Το μυστήριο του γιατί τα φύλλα αλλάζουν χρώμα το φθινόπωρο

Αν και η χημεία των φθινοπωρινών χρωμάτων είναι πλήρως κατανοητή, υπάρχει μια συνεχής και ζωντανή συζήτηση μεταξύ των επιστημόνων σχετικά με το γιατί τα δέντρα ανέπτυξαν τα ζωντανά φθινοπωρινά τους χρώματα.

«Σε ένα φθινόπωρο όπως αυτό, έχουμε κάποια φυτά που [αλλάζουν] πολύ νωρίς και γερνούν πολύ γρήγορα επειδή υποφέρουν από ξηρασία», λέει η Αμάντα Γκάλινατ, οικολόγος που μελετά τις αλλαγές στις εποχιακές εκδηλώσεις του φυσικού κόσμου στο Colby College στο Γουέτερβιλ του Μέιν. Όταν κοιτάζει έξω από το παράθυρό της, βλέπει πολλά φύλλα που έχουν ήδη γίνει καφέ.

Στην άλλη πλευρά του Ατλαντικού Ωκεανού, παρόμοιες αλλαγές χρωμάτων συμβαίνουν κάθε φθινόπωρο στο Ηνωμένο Βασίλειο. Εδώ, ωστόσο, υπάρχουν πολύ περισσότερα κίτρινα από κόκκινα, λόγω των κυρίαρχων ειδών των ιθαγενών φυλλοβόλων δέντρων – οξιά, πλατάνι και δρυς. «Στο Ηνωμένο Βασίλειο, τα πιο πολύχρωμα είναι συνήθως εισαγόμενα είδη», λέει ο Ντέιβιντ Γουίλκινσον, εξελικτικός οικολόγος στο Πανεπιστήμιο του Λίνκολν στο Ηνωμένο Βασίλειο. Το σουμάκι, για παράδειγμα, παράγει ένα έντονο κόκκινο χρώμα, αλλά τα είδη αυτών των μικρών δέντρων είναι ιθαγενή στη Μεσόγειο, σε τμήματα της Ασίας και της Βόρειας Αμερικής.

Εν τω μεταξύ, στην Ιαπωνία, οι φλογερές αποχρώσεις του κόκκινου, του μοβ και του κίτρινου του σφενδάμου μεταμορφώνουν το τοπίο και προσελκύουν χιλιάδες τουρίστες. Σε πολλά μέρη του κόσμου, το «leaf peeping» (παρατήρηση των φύλλων) έχει γίνει μια δημοφιλής ατραξιόν, καθώς εκατομμύρια άνθρωποι ταξιδεύουν για να δουν και να φωτογραφίσουν τις θεαματικές εποχιακές αλλαγές στο χρώμα των φύλλων.

Ωστόσο, παρά την τεράστια προσοχή που δέχονται, εξακολουθούμε να μην γνωρίζουμε πραγματικά γιατί τα δέντρα υφίστανται αυτή τη μεταμόρφωση.

Ενώ οι βιολόγοι έχουν σαφή κατανόηση της βιοχημείας που προκαλεί την απώλεια του πράσινου χρώματος από τα φύλλα με την αλλαγή των εποχών, αφήνοντας πίσω τόσο έντονα χρώματα, το τι οδήγησε τα φυλλοβόλα δέντρα να εξελίξουν τα φθινοπωρινά τους χρώματα παραμένει ένα μυστήριο.

Μια ζωηρή ακαδημαϊκή συζήτηση μαίνεται για αυτό το θέμα εδώ και δεκαετίες. Σε άρθρο του το BBC παρουσιάζει κάποιες από τις επικρατέστρες θεωρίες.

Πρώτα, όμως, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τι συμβαίνει στα φύλλα όταν αλλάζουν χρώμα.

