המסתורין מאחורי צבעי הסתיו: למה העלים מחליפים את צבעיהם?

סוד צבעי הסתיו

 

 

בכל שנה, כשמזג האוויר מתקרר, עצים רבים באזורים הממוזגים ובצפון כדור־הארץ לובשים שלל צבעים מרהיבים: צהוב, כתום, חום, אדום ואפילו סגול. אלו צבעי העלים לפני שהם מושלכים מהעץ (מכאן המילה שלכת).

במשך שנים, התאוריה המובילה במחקר טענה שזה קורה פשוט כי הכלורופיל - קבוצת הצבענים (פיגמנטים) הירוקים שמאפשרת לפוטוסינתזה להתרחש - מתפרק, וחושף את הצבעים שהיו שם כל הזמן. אבל מסתבר שהסיפור הרבה יותר מעניין.

מחקרים חדשים מגלים שהעצים לא רק "מאבדים צבע ירוק", אלא משקיעים אנרגיה בייצור צבעים חדשים, במיוחד אדום עז, דווקא בסוף חיי העלה. 

זה נשמע מוזר - למה להשקיע בעלים שעומדים לנשור? התשובה חבויה בשילוב מסקרן של אבולוציה ואסטרטגיות הישרדות. מסתבר שלצבעים אלה תפקידים ביולוגיים מורכבים.

פרופ' שמחה לב־ידון סוקר במאמרו (2022) את ההשערות, ההסכמות וחילוקי הדעות שרווחו לאורך השנים בין חוקרים מתחום הפיזיולוגיה והאקולוגיה בנוגע לתפקיד הצבענים השונים בצמחים מעוצים במהלך השרת העלים בסתיו, מציע הסבר שלם יותר לאור הידע

שהצטבר וגם רעיונות למחקרים עתידיים.

 

 

שלכת בגן הבוטני. צליום: איתי רנן

 

 

"ברירת המחדל" (על פי רוב): עלים ירוקים

 

 

צבעם הירוק של רוב העלים בעולם הצומח מוענק להם על ידי קבוצת צבענים המכונה כלורופיל. צבענים ירוקים בעלי מבנה כימי דומה קיימים גם באצות.

לכלורופיל תפקיד חשוב בתהליך הפוטוסינתזה (הטמעה) המתרחש בצמח.

אם נפשט את התהליך המורכב, אפשר לומר שאור השמש גורם לשינוי במולקולת הכלורופיל, שבעקבותיו מתרחשת באברונים מיוחדים בתוך התא שנקראים כלורופלסטים שרשרת מורכבת של תגובות ביוכימיות, בהן נקלט פחמן דו־חמצני ושבסופן משתחרר חמצן אל

הסביבה ונוצר סוכר. תהליך זה חיוני לקיומם של כל היצורים נושמי החמצן על פני כדור־הארץ.

אורכי הגל של האור שבהם מתקיימת רמה גבוהה של פוטוסינתזה הם אורכי הגל הכחול והאדום אשר נבלעים בכלורופיל. צבעי האור הירוקים אינם תורמים לפוטוסינתזה. הם מוחזרים מהכלורופיל, נקלטים בעין שלנו, ולכן צמחים ואצות נראים לנו ירוקים.

 

 

ומה המקור לצבעים הנוספים בזמן השלכת?

 

 

מלבד הכלורופיל, רוב העלים מכילים באופן קבוע גם צבענים נוספים. למשל: אנתוציאנינים (Anthocyanins) - צבענים אדומים־סגולים, קרוטנואידים (Carotenoids) - צבענים צהובים־כתומים וקסנתופילים (Xanthophylls), תת־קבוצה של צבענים בתוך קבוצת

הקרטנואידים, שתורמים גם הם לצבע הצהוב של העלים.

 

למידע נוסף על צבענים בצמחים>>

 

 

 

עץ תות בשלכת. צילום: יובל ספיר

 

 

צבעוניות הסתיו: תפקודים והשערות מרכזיות

 

 

מאז המאה ה־19, אחד ההסברים הבולטים למנגנון העומד בבסיס שינוי צבעי העלים בסתיו הציע שמדובר בתוצאה לא־תפקודית (תופעת לוואי שאין לה מטרה נוספת) של פירוק כלורופיל, שחל עם התקצרות הימים וירידת הטמפרטורות באזורים הממוזגים והצפוניים.

