چرا برگ درختان در پاییز زرد می‌شود؟

پروین دولت‌آبادی شعر زیبایی در وصف پاییز دارد:

باد سرد آرام بر صحرا گذشت                سبزه‌زاران رفته‌رفته زرد گشت

تک درخت نارون شد رنگ‌رنگ            زرد شد آن چتر شاداب قشنگ

این شعر از نظر ادبی بی‌تردید کم‌نظیر است منتهی در آن به یک واقعیت علمی نیز اشاره شده است: تغییر رنگ تدریجی برگ درختان. اغلب ما در کتاب‌های زیست‌شناسی دلیل این اتفاق به ظاهر ساده را خوانده‌ایم، ولی شاید برخی از ما آن را فراموش کرده باشیم، در ادامه به جستجوی دلیل این پدیده طبیعی خواهیم پرداخت.

کارخانه‌ای که دیگر تولید نمی‌کند

برگ‌ها کارخانه‌های طبیعی تولید غذا هستند. گیاهان آب و کربن‌ دی‌اکسید را از محیط اطراف گرفته و با استفاده از نور خورشید آن‌ها را به اکسیژن و گلوکز تبدیل می‌کنند. گیاه از گلوکز بعنوان غذا و برای تامین انرژی استفاده می‌کند، ضمناً گلوکز را می‌توان یک بلوک ساختمانی دانست که گیاه برای رشد بدان نیازمند است. پروسه‌ای که در آن آب و کربن دی‌اکسید به اکسیژن و قند تبدیل می‌شود را فتوسنتز می‌گویند. فتوسنتز از نظر لغوی به معنای «درکنار هم بودن با نور» است. اما چه چیزی زمینه‌ی درکنارهم بودن را فراهم می‌کند؟ ماده‌ای شیمیایی به نام کلروفیل که از آن تحت‌عنوان رنگ‌دانه سبزرنگ یاد می‌شود.

به فرایندی در گیاهان که آب و کربن دی‌اکسید به اکسیژن و قند تبدیل می‌شود، فتوسنتز می‌گویند

رنگ‌دانه‌ها این قابلیت را دارند که طول موج نوری را به صورت انتخابی جذب کرده و سپس رنگ نور منعکس یا عبوری را تغییر ‌دهند. این کار در ضمن یک فرایند فیزیکی عملی می‌شود که طیف آن از «فلورسنس» (Fluorescence) و «فسفرسنس» (Phosphorescence) شروع و به اشکال دیگر از جمله «لومینسنس» یا «شب‌تابی» (Luminescence) ختم می‌شود. در گیاهان نیز این کلروفیل است که مولد رنگ سبز می‌شود. نور خورشید در فصل تابستان و بهار زمینه مناسب را برای فعالیت این رنگ‌دانه تولید می‌کند و به همین دلیل است که گیاهان در فصل بهار و پاییز با سبزی هرچه تمام‌تر خودنمایی می‌کنند اما با فرا رسیدن فصل پاییز روزها آرام‌آرام کوتاه‌تر می‌شوند. کوتاه شدن روزها همان تلنگری است که گیاهان را متوجه تغییر شرایط می‌کند. منظور از تغییر شرایط همان فرا رسیدن فصل سرد و در نهایت مواجهه با زمستان است. ارمغان زمستان برای گیاهان دو چیز است: در اختیار نداشتن نور کافی و آب که هر دو از مهمترین فاکتورهای فتوسنتز هستند. همین تلنگر کوچک کافی است که گیاهان آرام‌آرام کرکره‌ کارخانه‌هایشان را پایین کشیده و در نهایت هم آن‌ها را متوقف کنند.

کوتاه شدن طول روز و فرا رسیدن فصل سرد باعث می‌شود که برگ‌ها بعنوان کارخانه‌های طبیعی تولید غذا فعالیت خود را متوقف کنند.

