечающего за рост, а содержание этилена и абсцизовой кислоты растёт. Эти вещества запускают старение тканей и программу увядания. Под действием этих изменений активируются определённые гены, которые запускают выработку белков, расщепляющих молекулы хлорофилла. 

 — Почему листья одних деревьев осенью становятся жёлтыми, а другие — красными?

— Итоговый цвет зависит от того, какие красящие вещества остаются в листе после распада хлорофилла, а также от погодных условий. Если растение не вырабатывает много красных антоцианов, после исчезновения хлорофилла остаются каротиноиды, и лист становится жёлтым или оранжевым. Такая окраска характерна для берёзы, липы, тополя и ивы.

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 антоцианов. В тканях накапливается глюкоза, которая служит и сигналом для их образования, и строительным материалом. Чаще всего краснеют клён остролистный и красный, рябина, дуб, осина. 

Если осень тёплая и пасмурная, цвет выражен слабее. А холодные ночи, чередующиеся с солнечными днями, делают листву особенно яркой.

— Почему большинство лиственных деревьев сбрасывают листья перед зимой, а ель и сосна сохраняют зелёную хвою? Какие особенности помогают хвойным пережить холода?

— Хвойные деревья устроены иначе, чем лиственные. Их иголки покрыты толстым восковым слоем и плотной кожицей, а устьица — крошечные поры, через которые происходит газообмен, — погружены в углубления. Благодаря этому вода испаряется медленнее, что особенно важно в морозы, когда корни не могут полноценно восполнять её запасы. Кроме того, в клетках вырабатываются криопротекторы, защищающие их от замерзания, благодаря чему хвоя выдерживает морозы и может сохраняться несколько лет.

Хвоинки сменяются постепенно, по одной, поэтому дерево не остаётся голым. Хлорофилл сохраняется круглый год, и осенью хвоя обычно не меняет цвет. Исключение — лиственница, которая сбрасывает иголки осенью.

— Что происходит с листом перед тем, как он опадёт, и как дерево избавляется от него?

— Листопад начинается после того, как дерево забирает из листвы все полезные элементы и листья перестают участвовать в обмене веществ. Сначала в стебель и корни переносятся азот, фосфор, калий и магний, которые 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. 

— Как на сроки листопада влияет глобальное потепление? Ведь, хотя климат теплеет, продолжительность светового дня не меняется — будет ли золотая осень наступать позднее?

— Как бы ни теплел климат, осенью день всё равно становится короче, и для многих деревьев это служит одним из сигналов к запуску биохимических процессов старения листьев. 

Однако температура влияет на скорость протекания уже запущенных процессов. Если осень тёплая, разрушение хлорофилла идёт медленнее, и листья дольше сохраняют зелёную окраску и остаются на ветках. В результате видимое пожелтение и опадение листьев могут происходить с задержкой в несколько дней, а сам период листопада растягиваться по времени. Так что золотая осень действительно может наступать чуть позже и длиться дольше. 

— А как изменение климата может повлиять на насыщенность цветов осенней листвы, будет ли золотая осень терять краски? 

Ассистент кафедры «Химия и биотехнология» Пермского Политеха Никита Фаустов

— Да, изменение климата способно повлиять на насыщенность осенних красок. Особенно это касается красных оттенков, за которые отвечают антоцианы. При потеплении они могут образовываться в меньшем количестве, и листва будет выглядеть менее яркой.

С жёлтыми и оранжевыми оттенками ситуация несколько иная. Они зависят от каротиноидов, которые становятся заметны после разрушения хлорофилла. Если осень тёплая и затяжная, листья будут дольше оставаться зелёными, а затем могут побуреть, так и не успев приобрести яркий жёлтый цвет.