תהליך פירוק הכלורופיל והמערכת הפוטוסינתטית בסתיו מאפשר ניוד של רכיבי תזונה חשובים (בעיקר חנקן, המצוי בחומצות אמינו - אבני הבניין של החלבונים) מהעלים אל הענפים והגזע, שם הם נשמרים לשימוש עתידי.

תוצאת פירוק הכלורופיל היא חשיפת צבענים צהובים ואדומים קיימים.

עם זאת, מדענים מתחום הפיזיולוגיה של הצמח הצביעו על כך שלפחות לעלים האדומים, המייצרים צבענים אדומים חדשים בעונת הסתיו, יש פונקציות פיזיולוגיות ואולי אף פונקציות הגנה מפני בעלי חיים הניזונים מצמחים (אנטי-הרביבוריה).

 

 

צבעים עם תפקיד: כך העצים מגנים על עצמם

 

 

במהלך השנים, ובמיוחד מאז שנת 2000, התופעה המורכבת של צבעי סתיו בולטים קיבלה תשומת לב משמעותית. המחקר בתחום מציע מגוון השערות לגבי תפקידי צבעוניות הסתיו, אשר נחלקות לשתי קטגוריות עיקריות:

 

1. ההגנה הפיזיולוגית:

 

•  "מגן השמש" של הצמח - כשהכלורופיל הירוק מתפרק בסתיו, העלים הופכים פגיעים לקרינת שמש מוגברת, במיוחד בטמפרטורות נמוכות. האנתוציאנינים האדומים פועלים כ"מסנני קרינה" יעילים: הם סופגים אור כחול-ירוק עתיר אנרגיה ומגנים על התאים מפני נזק בעת פירוק הכלורופיל.

 

• השבת משאבים - אנתוציאנינים עשויים לשפר את השבת החנקן ומשאבים אחרים מהעלים לחלקי צמח אחרים לפני נשירתם, על ידי הגנה על מערכת הפוטוסינתזה. עם זאת, ישנם מחקרים שמוצאים שאין מתאם בין אנתוציאנינים ליעילות ספיגת חנקן, ואילו במחקרים נוספים נמצאה יעילות גבוהה יותר של ספיגת חנקן בעלים צהובים המכילים קרוטנואידים.

 

• חימום: צבע אדום כהה בעלים עשוי לגרום לטמפרטורות גבוהות יותר של עלוות עצים בבתי גידול קרים, ובכך לסייע בהשבת משאבים. עם זאת, שכיחותם של עלים צהובים באזורים קרים מאוד והימצאותם של מיני צמחים בעלי עלים אדומים גם באזורים שאינם בעלי טמפרטורות נמוכות מצביעה על כך שזהו אינו תפקיד אוניברסלי.

 

• הגנה מטריפה: עלי שלכת אדומים עשויים להיות מוגנים טוב יותר מפני פתוגניים שמקורם בפטריות, משום שלאנתוציאנינים תכונות נוגדות פטריות, וכן מפני טורפי צמחים (הרביבורים) שטעם האנתוציאנינים לא ערב לחיכם כלל.

 

 

2. האסטרטגיה האקולוגית:

 

 "שלט האזהרה": צבעי העלים משמשים כאמצעי הגנה ויזואלי המרתיע אוכלי צמחים (כנימות, למשל), ולעתים אף מאותת על רעילות או ירידה בערך התזונתי של העלים באמצעות Aposematism (צבעי אזהרה).

התאוריה מציעה שמדובר בחלק ממערכת אותות שהתפתחו במהלך האבולוציה המשותפת (קו־אבולוציה) עם בעלי חיים הניזונים ממזון צמחי.

השערה זו עוררה עניין רב, אך היא נתונה במחלוקת משום שנטען שאין די ראיות לכך שכנימות אכן מגיבות לצבעים אלה, או שהצבעים התפתחו למטרה זו.

