כימיה, פיזיקה וביולוגיה משלבים כוחות כדי להעניק לנו את הצבעים הססגוניים של הסתיו

עם סוף הקיץ הטבע מכריז על טרנד אופנתי חדש – הצבע הפופולרי מתחלף מירוק לשלל גוונים סתוויים של צהוב ואדום. שעות האור המתקצרות והירידה ההדרגתית בטמפרטורות מאותתות לעצים רבים לציית לצו האופנה ולהחליף את צבע העלים שלהם בהתאם. המראה המרהיב ביופיו מבשר על שינוי חד בחיי העצים, שמתכוננים לתרדמה ממושכת במהלך החורף עם ניצול אנרגיה מזערי. המנצחים של סימפוניית הצבעים הזו הם שלל חומרים כימיים שממלאים תפקיד חשוב במהפך שעוברים העצים בין העונות.

הצבע שמשתקף אלינו מכל חומר סביבנו נוצר מבליעה של חלק מגלי האור ברגע פגיעתם בחומר והחזרה ופיזור של גלי אור אחרים, שאותם אנו קולטים בעינינו. גלי אור מגיעים במגוון אורכים ותדירויות ורק את מיעוטם – אלה שאורכם בין 400 ל-700 ננומטר – מוחנו מפרש כצבע. אלו יוצרים את ספקטרום הגוונים המוכר לנו, החל בגוונים כחולים שאורך הגל שלהם קצר וכלה בגוונים האדומים ארוכי הגל.

חומרים מסוגלים להעביר, לבלוע, להחזיר ולפזר אור (ולעיתים גם לפלוט אור), בהתאם למבנה וההרכב הכימי שלהם ולאנרגיה של האלקטרונים בו. לדוגמה מבנה מולקולות החנקן והחמצן שבאוויר מאפשר להן לפזר בקלות אורכי גל קצרים ולכן השמיים נראים לנו כחולים.

הצבע של הפחמן

רוב מולקולות הצבע הטבעיות, שנקראות גם צִבְעָנִים (פיגמנטים), מכילות בעיקר אטומי פחמן הקשורים זה לזה במבנה שמכונה "מערכת מצומדת". אטומי פחמן מסוגלים ליצור ביניהם יותר מקשר אחד בלבד ובמערכת מצומדת הם קשורים זה לזה בקשרים יחידים וכפולים לסירוגין. התכונה המבנית הזו מאפשרת לאלקטרונים במולקולה לבלוע ולפזר גלי אור בתחום הנראה וכך מקנה לצבענים את צבעם החזק. אורכי הגל המדויקים שצִבְעָן יבלע או יפזר תלויים בגודל המולקולה וכן באטומים הנוספים (שאינם פחמן) המרכיבים אותה ויכולים להשפיע על אופיה.

בצמחים מקור הצבע הירוק של העלים הוא במולקולות כלורופיל שקיימות בריכוז גבוה באברונים ייחודיים המכונים כלורופלסטים. הכלורופיל ממלא תפקיד מרכזי בתהליך הפוטוסינתזה: הוא משמש  כאנטנה שקולטת את אנרגיית השמש ומאפשרת לצמח להמיר פחמן דו-חמצני ומים לסוכר.

לכלורופיל מבנה טבעתי מצומד שבמרכזו אטום מגנזיום המאפשר בליעה של גלים בתחום הכחול והאדום ולנצל אותם למען הפוטוסינתזה. לעומת זאת, את גלי האור בתחום הירוק הכלורופיל מפזר וכך הוא מקנה לעלים את צבעם. בשל האנרגיה הרבה שהכלורופיל קולט, הוא אינו יציב במיוחד וצמחים נדרשים לפרק ולייצר אותו מחדש ללא הרף, בתהליך שדורש אור רב וטמפרטורה גבוהה יחסית.

המעבר מהקיץ לחורף כרוך בירידה בכמות האנרגיה הזמינה לעצים עם התקצרות שעות האור, והירידה בטמפרטורות פוגעת בייצור הכלורופיל. האותות מהסביבה מעוררים בעצים תגובה הורמונלית שמורה להם להפסיק להעביר חומרי מזון לעלים, שכבר לא מקבלים את האנרגיה הדרושה להם מהשמש. בעקבות זאת הכלורופיל מתפרק לאיטו והצבע הירוק נעלם מהעלים ומתחלף בגוונים הצהבהבים האופייניים לתקופת השלכת.

