Po co drzewa liściaste gubią liście, skąd się biorą ich piękne kolory, od czego zależą, co wreszcie dzieje się z zielonym barwnikiem? Na te i inne pytania odpowiadają RMF FM dr hab. Dariusz Latowski i mgr. Paweł Jedynak z Zakładu Fizjologii i Biochemii Roślin Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Grzegorz Jasiński, RMF FM: Panie doktorze, przychodzi jesień, liście zmieniają kolory, opadają, natychmiast pojawia się pytanie, dlaczego one to robią, przecież nie po to, by było ładniej. To i ja zapytam, dlaczego drzewa zadają sobie taki trud?
Dr hab. Dariusz Latowski: Rzeczywiście masowo to obserwujemy - zwłaszcza u tych drzew, których liście nie są w stanie przetrzymać tego okresu zimy i w związku z sezonowymi zmianami klimatycznymi są skazane na zagładę. Dobrze, by sama roślina w takim razie skorzystała na tym, co te liście przez cały sezon wegetacyjny w sobie zgromadziły. Z jednej strony więc liście skazane są na to, by się zestarzeć i zginąć, z drugiej strony roślina stara się jak najwięcej tego, co w konstrukcje tych liści włożyła, odzyskać. To co widzimy, to fakt, że te liście starzeją się pięknie, wzbudzają zachwyt. To, że liście przebarwiają się na rożne kolory, żółty, pomarańczowy, czerwony, brązowy, ma dwie przyczyny. Z jednej strony to wynik tego, że w związku z obniżeniem temperatury, a przede wszystkim skróceniem dni, skróceniem okresu, kiedy jest światło, zielony barwnik przestaje być potrzebny, a nawet staje się niebezpieczny. Ten barwnik odpowiada za wykorzystanie energii świetlnej, później - razem z całym aparatem enzymatycznym liścia - za jej przekształcenie w energię wiązań chemicznych, produkcję cukrów, później białek, tłuszczów. Niska temperatura powoduje, że te procesy które odbierają od barwnika energię świetlną są spowolnione, więc on staje się jakby fotouczulaczem. To znaczy, generuje powstawanie związków, tak zwanych wolnych rodników, których nadmiar powoduje, że proces starzenia nie przebiega spokojnie i bezpiecznie, a zgromadzone zapasy mogą ulec zniszczeniu.
Ten barwnik to chlorofil...
Tak, a dokładnie chlorofile, bo jest ich wiele rodzajów, a w przypadku tych roślin, o których mówimy, w przypadku drzew, występują dwa, chlorofil a i chlorofil b. Ten chlorofil rozkłada się w pierwszej kolejności i wtedy odsłania inne barwniki, które w tych liściach były przez cały czas, czyli głównie karotenoidy, dające żółte zabarwienie. Gdy liść jest jeszcze zielony, te barwniki mają dwie funkcje. Po pierwsze nieco pomagają w dostarczaniu światłą, zwłaszcza, gdy oświetlenie jest słabe, są pochmurne dni. Druga ich funkcja, zdecydowanie ważniejsza, to funkcja ochronna. Gdy tego światła jest za dużo, one pomagają rozproszyć nadmiar energii tak, by struktura liścia, także ta struktura biochemiczna, nie została naruszona...
Jak rozumiem, to, że te barwniki pozostają widoczne, nadają liściom piękne barwy wiąże się z tym, że one nie ulegają rozkładowi...
One nie ulegają rozkładowi, bo w tej postaci same wciąż są roślinie potrzebne. W momencie, gdy liść się starzeje, cały ten proces wciąż generuje bardzo silny stres oksydacyjny, pojawia się wiele tych wolnych rodników, związków utleniających, powodujących niekontrolowaną destrukcję. Karotenoidy przed tym chronią, co również my i zwierzęta wykorzystujemy. Musimy dostarczać je w swojej diecie, dzięki nim miedzy innymi lepiej widzimy. Popularny żółty barwnik, nadający liściom żółty kolor to przecież w głównej mierze luteina potrzebna do stabilizacji, zapobiegania degradacji tak zwanej plamki żółtej w siatkówce oka.
Jakie zjawiska uruchamiają te procesy: zmiana temperatury, długości dnia, nasłonecznienia? Co jest najważniejsze?
