Мы тоже думали, что ответить на этот детский вопрос будет проще простого. Правда, чтобы подготовить действительно полный ответ, нам понадобилась помощь шести ведущих-биологов Умной Москвы, учебник по физиологии растений и 2 научные статьи. Теперь вы точно объяснить это детям!
Самое короткое объяснение
Весной и летом листья деревьев имеют зеленую окраску из-за хлорофилла - вещества, участвующего в процессе фотосинтеза. Благодаря ему растения создают сахара, в которых запасают энергию солнца. Это похоже на “солнечные панели”, которые преобразуют солнечную энергию в химическую.
Но зимой при отрицательных температурах лиственное дерево уже не может фотосинтезировать. Когда световой день сокращается, растение начинает готовиться к холодам. Этот процесс похож на то, как готовятся к зиме дачники: все ценное с улицы убирают в безопасное место, попутно вынося из дома мусор за весь год.
Азот - один из важнейших элементов для растений, но в почве его очень мало. Зато он содержится в хлорофилле. Поэтому “солнечные панели” зелёного цвета разбираются на фрагменты, как садовая мебель, и перемещаются из листьев в ствол и корни дерева. Зелёная окраска пропадает, становятся видны другие пигменты растений - ксантофиллы (желтые), каротины (оранжевые) и антоцианы (красные)
Сами листья при этом становятся мусорными мешками: из ствола дерева в них перемещаются все ненужные и вредные продукты жизнедеятельности. Затем у основания листа формируется пробковая ткань - отделительный слой. Он запечатывает стебель на зиму, а сам листок опадает вместе с отходами.
Осталось много вопросов? Продолжаем разбираться!
Как дерево понимает, что наступила осень?
Растения чувствуют изменение длины светового дня. Но как?
Дело в том, что в процессе эволюции у них появились часы! Конечно, они не показывают время и дату, зато очень точно отмеряют, сколько прошло с момента, как первый луч солнца осветил лист. Такие механизмы называются циркадными. Кстати, они есть и у нас.
Как эти часы работают?
Как только свет попадает на лист растения, запускается сложный цикл химических реакций (в научной литературе эта система называется осциллятором), который длится примерно сутки. При этом в разные периоды этих внутренних суток выделяются и исчезают разные вещества, которые и показывают, сколько времени прошло от рассвета. Кроме того, растения чувствительны к цвету освещения, падающего на их листья, поэтому они “замечают” рассвет, полдень, закат, а еще “определяют” время года по высоте солнца в зените. Точно также растения определяют, когда выпускать почки, цвести, и когда должны прорастать семена.
Как хлорофилл удаляется из листьев?
Разобрать и перевезти фотосинтезирующий комплекс из хлоропластов на “склад” сложно. Свободный хлорофилл ядовит для клетки, а терять ценные вещества нельзя.
Короткий световой день, отмеренный по “часам”, вызывает повышение количества гормонов стресса, что останавливает производство хлорофилла. Далее запускается механизм разборки старых хлоропластов.
Сначала специальные ферменты разрезают на небольшие лоскуты хлоропласты вместе с прикрепленным к ним хлорофиллом. Ядовитые кусочки упаковываются в непроницаемые жировые оболочки. Затем другие ферменты отделяют хлорофилл от остатков хлоропластов, разрезают его на отдельные молекулы, упаковывают в вакуоли и увозят в ствол и корни.
Все деревья готовятся к осени одинаково?
Нет. В северных и умеренных широтах растения ждут отрицательных температур зимой, поэтому сбрасывают листья и уходят в спячку. В Средиземноморье наступление зимы наоборот символизирует влажный период, и растения пускаются в рост.
Особенно сложно приходится растениям, произрастающим вдоль экватора: для них световой день практически не меняется, но приспособления все равно приходится подбирать по сезону. Тропические растения способны определять изменение длины светового дня на 1-3%, вовремя готовясь к сезону дождей или засухе.
Почему хлорофилл выносится из листьев, а остальные пигменты нет?
Короткий и точный ответ: в ходе эволюции оказалось, что польза от переработки ксантофиллов и каротинов (желтых и оранжевых пигментов) не стоит энергии, затраченной на их разложение и транспортировку. Все таки, редких азота или фосфора в них нет, а все остальное не так важно.
А вот с антоцианами (красными пигментами) все сложнее: они вообще не имеют отношения к фотосинтезу и летом в листьях не встречаются. Растения специально синтезируют антоцианы в осенних листьях, поскольку это вещество отпугивает многих вредителей, например, тлю. Кроме того, антоцианы используются как антиоксиданты, и не дают опасным активным формам кислорода из распадающихся листьев проникать в ствол дерева.
Накопление антоцианов — один из признаков стресса. Даже те листья, которые не собираются желтеть, могут накапливать заметное количество антоцианов в стрессовых условиях. Это может быть засуха, недостаток минерального питания, избыток света, заморозки. Чем ярче светит солнце и суше осень, тем ярче будут красные краски.
А почему не желтеют хвойные растения?
Основная причина в том, что хвойные деревья гораздо древнее, чем лиственные, поэтому просто не имеют столь совершенных механизмов подготовки к зиме. Их эволюция пошла другим путем: фотосинтез продолжается круглый год, а утилизация вредных веществ им нужна меньше. При этом они приспособились к суровым зимам. Тонкие иголочки испаряют мало влаги, дополнительную защиту от холодов дает толстый слой воска.
Ну и напоследок: хвойные деревья тоже меняют цвет, просто менее заметно. Еловые леса бронзовеют, поскольку к зиме в листьях тоже синтезируются знакомые нам антоцианы.
___________________
При подготовке этой статьи мы прочитали несколько глав университетского учебника по физиологии растений и пару научных статей. А еще консультировались с шестью нашими ведущими-биологами: Евгением Тхором, Александром Мерзеликиным, Александрой Зыряновой, Ксенией Кудряшовой, Асей Данишевской и Александрой Мягкой.
Евгений, Александр и Ася - ведущие нашего биологического кружка, а Ксения - его разработчик. Благодаря им, ребята могут разобраться в тонкостях биологии без лишних “школьных” упрощений. Узнать подробности можно тут>>
____________
Sciencely — это образовательные программы для детей 7-16 лет в онлайне и офлайне, а также наборы для научных экспериментов. Мы, выпускники естественнонаучных факультетов МГУ и молодые врачи, делаем непонятное понятным и для ребят, и для родителей. Занимайтесь и будьте с нами: https://scly.me/us