解说员:秋天的化学反应

没有什么比舒适、温暖、橙色和红色更能代表秋天了:红薯、雕刻的南瓜、落叶、壁炉旁的夜晚。但秋天色彩背后的化学反应是什么呢?为什么有些植物会掉叶子?酶在所有这些过程中扮演什么角色?

重要的事情先做。为什么植物的叶子是绿色的呢?

叶子的颜色来自一种叫做色素的分子。色素是一种化学物质，它吸收某些波长的光，但反射其他波长的光。我们的眼睛看到的是与反射波长相对应的颜色。在春夏两季，植物叶片中色素最丰富的是叶绿素．这种棒棒糖形状的分子与血液中携带氧气的血红素群非常相似，但它的中心不是铁，而是镁。镁与叶绿素分子的结合意味着它反射绿光。叶绿素吸收剩余的可见光谱，并能够通过一系列生物分子机制将这种能量转化为碳水化合物，这一过程被称为光合作用。

为什么树叶在秋天变黄或变红?

随着秋天的到来，天气变得越来越冷，越来越暗，叶子中充满了叶绿素，植物消耗了大量的能量，却很少得到回报。这是因为当天气寒冷时，化学反应进行得更慢，白天更短，漫射光更多，这意味着收获的能量很少。结果，许多植物完全停止产生色素。随着冬天的临近，植物的叶绿素会全部分解，它们的叶子会逐渐变黄，这要归功于一种叫做叶黄素的分子家族，这种分子全年都存在于叶子中。叶黄素是一种具有大量共轭碳碳双键的分子，它能反射黄光，也是蛋黄和向日葵颜色的原因。

虽然我们可能认为黄叶很漂亮，但它们对植物来说是个问题。这是因为黄色的叶子会吸引蚜虫和其他寄生虫来破坏它。因此，植物发展出一种化学防御机制来隐藏这些黄色的叶子:类胡萝卜素和花青素。这些分子具有鲜明的橙色和红色，是胡萝卜、南瓜和枫叶的颜色。虽然类胡萝卜素全年都存在于叶子中，但花青素是植物在秋季特别合成的，并注入到叶子中，不仅可以保护植物免受昆虫的侵害，还可以保护它们免受阳光的照射，一旦叶绿素消失，可能会严重损害叶子。

为什么有些树会掉叶子?

与落叶树不同的是，有些树全年都有叶子。这些树的拉丁名字通常包括“sempervivens”这个词，意思是“永远活着”。大多数常绿树木都是在热带气候中进化而来的，那里的寒冷季节较短，甚至没有寒冷季节。常青树虽然会落叶，但它们总是会立即长出新的叶子。

寒冷气候下的大多数树木都是落叶树，因为保持树叶存活的能量成本太高了。此外，在冬天有风的日子里，大叶子就像船帆一样，使树处于被吹倒的危险之中。即便如此，像针叶树这样的常绿植物也能在寒冷中生存下来，但它们是一个例外，而不是常态。

树木是如何“决定”落叶的?

这个问题的答案是荷尔蒙。当你听到荷尔蒙这个词时，你可能会想到闷闷不乐的青少年、更年期或性吸引力。但激素只是在动物和植物中传递化学信息的分子。

当秋天到来时，叶绿素水平下降，这是触发一系列激素释放的信号。多年来，科学家们一直认为，导致树木落叶的主要分子——或者用他们的话说，脱落——是脱落酸．尽管它的名字，但事实证明，这种物质在分离中并不是那么重要。两种不同的植物激素，乙烯生长素扮演着更重要的角色。

乙烯，最简单的烯烃，是一种气体，加速果实成熟，但减少叶片生长和促进脱落。乙烯是由氨基酸蛋氨酸经过长链的生化反应产生的。由于黑暗刺激了这种气体的生物合成，植物在秋季和冬季增加了乙烯的产量，导致它们的叶子掉落。

生长素是调节细胞生长的吲哚衍生物家族。一片健康的绿叶会产生大量的生长素，从而保持生长。它还通过叶柄(连接叶子和树的茎)将生长素输送到植物的其他部分。然而，当秋天来临时，叶绿素水平下降，生长素也会下降。树不再从叶子那里接收到绿色和健康的化学信号，因此开始脱落。

树是怎样把叶子剪掉的?

当乙烯和生长素都引发脱落时，叶子开始“自毁”。树木停止向叶子输送养分，叶柄底部开始退化，也就是脱落区。大多数细胞已经知道如何自我分解，但降解植物细胞壁的主要成分纤维素就有点棘手了。

纤维素是世界上最丰富的聚合物。它由成千上万个单位的葡萄糖通过糖苷键连接而成。你可以在实验室里降解纤维素，但这需要极端酸性的条件。另一方面，植物利用了酶——大自然的催化剂。它们使用一种叫做糖苷酶的酶家族，这种酶专门分解糖苷键。专门降解纤维素的糖苷酶被称为纤维素酶。

这些酶在自然界非常罕见，但大多数植物都有。另一方面，人类不能制造纤维素酶，所以我们不能消化这种多糖。这就是为什么膳食纤维(主要是纤维素)可以满足你的食欲，但不会让你发胖的原因。即使是以富含纤维素的食物为食的食草动物，比如草，也不能消化纤维素，因为它们不产生纤维素酶。它们依靠生活在消化系统中的共生细菌，这些细菌可以慢慢地将聚合物分解成葡萄糖单位。这就是为什么反刍动物要花那么多时间消化午餐。