Τα φύλλα που κιτρινίζουν ήταν στην πραγματικότητα πάντα κίτρινα – το χρώμα τους προέρχεται από μια σειρά βιοχημικών χρωστικών ουσιών γνωστών ως καροτενοειδή. Αυτά απλώς αποκαλύπτονται όταν η πράσινη χλωροφύλλη στα φύλλα διασπάται και τα θρεπτικά συστατικά απορροφώνται ξανά από τα φυτά, καθώς προετοιμάζονται να αντιμετωπίσουν τις σκληρές καιρικές συνθήκες του χειμώνα.

Τα φύλλα που γίνονται κόκκινα ή μοβ υφίστανται μια ελαφρώς διαφορετική διαδικασία: το χρώμα τους προέρχεται από ένα συνδυασμό απώλειας χλωροφύλλης και παραγωγής ανθοκυανινών, οι οποίες βρίσκονται συνήθως σε πολλά φρούτα και λαχανικά.

Στην εξελικτική βιολογία, ωστόσο, το γεγονός ότι αυτές οι ετήσιες αλλαγές έχουν επιβιώσει σε είδη δέντρων σε όλο τον κόσμο, παρά τις φθορές του χρόνου και της φυσικής επιλογής, υποδηλώνει ότι μπορεί να προσφέρει κάποιο όφελος στα δέντρα. Πράγματι, η γενετική έρευνα έχει δείξει ότι τα δέντρα άρχισαν να παράγουν τις χρωστικές ουσίες που είναι υπεύθυνες για τα φθινοπωρινά χρώματα σχετικά αργά στην εξέλιξή τους – πολύ μετά την έναρξη της επαναπορρόφησης της χλωροφύλλης.

Όλα αυτά περιπλέκονται από το γεγονός ότι ορισμένα είδη δέντρων παράγουν πολλαπλά διαφορετικά χρώματα φύλλων το φθινόπωρο και μερικές φορές περισσότερα από ένα χρώματα εμφανίζονται σε ένα μόνο δέντρο. Ένα πράγμα είναι σίγουρο, ότι μόλις τα φύλλα αλλάξουν χρώμα, θα πέσουν από τα κλαδιά μέσα σε λίγες ημέρες ή εβδομάδες.

Μια κυρίαρχη θεωρία προτείνει ότι το κόκκινο χρώμα των φύλλων μπορεί να έχει εξελιχθεί παράλληλα με τα παράσιτα, λειτουργώντας ως αμυντικό σήμα για την απομάκρυνση των εντόμων.

Μια άλλη από τις κύριες θεωρίες για το γιατί μπορεί να συμβαίνει αυτό είναι η θεωρία της φωτοπροστασίας. Αυτή είναι η ιδέα ότι οι χρωστικές ουσίες λειτουργούν ως ένα είδος αντηλιακού για τα φύλλα κατά τη διάρκεια ενός ευάλωτου σταδίου της μεταμόρφωσης. Οι ανθοκυανίνες είναι ισχυρά αντιοξειδωτικά, τα οποία θεωρείται ότι προστατεύουν τα φύλλα από τη φθορά που προκαλεί η ηλιακή ακτινοβολία καθώς γερνούν, μια διαδικασία γνωστή ως γήρανση. Αυτή η θεωρία φαίνεται να έχει νόημα για διάφορα είδη φυτών, όπως το κόκκινο κλαδί dogwood.

Η θεωρία της φωτοπροστασίας έχει αποκτήσει κάποια αξιοπιστία χάρη σε έρευνα που αποκάλυψε ότι το ηλιακό φως μπορεί να είναι πιο επιβλαβές για τα φύλλα κατά τη διάρκεια του φθινοπώρου στο Βόρειο Ημισφαίριο.

«Η αλλαγή χρώματος είναι πραγματικά ένα φαινόμενο του Βόρειου Ημισφαιρίου», λέει η Σούζαν Ρένερ, εξελικτική βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο Σαιντ Λούις των ΗΠΑ, που είναι συν-συγγραφέας της μελέτης. «Ακόμη και στο Βόρειο Ημισφαίριο, σχετικά λίγα είδη αλλάζουν χρώμα».

