环境对植物叶子颜色变化的影响

华中师范大学第一附属中学 何琪

环境对植物叶子颜色变化的影响

华中师范大学第一附属中学 何琪

秋天来临，我们观察到很多落叶植物的叶子的颜色都会由绿变黄，这一现象主要是由于叶片中的叶绿素含量的变化引起的。为了探寻环境因素对叶子颜色变化的影响的程度，我们设计了一系列实验，对从落叶植物中提取的叶绿素在温度、湿度和光照这几种因素发生改变时的稳定性进行了对比研究。

落叶植物；叶绿素；温度；湿度；光照

0 引言

要搞清楚叶子颜色的变化，首先要弄清楚我们为什么能够看到颜色。我们眼前能够出现多姿多彩的世界，视杆细胞和视锥细胞功不可没。在这两类细胞配合下，人类能够感受和区分波长在400～760 nm之间的电磁波，也就是我们常说的可见光[1]。自然条件下的日照波长比可见光范围宽得多，不同性质、不同结构的物质会吸收日照光中属于可见光范围内的特定波长的电磁波，因此物质反射的光线中就缺少了那一部分被吸收了的可见光。反射光中细微的差异被我们的视杆细胞和视锥细胞捕捉到，我们就能看到不同类型的物质具有不同的颜色了[2]。

叶子之所以会有颜色，是由于叶片中含有用于光合作用的叶绿体，而叶绿体主要分为叶绿素和类胡萝卜素。其中，叶绿素会吸收太阳光中440 nm左右的蓝紫光和620 n m以上的红光，而对500～600 nm左右的绿光吸收较少，因此在叶绿素含量较高的情况下，我们能够感受到叶子呈现绿色。当叶绿素在随环境变化过程中含量降低时，叶子中能够反射阳光的主要成分就成了类胡萝卜素（叶黄素），只吸收蓝紫光而不吸收红光，因此叶子的反射光在人眼里看起来就发黄了[3]。

秋季来临，温度降低，日照时间减少，在通常情况下天气也变得干燥。是否因为这些因素的变化影响了叶绿素的稳定性进而使树叶变黄呢？为了解环境因素对叶子颜色变化的影响，我们设计了以下实验，用来研究温度、湿度、光照对落叶植物叶子颜色的影响。由于常绿植物的叶片结构复杂，含有更厚的表皮和角质层，其叶绿体受环境影响较小，为充分体现环境对树叶颜色的影响，我们只选取了落叶植物的树叶用于实验。

1 实验设计

1.1 叶绿素的提取

叶绿素在树叶中的存在比较稳定，为了放大实验信号，需要使用溶剂将叶绿素提取出来用于实验。取若干片梧桐叶片的新鲜树叶，将其撕成小块或捣碎后装入试管中，浸泡在95%的乙醇溶液中，再把试管放入装有开水的烧杯中进行水浴法加热。对不同的试管进行编号、记录。

1.2 观察方法

叶绿素能够吸收蓝紫光和红光反射绿光，绿色的深浅与叶绿素含量成正比（遵循朗伯比尔定律），可使用肉眼估测叶绿素含量，也可以使用分光光度计对叶绿素含量进行精确测量[4]。本实验采用每天定时肉眼观测绿色褪去程度的方法估测叶绿素含量。

1.3 温度的影响

取6支已编号的试管分2组将其分别置于室温约20℃环境（1～3号）和低温4℃环境（4～6号）中，观察绿色褪去的时间，比较温度对叶绿素稳定性的影响。为了保持室温环境和低温环境中光照的一致性，我们使用的是低温光照培养箱而不是普通家用冰箱。

1.4 湿度的影响

取6支已编号的试管分为2组将其分别置于潮湿环境（7～9号）和干燥环境（10～12号）中，观察绿色褪去的时间，比较湿度对叶绿素稳定性的影响。我们使用的潮湿环境是将试管放在家用加湿器的出风口处来实现的，干燥环境是将试管放入正在抽湿的空调房内。