بیومولکولی که ناپدید می‌شود

کلروفیل یک بیومولکول فوق‌العاده مهم است که در عمل فتوسنتز نقش حیاتی را برعهده دارد. این رنگدانه به گیاهان اجازه می‌دهد که انرژی را از نور خورشید جذب کنند. اما با فرا رسیدن فصل پاییز کلروفیل سبز کم‌کم از روی برگ درختان ناپدید می‌شود. همچنانکه کلروفیل آرام‌آرام از روی برگ‌ها رخت برمی‌بندد، رنگ برگ‌ها نیز زرد و سپس نارنجی می‌شود. اما این رنگ‌ها از کجا آمده‌اند؟ واقعیت این است که مقادیر ناچیزی از این رنگ‌ها در تمام مدت در برگ‌ها حضور داشته‌اند منتهی ما به دلیل غالب بودن و پوشش آن‌ها توسط کلروفیل نمی‌توانیم آن‌ها را ببینیم. اما از طرف دیگر رنگ‌هایی مثل قرمز براق یا حتی ارغوانی از جمله مواردی هستند که در فصل پاییز در برگ‌ها ساخته می‌شوند. در برخی از درختان مانند افرا یک اتفاق جالب می‌افتد، پس از توقف فتوسنتز گلوکز در برگ‌ها به دام می‌افتد و در این مرحله است که نور مایل خورشید و شب‌های سرد پاییز دست به دست هم داده و باعث می‌شوند که برگ‌ها گلوکز را به رنگ قرمز تبدیل کنند. اما از طرف دیگر برگ برخی از درختان مانند بلوط بیشتر به قهوه‌ای متمایل می‌شود و علت این مساله هم بخاطر ضایعاتی است که در برگ‌ها به جا می‌ماند. مجموع این موارد است که سبب می‌شود تا ما هر سال مجموعه‌ای از رنگ‌های بی‌بدیل را در برگ‌های درختان شاهد باشیم.

با فرا رسیدن فصل پاییز کلروفیل سبز کم‌کم از روی برگ درختان ناپدید می‌شود

کلروفیل را نخستین‌بار دو محقق فرانسوی به نام‌های پیر ژوزف پلتیه (Pierre Joseph Pelletier) و جوزف بینیامین کاونتو (Joseph Bienaimé Caventou)  در سال ۱۸۱۷ میلادی کشف و نام‌گذاری کردند. پلتیه یک شیمیدان و کاونتو یک داروساز بود، در حقیقت آن‌ها نخستین پژوهشگرانی بودند که توانستند با استفاده از حلال‌های حدواسط شماری از عناصر فعال گیاهان را ایزوله کرده و آن‌ها را نامگذاری کنند. ارزش کار آنها به اندازه‌ای بود که امروز حتی یکی از حفره یا گودال‌های مشهور در ماه به نام کاونتو نامگذاری شده است.

تغییر در میزان رنگ‌دانه‌ها راز برگ درختان در پاییز

برگ‌ها در طول فصل رشد کم‌کم کلروفیل خودشان را از دست می‌دهند. از دست رفتن کلروفیل فرآیندی است که پیش از ریزش برگ‌ها به حداکثر سرعت ممکن می‌رسد. زمانی‌که عملکرد کلروفیل مختل شد، کاروتنوئیدها مجال خودنمایی پیدا می‌کنند. آن‌ها نیز رنگدانه‌های طبیعی هستند که در اندامک‌های گیاهی و برخی باکتری‌ها یا قارچ‌ها که توانایی فتوسنتز دارند، یافت می‌شوند. چربی یا سایر ساختارهای ارگانیک ابتدایی می‌توانند کاروتنوئیدها را تولید کنند.

رنگ برگ‌ها به دلیل حضور شاخص‌تر کاروتنویید‌ها زرد، نارنجی و گاه قرمز می‌شود

اما وظیفه کاروتنوئیدها چیست؟ آن‌ها دو نقش اساسی و مهم را در گیاهان برعهده دارند: نخست انرژی نوری را که لازمه فتوسنتز است، جذب می‌کنند و دوم اینکه کلروفیل‌ها را در برابر آسیب‌های حاصل از نور حفظ می‌کنند. در یک شرایط بهینه کلروفیل‌ها آهسته آهسته حذف می‌شوند و این پروسه بسیار منظم اتفاق می‌افتد، یعنی گیاه می‌تواند بیشتر نیتروژن موجود در ساختار مولکولی رنگدانه‌ها را مجدد جذب کند. رنگدانه‌های موسوم به کاروتنوئید هم در خلال پروسه پیر شدن از روی پلاستیدها حذف می‌شوند. اما با از دست رفتن کلروفیل برخی از کاروتنوئیدها همچنان در پلاستید باقی بمانند. پلاستید اندامکی است که اغلب رنگدانه‌ها از جمله کاروتنوئیدها را که در پروسه فتوسنتز نقش دارند، در خود نگهداری می‌کند. در حقیقت نوع رنگدانه‌ای که در داخل پلاستیدها یافت می‌شود، نه‌تنها تغییر می‌کند بلکه میزان رنگدانه غالب در پلاستید است که رنگ سلول را تعیین می‌کند. همین فرآیند به ظاهر ساده اما منظم طبیعی عامل اصلی تغییر رنگ برگها در فصل پاییز است.