Μια ανάλυση 2.368 ειδών φυλλοβόλων δέντρων σε εύκρατες περιοχές του κόσμου διαπίστωσε ότι 290 γίνονται κόκκινα, ενώ 378 γίνονται κίτρινα. Κατέληξε επίσης στο συμπέρασμα ότι τα κόκκινα χρώματατου φθινοπώρου φαίνεται να έχουν εξελιχθεί ανεξάρτητα τουλάχιστον 25 φορές, ενώ τα κίτρινα χρώματα εξελίχθηκαν 28 φορές – ενισχύοντας την ιδέα ότι αυτά τα χρώματα εξυπηρετούν έναν ξεχωριστό και ευεργετικό σκοπό για τα δέντρα.

Η πλειονότητα των ειδών δέντρων με κόκκινα φθινοπωρινά φύλλα βρίσκεται στην ανατολική Βόρεια Αμερική και την Ανατολική Ασία. Σύμφωνα με ορισμένες εκτιμήσεις, τουλάχιστον 89 είδη γίνονται κόκκινα στη Βόρεια Αμερική, ενώ 152 είναι γνωστό ότι γίνονται κόκκινα στην Ανατολική Ασία. Σε σύγκριση, η Βόρεια Ευρώπη έχει μόνο 24 είδη που παράγουν κόκκινα χρώματα.

Θα ήταν εύκολο να υποθέσουμε ότι το μοτίβο εμφάνισης των κόκκινων φύλλων ακολουθεί ίσως απλές διαφορές στη θερμοκρασία. Ωστόσο, ορισμένες έρευνες έχουν δείξει ότι τα επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας είναι υψηλότερα στη Βόρεια Αμερική και την Ανατολική Ασία από ό,τι στην Ευρώπη. Η έρευνα της Ρένερ υποδηλώνει ότι ο συνδυασμός υψηλότερης ακτινοβολίας, απότομων διακυμάνσεων της θερμοκρασίας και συντομότερης περιόδου ανάπτυξης μπορεί να εξηγήσει γιατί τα φθινοπωρινά χρώματα της ανατολικής Βόρειας Αμερικής είναι ιδιαίτερα έντονα. Ουσιαστικά, αυτό δίνει στα δέντρα εκεί περισσότερο χρόνο να απορροφήσουν ξανά τα θρεπτικά συστατικά από τα φύλλα τους πριν πέσουν. Αυτό συμβαίνει επειδή χωρίς τη χλωροφύλλη, το φως μπορεί να προκαλέσει οξειδωτικό στρες στα φύλλα, το οποίο μπορεί να οδηγήσει στο θάνατο των κυττάρων τους.

«Ονομάζεται βλάβη από αντιδραστικό οξυγόνο», λέει η Ρένερ. «Στην ανατολική Βόρεια Αμερική, τον Σεπτέμβριο και τον Οκτώβριο, υπάρχει πολύ φως, και αυτό θα ασκούσε μεγαλύτερη επιλεκτική πίεση για την εφαρμογή αντηλιακού».

Οι ανθοκυανίνες βοηθούν στο να μπλοκάρουν και να διαθλούν αυτό το επιβλαβές ηλιακό φως, προσφέροντας στα δέντρα που τις παράγουν ζωτική προστασία τους τελευταίους μήνες πριν από το χειμώνα. Τα καροτενοειδή στα κίτρινα φύλλα προσφέρουν επίσης αυτό το όφελος, αν και όχι τόσο καλά όσο τα κόκκινα φύλλα.

Ωστόσο, η ιδέα αυτή εξακολουθεί να αμφισβητείται. «Δεν υπάρχει καμία μελέτη φωτοπροστασίας που να δείχνει την απάντηση με σαφήνεια», λέει ο Γουίλκινσον. «Η κατανόησή μας βασίζεται αντίθετα σε πολλαπλές μελέτες που τείνουν να υποδηλώνουν το ίδιο πράγμα».

