Почему листья желтеют осенью, хотя жёлтый был в них всё лето

В начале октября на подоконнике лаборатории, где я работаю, появляются три стаканчика с полосками бумаги. В каждом на дне немного спирта, и по бумаге медленно ползут вверх цветные полосы из растёртого листа: тёмно-зелёная, жёлто-зелёная, жёлтая. Так я развлекаюсь со студенческих лет, и примерно в те же дни коллеги начинают спрашивать, почему листья желтеют осенью и отчего липы вдоль дороги жёлтые, а рябина у проходной красная.

Короткий ответ как раз на этих полосках. Жёлтые пигменты, каротиноиды, были в листе всё лето, их перекрывал зелёный хлорофилл, которого намного больше. Осенью дерево разбирает хлорофилл и забирает из листа всё ценное, прежде всего азот. Жёлтое при этом остаётся и проступает. С красным иначе: летом его в листе почти нет, дерево делает его заново в последние недели перед листопадом и только на свету.

Остальное бумага не покажет: почему одна осень выходит яркой, а другая бурой, зачем дереву вообще сбрасывать листья и почему ель в этом не участвует.

Жёлтый всё лето лежал под зелёным

Хлорофилл — рабочая лошадь листа: он ловит свет, и на этой энергии из воды и углекислого газа собирается сахар. Каротиноиды работают рядом с ним: помогают собирать свет и гасят его избыток, чтобы он не повредил клетку. Их меньше, и летом жёлтое и оранжевое под зелёным не разглядеть. На моей полоске то же самое: пятно растёртого листа на старте зелёное целиком, и жёлтая полоса появляется, только когда пигменты разбегутся по бумаге.

К тому же хлорофилл недолговечен. На свету он всё время разрушается, и лист всё лето собирает его заново. Когда ночи становятся длиннее, сборку останавливают, и дальше хлорофилл только разбирают. Дело не в экономии краски. В хлоропластах, где он сидит, много белков, а в белках азот, которого деревьям вечно не хватает. Белки расщепляют, азот и фосфор уходят по черешку в ветки и корни, где пролежат до весны. Сам хлорофилл разбирают на бесцветные части: высвобожденный из белков, он на свету опасен для клетки.

Каротиноиды разрушаются медленнее, поэтому на неделю-другую лист становится жёлтым. Потом уходят и они, а отмирающие клетки буреют, в них окисляются дубильные и другие вещества. У дуба дубильных веществ много, и его листья часто проскакивают жёлтую стадию почти сразу в коричневую.

Почему листья краснеют осенью

Красный и фиолетовый цвет дают антоцианы, те же пигменты, что окрашивают вишню, чернику и краснокочанную капусту. Появляются они в листе, когда хлорофилл разобран примерно наполовину. Странная трата: дерево вкладывается в лист, который через пару недель сбросит. Зачем, до конца не ясно. Самая распространённая версия солнцезащитная. Пока лист разбирает себя и отправляет азот в ветки, яркий свет, особенно в холод, легко повреждает его клетки, и красный слой работает как фильтр. Есть версия о сигнале: яркая листва будто бы сообщает тле, которая осенью ищет дерево для зимовки яиц, что у дерева хватит сил защищаться. Проверить её трудно, так что для меня это любопытная гипотеза, не больше.

Сырьё для антоцианов — сахар, а делаются они на свету. Поэтому на одном и том же дереве красного больше снаружи кроны, с солнечной стороны, а листья в глубине, в тени, часто так и остаются жёлтыми. В ясный день это видно на любой рябине.

Кто краснеет, а кто желтеет, решают прежде всего гены. Берёза, липа, тополь, ясенелистный клён желтеют. Рябина, черёмуха, бересклет, нередко осина уходят в оранжевый, красный, багровый. У остролистного клёна бывает по-разному, и два дерева в одном сквере могут из года в год окрашиваться каждое по-своему.

Почему одна осень яркая, а другая бурая

Палитру задаёт дерево, яркость — погода. Больше всего красного бывает, когда дни сухие и солнечные, а ночи холодные, но без сильных заморозков. Днём лист делает сахар, ночью холод замедляет его отток по черешку, сахара в листе копится больше, и на свету из него получается больше антоцианов. Тёплая пасмурная осень с дождями даёт жёлтую листву с бурыми пятнами и мало красного.