در برخی از درختان مانند افرا یک اتفاق جالب می‌افتد، پس از توقف فتوسنتز گلوکز در برگ‌ها به دام می‌افتد و در این مرحله است که نور مایل خورشید و شب‌های سرد پاییز دست به دست هم داده و باعث می‌شوند که برگ‌ها گلوکز را به رنگ قرمز تبدیل کنند.

رنگ قرمز برگ‌ها از کجا می‌آید؟

از نظر بسیاری زیباترین برگ‌ها آن‌هایی هستند که در پاییز قرمز رنگ می‌شوند. حال پرسش اینجاست که برگ‌ها چگونه قرمز می‌شوند؟ این رنگ در حقیقت حاصل سنتز فعال رنگدانه‌های موسوم به آنتوسیانین است. در این نوع برگ‌ها ته‌زمینه قرمز بستگی به میزان آنتوسیانین و یا میزان نگهداری کاروتنوئیدها دارد. آنتوسیانین همان رنگ‌دانه‌های قابل‌حل در آبی هستند که می‌توانند به رنگ قرمز، ارغوانی و گاهی هم به رنگ آبی دیده شوند. رنگ حاصل از آن‌ها به طور مشخص با میزان pH در ارتباط است. آنتوسیانین‌ها را می‌توان در برگ، ریشه و حتی میوه گیاهان بلندقامت‌تر سراغ گرفت. آنتوسیانین‌هایی که در برگ‌ها یافت می‌شوند، از طریق جذب نور فرابنفش و طیف نوری آبی- سبز از سلول‌ها محافظت می‌کنند. لازم به یادآوری است که عدم حضور آنها در برگ‌ها می‌تواند منجر به آسیبهای نوری شود. این رنگدانه‌ها را می‌توان کرم ضد آفتاب گیاهان توصیف کرد.

از نظر بسیاری زیباترین برگ‌ها آن‌هایی هستند که در پاییز قرمز رنگ می‌شوند.

نوع رنگدانه‌ای که در داخل پلاستیدها یافت می‌شود، نه‌تنها تغییر می‌کند بلکه میزان رنگ‌دانه غالب در پلاستید است که رنگ سلول را تعیین می‌کند.

برگ‌ها چگونه می‌افتند؟

با شروع فصل سرما و تغییر مشخص طول روز مواد غذایی و آب از برگ‌ها خارج شده و به سمت ریشه گیاه می‌روند. دم‌برگ قسمتی است که برگ از طریق آن به شاخه متصل می‌شود. در این قسمت دو نوع سلول وجود دارد: نخست بافت نرم اصلی و دوم بافت‌ چوب‌پنبه‌ای. بخش چوب‌پنبه‌ای موظف به حفظ برگ است. با شروع فصل سرما آب از طریق آوندها از برگ‌ها خارج شده و به ریشه می‌رود. آوندها کم‌کم خالی از آب می‌شوند و آن‌گاه عملکردشان مختل شده و در نهایت هم شکسته یا پاره می‌شوند. بخش چوب‌پنبه‌ای در همین ضمن دستخوش تغییر شده و به وسیله باد و باران فرسوده می‌شود. از این مرحله به بعد تنها یک تلنگر کوچک از جانب عوامل طبیعی لازم است که برگ را از ناحیه دم‌برگ شکسته و آن را به زمین بیندازد.

منابع:

http://www.sciencemadesimple.com/leaves.html

http://harvardforest.fas.harvard.edu/leaves/process

http://www.encyclopedia.com/topic/Carotenoids.aspx

http://earthsky.org/earth/why-do-tree-leaves-turn-red-in-fall