To jest dość trudne pytanie, na które nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Sama problematyka rozkładu chlorofili jest wciąż słabo poznana. W zasadzie tylko pierwsze etapy są znane. Wiadomo, że biorą w tym udział trzy enzymy, w cały ten proces na poziomie molekularnym zaangażowane są też hormony roślinne, które regulują tempo starzenia się, jedne przyspieszają, inne zwalniają. Na pewno też na proces przebarwiania ma wpływ zasobność gleb. Mówiliśmy już o tym, że ten proces starzenia ma być kontrolowany i ma służyć odzyskiwaniu materiału, materiału odżywczego, organicznego, który jest w liściach, ale także - co jest bardzo ważne - materiału mineralnego, makro i mikroelementów. Szczególnie chodzi o bardzo cenny pierwiastek, jakim jest azot. Jego zdobycie wiąże się bowiem z bardzo dużym wydatkiem energetycznym. A chlorofil na jedną cząsteczkę ma aż 4 atomy azotu. Wcześniejsze badania pokazywały, że ten azot nie jest odzyskiwany, nowsze wskazują, że chyba jednak tak. Są to na pewno procesy wielopoziomowe. Lepiej znamy procesy syntezy chlorofilu, niż jego rozkładu.
Mówi pan o tym, ze roślina stara się odzyskać, wycofać z tych liści pewne, nazwijmy to, lokaty. Jak to się fizycznie odbywa? Płyny, które są w liściach są w jakiś sposób wycofywane?
Myślę, że to jest dobre określenie. Możemy mówić o lokatach. W rozwoju liścia wyróżniamy takie trzy fazy. Pierwsza, na wiosnę, to faza kiedy liście zaczynają się pojawiać, są bardzo uzależnione od drzewa, od łodyg, gałęzi. Muszą otrzymywać od rośliny związki organiczne i mineralne. Potem następuje druga faza, kiedy liść jest się w stanie sam utrzymać, pobiera światło, pobiera dwutlenek węgla, buduje cukry i inne związki, na swoje potrzeby i na potrzeby rośliny. Wreszcie dochodzi do trzeciej fazy, którą teraz obserwujemy, do fazy odzyskiwania tych lokat przez roślinę. Faktycznie też, to oddawanie lokat polega na stopniowym wycofywaniu składników, nie wszystkich oczywiście. Karotenoidy są na tyle ważne dla ochrony, że zostają i liście odpadają z nimi. Te związki, które roślina pozyskuje z liścia, muszą wcześniej w tym liściu zostać rozłożone. To starzenie się, prócz tego, że jest procesem pięknym, jest też procesem bardzo dynamicznym. Można zresztą powiedzieć, że biochemicznie proces ten starzenia w naszym rozumieniu w ogóle nie przypomina. Zachodzą tam intensywne reakcje, choć ich cel jest już różny, niż wtedy, kiedy ten liść się tworzył i potem przez wiosnę i lato funkcjonował...
Kiedy śnieg spadnie za wcześnie, a drzewa jeszcze maja liście, często się łamią. Czy gubienie liści może mieć na celu także unikanie takich zniszczeń?
Myślę, że jest to także jedna z takich cech przystosowawczych, bo każde uszkodzenie może tworzyć nowe wrota zakażenia dla rośliny.
O tej porze roku często zapominamy o drzewach iglastych, bo one wydają się teraz mniej ciekawe. Przynajmniej krótko jednak powiedzmy, dlaczego one mogą zrezygnować i rezygnują z tego procesu odzyskiwania materiału z igieł.
Po pierwsze aparat enzymatyczny jest u drzew iglastych nieco inny. Po drugie mamy trochę inny mechanizm regulacji światłem zarówno enzymatycznego, jak i genetycznego aparatu. Igły jednak też się starzeją tylko - poza modrzewiem - tego tak wyraźnie nie widać. Ważne są też takie składniki jak terpenoidy, żywica, i liście drzew iglastych jednak pachną inaczej. To dowód, że skład jest trochę inny. W przetrwaniu zimy i obciążenia śniegiem pomaga także inna struktura liści.
Od czego zależy kolor? Mówiliśmy o barwnikach, zapewne ich proporcje zależą od gatunku drzew, ale to nie jest do końca tak, że to samo drzewo za każdym razem dokładnie tak samo się przebarwia. Jakie inne procesy mają tu znaczenie?
Znów trzeba się skupić na etapie przystosowawczym, bo nawet drzewa tego samego gatunku charakteryzują się nieco innymi genami. Wiemy na przykład o tym, że lasy liściaste w Kanadzie są jesienią bardziej czerwone, nasze są bardziej żółte. To może być sposób przystosowania się do jakiegoś czynnika. Jakiego dokładnie i czy tylko jednego, nie jest to do końca jasne. Być może ma na to wpływ skład gleb. Przypuszczam, że tak. Jest też taka koncepcja, że drzewa, których liście przebarwiają się na kolor czerwony unikają ataku pasożytów, takich jak na przykład mszyce, które w korze tych drzew zimują i na wiosnę mogłyby spowodować tragiczny dla rośliny w skutkach atak. Nie chodzi tu tylko o czerpanie substancji odżywczych, głównie cukrów, ale też nakłuwanie liści i przenoszenie różnych rodzajów chorób.
Ten czerwony kolor je odstrasza?
