環(huán)境對植物葉子顏色變化的影響

華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué) 何琪

環(huán)境對植物葉子顏色變化的影響

華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué) 何琪

秋天來臨，我們觀察到很多落葉植物的葉子的顏色都會由綠變黃，這一現(xiàn)象主要是由于葉片中的葉綠素含量的變化引起的。為了探尋環(huán)境因素對葉子顏色變化的影響的程度，我們設(shè)計了一系列實驗，對從落葉植物中提取的葉綠素在溫度、濕度和光照這幾種因素發(fā)生改變時的穩(wěn)定性進(jìn)行了對比研究。

落葉植物；葉綠素；溫度；濕度；光照

0 引言

要搞清楚葉子顏色的變化，首先要弄清楚我們?yōu)槭裁茨軌蚩吹筋伾?。我們眼前能夠出現(xiàn)多姿多彩的世界，視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞功不可沒。在這兩類細(xì)胞配合下，人類能夠感受和區(qū)分波長在400～760 nm之間的電磁波，也就是我們常說的可見光[1]。自然條件下的日照波長比可見光范圍寬得多，不同性質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)會吸收日照光中屬于可見光范圍內(nèi)的特定波長的電磁波，因此物質(zhì)反射的光線中就缺少了那一部分被吸收了的可見光。反射光中細(xì)微的差異被我們的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞捕捉到，我們就能看到不同類型的物質(zhì)具有不同的顏色了[2]。

葉子之所以會有顏色，是由于葉片中含有用于光合作用的葉綠體，而葉綠體主要分為葉綠素和類胡蘿卜素。其中，葉綠素會吸收太陽光中440 nm左右的藍(lán)紫光和620 n m以上的紅光，而對500～600 nm左右的綠光吸收較少，因此在葉綠素含量較高的情況下，我們能夠感受到葉子呈現(xiàn)綠色。當(dāng)葉綠素在隨環(huán)境變化過程中含量降低時，葉子中能夠反射陽光的主要成分就成了類胡蘿卜素（葉黃素），只吸收藍(lán)紫光而不吸收紅光，因此葉子的反射光在人眼里看起來就發(fā)黃了[3]。

秋季來臨，溫度降低，日照時間減少，在通常情況下天氣也變得干燥。是否因為這些因素的變化影響了葉綠素的穩(wěn)定性進(jìn)而使樹葉變黃呢？為了解環(huán)境因素對葉子顏色變化的影響，我們設(shè)計了以下實驗，用來研究溫度、濕度、光照對落葉植物葉子顏色的影響。由于常綠植物的葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有更厚的表皮和角質(zhì)層，其葉綠體受環(huán)境影響較小，為充分體現(xiàn)環(huán)境對樹葉顏色的影響，我們只選取了落葉植物的樹葉用于實驗。

1 實驗設(shè)計

1.1 葉綠素的提取

葉綠素在樹葉中的存在比較穩(wěn)定，為了放大實驗信號，需要使用溶劑將葉綠素提取出來用于實驗。取若干片梧桐葉片的新鮮樹葉，將其撕成小塊或搗碎后裝入試管中，浸泡在95%的乙醇溶液中，再把試管放入裝有開水的燒杯中進(jìn)行水浴法加熱。對不同的試管進(jìn)行編號、記錄。

1.2 觀察方法

葉綠素能夠吸收藍(lán)紫光和紅光反射綠光，綠色的深淺與葉綠素含量成正比（遵循朗伯比爾定律），可使用肉眼估測葉綠素含量，也可以使用分光光度計對葉綠素含量進(jìn)行精確測量[4]。本實驗采用每天定時肉眼觀測綠色褪去程度的方法估測葉綠素含量。

1.3 溫度的影響

取6支已編號的試管分2組將其分別置于室溫約20℃環(huán)境（1～3號）和低溫4℃環(huán)境（4～6號）中，觀察綠色褪去的時間，比較溫度對葉綠素穩(wěn)定性的影響。為了保持室溫環(huán)境和低溫環(huán)境中光照的一致性，我們使用的是低溫光照培養(yǎng)箱而不是普通家用冰箱。

1.4 濕度的影響

取6支已編號的試管分為2組將其分別置于潮濕環(huán)境（7～9號）和干燥環(huán)境（10～12號）中，觀察綠色褪去的時間，比較濕度對葉綠素穩(wěn)定性的影響。我們使用的潮濕環(huán)境是將試管放在家用加濕器的出風(fēng)口處來實現(xiàn)的，干燥環(huán)境是將試管放入正在抽濕的空調(diào)房內(nèi)。

