華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué) 何琪

環(huán)境對(duì)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(huì)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(duì)葉子顏色變化的影響的程度，我們?cè)O(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)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Ｎ覀冄矍澳軌虺霈F(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(huì)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(huì)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(huì)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(duì)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(shí)，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(shí)間減少，在通常情況下天氣也變得干燥。是否因?yàn)檫@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(duì)葉子顏色變化的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)，用來研究溫度、濕度、光照對(duì)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(duì)樹葉顏色的影響，我們只選取了落葉植物的樹葉用于實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(shí)驗(yàn)信號(hào)，需要使用溶劑將葉綠素提取出來用于實(shí)驗(yàn)。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(duì)不同的試管進(jìn)行編號(hào)、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(jì)對(duì)葉綠素含量進(jìn)行精確測量[4]。本實(shí)驗(yàn)采用每天定時(shí)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(hào)的試管分2組將其分別置于室溫約20℃環(huán)境（1～3號(hào)）和低溫4℃環(huán)境（4～6號(hào)）中，觀察綠色褪去的時(shí)間，比較溫度對(duì)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(hào)的試管分為2組將其分別置于潮濕環(huán)境（7～9號(hào)）和干燥環(huán)境（10～12號(hào)）中，觀察綠色褪去的時(shí)間，比較濕度對(duì)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(shí)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(hào)的試管將其用黑色塑料袋包裹置于黑暗環(huán)境（13～15號(hào)）中，與置于常溫光照環(huán)境下的1～3號(hào)試管比較綠色褪去的時(shí)間，研究光照對(duì)葉綠素穩(wěn)定性的影響。

表1 實(shí)驗(yàn)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(hào)常溫試管中綠色褪去的時(shí)間與4～6號(hào)低溫試管中綠色褪去的時(shí)間并沒有明顯的差異。葉綠素在低溫情況下不會(huì)比常溫分解得更快，根據(jù)此結(jié)果我們推測秋季相對(duì)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(duì)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(hào)放在加濕器出風(fēng)口附近的試管中綠色褪去的時(shí)間明顯比10～12號(hào)試管中綠色褪去的時(shí)間要延長。實(shí)驗(yàn)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(huì)對(duì)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(duì)應(yīng)夏季干燥的空氣會(huì)極大促進(jìn)葉綠素的降解，引起葉片變黃。

圖2 濕度對(duì)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(hào)試管直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束綠色都沒有完全褪去，而與之對(duì)照的1～3號(hào)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(shí)驗(yàn)通過研究葉綠素在不同溫度，濕度和光照下的穩(wěn)定性，對(duì)樹葉變黃的原因進(jìn)行探索。實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)間短于夏天，那么依據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)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(duì)于已經(jīng)摘除樹葉的研究并不能真正反映環(huán)境對(duì)樹葉變黃的影響。因?yàn)闃淙~生長在植株上時(shí)，葉綠素在分解的同時(shí)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(huì)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(hào)分子，使植株以較小的代價(jià)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)