W przypadku mszyc przypuszcza się, że ta barwa może nie tyle je odstrasza, ile ponieważ mszyce najprawdopodobniej czerwieni nie widzą. to sprawia, że drzewo staje się dla nich niewidoczne. Ale można też mówić o wykorzystywaniu barwy, jako swego rodzaju języka porozumiewania się ze zwierzętami, czy również człowiekiem. My także wybieramy dojrzałe czerwone jabłka, czy dojrzałe żółte banany. To jest dla nas, ale też dla zwierząt, jasna informacja. I w tym systemie porozumiewania się roślin i zwierząt zasadniczo uważa się, że czerwień jest kolorem odstraszającym. Nie jest też wykluczone, że czerwone barwniki, które mają nieco inną naturę, są to raczej antocjany, flawonoidy, wskazują, że mają gorzki smak. Choć są zdrowe, to nie wszyscy z nas takie warzywa, owoce lubią. Choćby czerwoną kapustę. Ten czynnik smakowy może też odgrywać pewną rolę.
Grzegorz Jasiński: Kiedy patrzymy na kolor liści kwiatów przez cały rok, ale liści szczególnie jesienią, to powinniśmy znać nazwy barwników, które decydują o tym, że one tak wyglądają. O jakich barwnikach tutaj możemy mówić w takim razie? Zacznijmy od żółtego koloru.
Paweł Jedynak: Żółty kolor to zazwyczaj karotenoidy. Bardzo piękne barwniki, one nadają wszystkie te fantastyczne, jaskrawe żółcie wszystkim liściom, ale również kwiatom. Właśnie o tej porze roku kwitnie wiele roślin, które również pyszni się tymi właśnie barwnikami. To są nawłocie, to jest wrotycz, to są różnego rodzaju dzikie słoneczniki, które teraz na swoich bardzo długich pędach prezentują swoje okazałe, piękne kwiaty.
Jeżeli przejdziemy do takich barw bardziej brązowych, ale jeszcze nie będących dowodem, że liść zgnił, tylko po prostu ma taki kolor, to wtedy wchodzimy w jakie barwniki?
Trudno mówić, żeby to były specyficznie barwniki. Naukowcy nie klasyfikują ich bezpośrednio w taki sposób, ale rzeczywiście mają one brązową barwę. To są związki polifenolowe, z reguły bardzo takie skomplikowane. Składają się z takich malutkich cząsteczek, które układają się w ogromne struktury, łącząc się ze sobą i im bardziej rozbudowane są te struktury, tym barwa tych liści jest ciemniejsza, bardziej brązowa. One właśnie są dobrze widoczne, kiedy liście już całkowicie wyschną, ale co ciekawe te same barwniki nadają barwę nasionom. Wiele nasion jest takich właśnie charakterystycznych, brązowych, to właśnie dzięki tego rodzaju związkom.
I przechodzimy do kolejnego koloru, do kolejnej barwy - czerwonej.
To jest w ogóle wspaniała historia, kiedy np. podczas spaceru po parku zobaczymy klony, one przeważnie w naszej strefie klimatycznej, w Europie, są złote. Ale czasami zdarza się, że przybierają bardzo intensywną czerwoną barwę dzięki antocyjanom, ale te antocyjany są tam produkowane w bardzo szczególnych sytuacjach, wtedy kiedy noce stają się bardzo zimne, kiedy mamy do czynienia z przymrozkami, a zatem nie zawsze klony będą pyszniły się czerwoną barwą.
Im sprzyja gwałtowne załamanie pogody.
Dokładnie. Natomiast wiele roślin produkuje je, zwłaszcza wiele roślin z innych obszarów, np. z Azji, gdzie uważa się, że występują najbardziej jaskrawe, czerwone kolory liści i są one podziwiane przez niektórych również. I takie odmiany są sadzone w naszych ogrodach właśnie po to, żebyśmy mogli podziwiać ich spektakularne kolory.
Istotny barwnik dla procesu, o którym mówimy ma barwę niebieską. My go tak bardzo wyraźnie nie widzimy, liści czysto niebieskich nie widzimy, natomiast on może brać udział przy takich przebarwieniach na fioletowo.
Rzeczywiście, to jest bardzo charakterystyczna cecha antocyjanów, że one zmieniają swoją barwę pod wpływem pH, w związku z tym, może nas zadziwić widok liści różowych, ale i również liści fioletowych i to dalej będą antocyjany. Możemy taką fioletową barwę dostrzec np. kiedy będziemy obserwować żywopłoty. Ligustr bardzo często przebarwia się na fioletowo wtedy, kiedy jest zimno. Jego liście wyglądają dosłownie jak liście czerwonej kapusty. Natomiast rośliny zielne bardzo często przybierają taką intensywnie różową barwę, dosłownie jak cukierki.