1.5 光照的影響

另外取3支已編號的試管將其用黑色塑料袋包裹置于黑暗環(huán)境（13～15號）中，與置于常溫光照環(huán)境下的1～3號試管比較綠色褪去的時間，研究光照對葉綠素穩(wěn)定性的影響。

表1 實驗試管分組情況

2 結(jié)果和討論

2.1 溫度的影響

從圖1中我們可以看到，1～3號常溫試管中綠色褪去的時間與4～6號低溫試管中綠色褪去的時間并沒有明顯的差異。葉綠素在低溫情況下不會比常溫分解得更快，根據(jù)此結(jié)果我們推測秋季相對應(yīng)夏季的溫度降低并不是影響葉片中葉綠素穩(wěn)定性的主要原因。

圖1 溫度對葉綠素穩(wěn)定性的影響（試管1～3為室溫，4～6為4℃）

2.2 濕度的影響

從圖2中我們可以看到，7～9號放在加濕器出風(fēng)口附近的試管中綠色褪去的時間明顯比10～12號試管中綠色褪去的時間要延長。實驗結(jié)果表明濕潤環(huán)境有利于保持葉綠素的穩(wěn)定性，推測濕潤環(huán)境中的由于環(huán)境溶解的氧氣含量較低，以及pH值的改變等因素都會對葉片中分解代謝葉綠素的酶有一定程度的影響。根據(jù)圖2的結(jié)果我們推測秋季相對應(yīng)夏季干燥的空氣會極大促進(jìn)葉綠素的降解，引起葉片變黃。

圖2 濕度對葉綠素穩(wěn)定性的影響（試管7～9為潮濕環(huán)境，10～12為干燥環(huán)境）

2.3 日照的影響

置于黑色塑料袋內(nèi)的13～15號試管直到實驗結(jié)束綠色都沒有完全褪去，而與之對照的1～3號試管中的葉綠素在1天之內(nèi)基本褪去（見圖1），由此結(jié)果我們可以知道光照是促進(jìn)葉綠素降解的主要原因。

3 結(jié)論和展望

本實驗通過研究葉綠素在不同溫度，濕度和光照下的穩(wěn)定性，對樹葉變黃的原因進(jìn)行探索。實驗的結(jié)論是：(1)在同等光照條件下，秋天氣溫降低并不影響葉綠素的穩(wěn)定性，而濕度降低才是促進(jìn)葉綠體降解的主要原因。(2)光照是影響葉綠素降解的最顯著的因素，葉綠素對光比較敏感，在黑暗環(huán)境中非常穩(wěn)定。然而，秋天的日照時間短于夏天，那么依據(jù)我們的實驗結(jié)果推測，植物的葉綠素在秋天短日照的環(huán)境下穩(wěn)定性更高，在葉片中保留得更多，植物到秋天應(yīng)該更綠？如何解釋這一看起來荒謬的現(xiàn)象呢？

雖然葉綠素是樹葉呈現(xiàn)綠色的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，但是對于已經(jīng)摘除樹葉的研究并不能真正反映環(huán)境對樹葉變黃的影響。因為樹葉生長在植株上時，葉綠素在分解的同時也仍然在進(jìn)行合成，而已摘除樹葉不再形成新的葉綠素。因此，隨著秋季來臨，日照減少，落葉植株會縮減其用于光合同化作用的葉片等器官，在葉片上不再形成新的葉綠素，而是形成脫落酸等促進(jìn)葉片凋落的信號分子，使植株以較小的代價度過冬季，這是落葉喬木在長期進(jìn)化中形成的生存策略[5]。

除了葉綠素、類胡蘿卜素（葉黃素）以外，有些植物能夠把形成花朵顏色的物質(zhì)也展現(xiàn)在其葉子上。如著名的楓葉，就是葉黃素和花青素的含量比葉綠素高的多，成了反射日光的主要物質(zhì)，吸收了620nm以下的可見光，因此就展現(xiàn)出鮮艷的紅色了。色彩斑斕的大自然，值得我們不懈的探索。

[1]王顯軍.光和物體的顏色《物理教師》[J].1996年12期.

[2]齊備.光感覺《中國眼鏡科技雜志》[J].2007年第09期.

[3]黃持都，胡小松，廖小軍等.葉綠素研究進(jìn)展［J］.中國食品添加劑，2007(3):114～118.

[4]楊曉棠,張昭其,徐蘭英等.植物葉綠素的降解[J].植物生理學(xué)通訊,2008,44(1):7～12.

[5]熱帶植物的生存奇招.《生命世界》[J].2009年11月.

2016-07-20)