Ранний сильный мороз портит всё сразу: клетки гибнут раньше, чем дерево успевает разобрать хлорофилл и сделать красный, и листья буреют или облетают почти зелёными. Летняя засуха действует иначе. Дерево, которому не хватает воды, начинает сбрасывать листья ещё в августе, и до октября многие из них просто не доживают.

В городе к погоде прибавляются фонари. Об осени дерево узнаёт не столько по холоду, сколько по длине ночи, примерно так же, как наши внутренние часы осенью сверяются со светом. Ветки под фонарём, который горит всю ночь, получают день длиннее, чем он есть, и деревья у фонарей, как замечали в разных городах, держат зелёные листья дольше соседних, иногда на недели. Пользы дереву от этого мало: если такой лист убьёт мороз, азот из него вернуть уже не успеют.

Почему листья опадают

Широкий лист испаряет много воды. Летом это нужно, ток воды от корней несёт вверх растворённые вещества. Зимой вода в земле замёрзшая, корням её не взять. Испарение же с листьев продолжалось бы, и к весне дерево бы засохло. Есть и вторая причина: на широких листьях держится снег, и ранний мокрый снегопад, пока листва не облетела, ломает ветки сильнее, чем любой снег на голых.

Так что лист, строго говоря, отпускает само дерево, а ветер только ставит точку. У основания черешка заранее закладывается отделительный слой — полоска мелких клеток, стенки которых к нужному времени размягчаются ферментами. Лист держится уже только на проводящих пучках, и его снимает первый ветер. Под этим слоем дерево наращивает пробку, так что ранка закрывается почти сразу. На ветке остаётся листовой рубец с точками на месте сосудов. Его хорошо видно в лупу.

Сигнал к листопаду дерево тоже получает от длины ночи, а холод и засуха его подгоняют. Ольха у реки — заметное исключение: её листья часто опадают зелёными. Обычно это объясняют тем, что на её корнях в клубеньках живут бактерии, которые связывают азот прямо из воздуха. Азот достаётся ольхе легче, чем соседям, разбирать ради него лист незачем, и она держит его зелёным, пока может.

Почему хвоя не желтеет, а лиственница желтеет

Сосна и ель тоже теряют хвою, только не всю сразу. Хвоинка сосны в средней полосе живёт два-три года, ели — пять-семь лет и дольше. Осенью внутри кроны сосны желтеет и осыпается самая старая хвоя, и на тропинке под соснами появляется рыжий слой иголок. Снаружи крона остаётся зелёной, потому что молодой хвои больше.

Зимовать хвоинке помогает её устройство. Она узкая, с маленькой площадью, покрыта толстым восковым слоем, а устьица, через которые уходит вода, у неё утоплены в углубления. Воды она теряет мало, а сахара в её клетках работают как антифриз. Строить такой лист дороже, зато служит он несколько лет, и там, где лето короткое, а почва бедная, это окупается.

Лиственница из этого правила выпадает. Она хвойная, но к зиме желтеет целиком и сбрасывает всю хвою, отсюда и название. В октябре её легко узнать: жёлтая хвойная крона над уже облетевшими берёзами.

Как увидеть пигменты самому

Опыт с подоконника повторяется на кухне за час. Нужны фильтр для кофе, монета, стакан и аптечный спирт или жидкость для снятия лака с ацетоном. Растворитель горит, так что подальше от плиты и с открытой форточкой.

На полоске от зелёного листа над зелёной частью появится жёлтая, у жёлтого листа зелёного почти не останется. Красный пигмент проще увидеть в воде: порвите несколько красных листьев, залейте горячей водой и оставьте на час. У одних листьев вода выходит розоватой, у других бурой, потому что вместе с антоцианами выходят дубильные вещества. Если получилась розовая, капните уксуса: в кислой среде антоцианы краснеют. Щепотка соды уводит цвет в синеву и зелень, как у отвара краснокочанной капусты.

Последнюю полоску за сезон я обычно делаю в ноябре, из листа, подобранного на мокром асфальте у проходной. На ней нет уже ни зелёного, ни жёлтого, только бурое пятно на старте, которое никуда не ползёт. Всё, что дерево могло забрать, оно забрало ещё в октябре.