Μια μελέτη του 2004 υποδηλώνει επίσης ότι ένα δέντρο μπορεί να παράγει περισσότερες ανθοκυανίνες σε χαμηλότερες θερμοκρασίες ή κατά τη διάρκεια περιόδων με συχνότερες κρύες περιόδους κατά τη διάρκεια της φθινοπωρινής γήρανσης. Αυτό φαίνεται να υποδηλώνει ότι οι ανθοκυανίνες παίζουν επίσης ρόλο στην προσταία των φύλλων από το κρύο και τον παγετό.

Συγκριτικά, η θεωρία της συν-εξέλιξης των εντόμων υποδηλώνει ότι τα δέντρα έχουν εξελιχθεί ώστε να αλλάζουν το χρώμα των φύλλων τους ως προειδοποίηση προς τα φυλλοφάγα έντομα, όπως οι αφίδες.

Οι αφίδες είναι καταστροφικά πλάσματα και μια προσβολή από αυτές μπορεί να προκαλέσει σημαντική ζημιά σε ένα δέντρο, οπότε η ιδέα ότι χρησιμοποιεί το χρώμα για να απομακρύνει αυτά τα έντομα φαίνεται εύλογη. Ωστόσο, αρκετές ακαδημαϊκές εργασίες κατά τη διάρκεια των ετών έχουν αμφισβητήσει αυτή τη θεωρία.

Ένα σημαντικό κενό στην επιχειρηματολογία είναι το πώς οι αφίδες βλέπουν και αντιδρούν στο χρώμα. Οι αφίδες, μαζί με άλλα έντομα που τρέφονται με φύλλα, όπως οι ακρίδες και οι κάμπιες, δεν διαθέτουν υποδοχείς στα μάτια τους που τους επιτρέπουν να αντιλαμβάνονται το κόκκινο χρώμα όπως οι άνθρωποι. Για αυτά, το κόκκινο φαίνεται θαμπό, γκρι ή ακόμα και μαύρο.

Κάποιοι έχουν προτείνει ότι οι αφίδες μπορεί να αποφεύγουν τα κόκκινα φύλλα απλώς και μόνο επειδή φαίνονται νεκρά ή πεθαμένα και, ως εκ τούτου, αποτελούν κακή πηγή τροφής ή μέρος για να γεννήσουν τα αυγά τους. Οι ειδικοί αναφέρονται σε αυτό ως τη θεωρία του καμουφλάζ.

Το κίτρινο έχει επίσης αποδειχθεί ότι είναι ένα ισχυρό ελκυστικό για έντομα όπως οι αφίδες – ενεργοποιεί τους ίδιους υποδοχείς στα μάτια τους που βλέπουν το πράσινο. Είναι ενδιαφέρον ότι ο Γουίλιαμ Ντόναλντ Χάμιλτον, ο επιστήμονας που δημοσίευσε μεταθανάτια την αρχική εργασία για τη θεωρία της συν-εξέλιξης, διαπίστωσε ότι η μεγαλύτερη κιτρινίλα των φύλλων συσχετιζόταν θετικά με την αυξημένη αποίκιση αφίδων.

Λαμβάνοντας όλα αυτά υπόψη, η Ρένερ δεν πιστεύει ότι η θεωρία της συν-εξέλιξης στέκει. Η Γκάλινατ, ωστόσο, δεν είναι τόσο σίγουρη. «Μερικά από τα ευρήματα που υποστηρίζουν αυτή την υπόθεση, νομίζω, είναι ακόμα αρκετά λογικά».

Ο Γουίλκινσον υποστηρίζει ότι και οι δύο θεωρίες θα μπορούσαν να είναι βιώσιμες. «Δεν υπάρχει καλός λόγος να πιστεύουμε ότι πρέπει να είναι φωτοπροστασία ή σηματοδότηση. Είναι πιθανό να εμπλέκονται και τα δύο».

Πηγή: bbc.com