1.5 光照的影响

另外取3支已编号的试管将其用黑色塑料袋包裹置于黑暗环境（13～15号）中，与置于常温光照环境下的1～3号试管比较绿色褪去的时间，研究光照对叶绿素稳定性的影响。

表1 实验试管分组情况

2 结果和讨论

2.1 温度的影响

从图1中我们可以看到，1～3号常温试管中绿色褪去的时间与4～6号低温试管中绿色褪去的时间并没有明显的差异。叶绿素在低温情况下不会比常温分解得更快，根据此结果我们推测秋季相对应夏季的温度降低并不是影响叶片中叶绿素稳定性的主要原因。

图1 温度对叶绿素稳定性的影响（试管1～3为室温，4～6为4℃）

2.2 湿度的影响

从图2中我们可以看到，7～9号放在加湿器出风口附近的试管中绿色褪去的时间明显比10～12号试管中绿色褪去的时间要延长。实验结果表明湿润环境有利于保持叶绿素的稳定性，推测湿润环境中的由于环境溶解的氧气含量较低，以及pH值的改变等因素都会对叶片中分解代谢叶绿素的酶有一定程度的影响。根据图2的结果我们推测秋季相对应夏季干燥的空气会极大促进叶绿素的降解，引起叶片变黄。

图2 湿度对叶绿素稳定性的影响（试管7～9为潮湿环境，10～12为干燥环境）

2.3 日照的影响

置于黑色塑料袋内的13～15号试管直到实验结束绿色都没有完全褪去，而与之对照的1～3号试管中的叶绿素在1天之内基本褪去（见图1），由此结果我们可以知道光照是促进叶绿素降解的主要原因。

3 结论和展望

本实验通过研究叶绿素在不同温度，湿度和光照下的稳定性，对树叶变黄的原因进行探索。实验的结论是：(1)在同等光照条件下，秋天气温降低并不影响叶绿素的稳定性，而湿度降低才是促进叶绿体降解的主要原因。(2)光照是影响叶绿素降解的最显著的因素，叶绿素对光比较敏感，在黑暗环境中非常稳定。然而，秋天的日照时间短于夏天，那么依据我们的实验结果推测，植物的叶绿素在秋天短日照的环境下稳定性更高，在叶片中保留得更多，植物到秋天应该更绿？如何解释这一看起来荒谬的现象呢？

虽然叶绿素是树叶呈现绿色的主要物质基础，但是对于已经摘除树叶的研究并不能真正反映环境对树叶变黄的影响。因为树叶生长在植株上时，叶绿素在分解的同时也仍然在进行合成，而已摘除树叶不再形成新的叶绿素。因此，随着秋季来临，日照减少，落叶植株会缩减其用于光合同化作用的叶片等器官，在叶片上不再形成新的叶绿素，而是形成脱落酸等促进叶片凋落的信号分子，使植株以较小的代价度过冬季，这是落叶乔木在长期进化中形成的生存策略[5]。

除了叶绿素、类胡萝卜素（叶黄素）以外，有些植物能够把形成花朵颜色的物质也展现在其叶子上。如著名的枫叶，就是叶黄素和花青素的含量比叶绿素高的多，成了反射日光的主要物质，吸收了620nm以下的可见光，因此就展现出鲜艳的红色了。色彩斑斓的大自然，值得我们不懈的探索。

[1]王显军.光和物体的颜色《物理教师》[J].1996年12期.

[2]齐备.光感觉《中国眼镜科技杂志》[J].2007年第09期.

[3]黄持都，胡小松，廖小军等.叶绿素研究进展［J］.中国食品添加剂，2007(3):114～118.

[4]杨晓棠,张昭其,徐兰英等.植物叶绿素的降解[J].植物生理学通讯,2008,44(1):7～12.

[5]热带植物的生存奇招.《生命世界》[J].2009年11月.

2016-07-20)