במקום הירוק אנו רואים את הצבעים של הפיגמנטים האחראים על צהוב, כתום ואדום | עצים בשלכת | צילום: Shutterstock
במקום הירוק אנו רואים את הצבעים של הפיגמנטים האחראים על צהוב, כתום ואדום | עצים בשלכת | צילום: Shutterstock

צהוב כמו חלמון

החומרים האחראים על הצבע הצהוב שייכים למשפחת הקרוטנואידים, שיש בתוכם מולקולות המכונות קסנתופילים. אלו צבענים שקיימים בעלים תמיד, אך בקיץ צבעם נעלם מאחורי שפע הכלורופיל הירוק.

לעומת הכלורופיל, שהוא מולקולה טבעתית, קסנתופילים מורכבים משרשרות ארוכות של אטומי פחמן מצומדים שמאפשרים להם להחזיר גלי אור בתחום הצהוב והאדום וכך להיראות צהבהבים-כתומים. משפחת החומרים הזאת נפוצה מאוד בטבע ובין השאר אחראית לצבע הכתום של הגזר, לצבע הצהוב של חלמון הביצה ולגוון האדום של קליפת העגבנייה.

גם הקרוטנואידים שותפים לתהליך הפוטוסנתזה של הצמחים, אך בניגוד לכלורופיל הם קולטים רק מעט אנרגיה לייצור סוכר. הסברה הרווחת היא שקרוטנואידים משמשים בעיקר להגנה מפני גלי אור שאינם תורמים לפוטוסינתזה ועלולים להרוס את התהליך כולו על ידי הצפתו באנרגיה רבה מדי. גלי האור הללו נבלעים בקרוטנואידים והאנרגיה שלהם משוחררת לסביבה בצורת חום.

למעשה, גם הקרוטנואידים מתפרקים יחד עם הכלורופיל בעלי השלכת, אך קצב ההתפרקות שלהם הרבה יותר איטי ולכן אנו רואים את צבעם הצהוב לאורך זמן.

המפתח לשינוי הצבע הוא שינוי הטמפרטורה, המפחית את האנרגיה הזמינה ומאותת לעצים שהגיע הסתיו. שלכת | צילום: Shutterstock
המפתח לשינוי הצבע הוא שינוי הטמפרטורה, המפחית את האנרגיה הזמינה ומאותת לעצים שהגיע הסתיו. שלכת | צילום: Shutterstock

אדום כמו תותים

עצים מסוימים אינם עוצרים בצהוב אלא ממשיכים להחליף את צבע עליהם לאדום עז. מקור הצבע הזה אינו בצבענים שהיו קיימים בעלים לפני כן אלא בחומרים חדשים שהעץ מייצר לקראת השלכת. הצבענים האלה שייכים למשפחת חומרים שמכונה אנתוציאנינים. המבנה הכימי שלהם מתאפיין לרוב בכמה טבעות פחמניות שמצומדות זו לזו עם הרכב גבוה יחסית של אטומי חמצן. המבנה הזה מאפשר לעלים לפזר אור בתחום האדום והכחול ומשווה להם גוון אדום-סגול. אנתוציאנינים הם אלה שמקנים את הגוון האדום האופייני לתפוחים, תותים, ענבים ופרחים מסוימים.

כמה השערות הועלו בנוגע לתפקיד הביולוגי של האנתוציאנינים, למשל הגנה על הצמח מקרינה על-סגולה מזיקה. ייצור האנתוציאנינים בעצים עולה ככל שעוצמת האור עולה, כך שבימים קרים אך מלאי שמש הגוון האדום של עצים נשירים יתעצם. בנוסף, ידוע שהם חומרים נוגדי חמצון שמגינים על רקמות העץ מפני נזקי רדיקלים חופשיים של חמצן שעלולים להיווצר בתהליך ההתנוונות של העלים.

יש חוקרים שסבורים כי המטרה של צביעת העלים באדום היא דווקא דחיית מזיקים. נמצא כי כנימות שאוכלות צמחים נמשכות לגוונים צהובים אך אינן מסוגלות להבחין באדום, ומכאן שייתכן שצמחים מייצרים את הצבענים האדומים כדי למסך את אלו הצהובים שמופיעים עם היעלמות הכלורופיל וכך להגן על עצמם מטריפה.

עם נשירת העלים הצבענים שבהם יפורקו, העלה יתייבש וכל שיוותר הוא הצבע החום של חומרי עצה, כגון טאנינים, שמהם מורכבות דפנות תאי העלים ולא מפורקים במהלך השלכת. צבעי השלכת משמשים עבורנו תזכורת כיצד הביולוגיה משתמשת לתועלתה בכלים שבנתה הכימיה ובכללים שהציבה הפיזיקה. בסתיו הזה אתם מוזמנים לצאת החוצה ולשטוף את עיניכם בשיתוף הפעולה הססגוני הזה.