עוד נטען שצבעים בולטים מקשים על חסרי חוליות קטנים להסתתר, כך שטורפים מזהים אותם בקלות, ולכן חסרי חוליות אוכלי עשב ימנעו מעלים כאלה.

השערה נוספת - העלים מחקים מראה של עלים פגועים או חולים ומרתיעים כך מזיקים.

 

 

אלה אטלנטית, Pistacia atlantica, בשלכת. צילום: ימית מרום

 

 

המדענים לא תמיד מסכימים: מורכבות מדעית ודיונים בין־תחומיים

 

 

האם הצבעים נועדו רק להגן מפני קרינה? אולי הם בעיקר אות לחרקים? שילוב של השניים? במילים אחרות - האם הצבעים הם תופעת לוואי, מנגנון הגנה או מסר סמוי במלחמת ההישרדות?

בשני העשורים האחרונים ניטשו ויכוחים סוערים בין חוקרים שונים: פיזיולוגים של צמחים שטוענים שתפקיד צבעי השלכת בהגנה מקרינה, מול אקולוגים שחוקרים את יחסי הצמחים עם חרקים וטוענים שמדובר באסטרטגיית הרתעה מתוחכמת.

כיוון מחקרי נוסף הצביע על הקשר בין פוריות קרקע לצבע העלים. נמצא שרמות חנקן נמוכות בעלים קשורות לייצור מוגבר של אנתוציאנינים, ויכולות לשמש כגורם מיידי להאדמת עלים. לעומת זאת, מינים מקבעי חנקן, שאין להם מחסור בחנקן, כמעט ואינם בעלי עלי שלכת אדומים.

 

יש חוקרים שמדגישים דווקא את ההבדלים בין יבשות ואזורים: צבעי הסתיו אינם תוצר של תהליכים עכשוויים בלבד, אלא קשורים להיסטוריה האבולוציונית של הצמחים. הרכב הצמחייה הנוכחי ותפוצת צבעי הסתיו מושפעים מתהליכים גיאולוגיים כמו נדידת היבשות וכיווני רכסי ההרים. לדוגמה, בצפון־אמריקה ומזרח־אסיה, שם רכסי ההרים נמשכים מצפון לדרום, התאפשרה נדידת מינים בזמן תקופות קרח, וכך השתמר מגוון ביולוגי רחב יותר עם יותר מיני צמחים בעלי עלים אדומים בסתיו, בעוד שבאירופה הצפונית השלכת צהובה ברובה.

 

המחלוקות בתחום מחריפות בשל פערי גישה בין פיזיולוגים, החוקרים בעיקר תהליכים פנימיים בתוך הצמחים, לבין אקולוגים, הבוחנים השפעות ברמת הפרט, האוכלוסייה והמערכת האקולוגית כולה, ובין חוקרי אבולוציה החוקרים תהליכים ארוכי טווח והשפעות גנטיות של תנאי סביבה משתנים. בנוסף, קיימת בספרות ביקורת על שיטות המחקר שיושמו בחלק מהמחקרים, כולל הסתמכות על נתונים מגנים בוטניים שעשויים לא לשקף את במדויק את הנעשה בטבע, איחוד נתונים אקלימיים ברמת היבשת תוך התעלמות משונות מקומית (כיוון מפנה המדרון, למשל), והתעלמות מהשפעת פעילות האדם על הרכב היער הנוכחי.

 

 

אז מה המסקנה?

 

 

כמו בהרבה תופעות בטבע, כנראה שאין תשובה אחת פשוטה.

צבעי השלכת הם תוצאה של שילוב מרתק בין מנגנונים פיזיולוגיים, הגנה כימית, יחסים בין מינים ואקלים.

צבעוניות הסתיו משתנה בין מינים, פרטים בני אותו המין, ואף בין עלים באותו העץ, בהתאם לחשיפה לאור, זמינות חומרי הזנה, נזקי מזיקים ומחלות, תנאי סביבה וגורמים גנטיים.

תופעה זו מוסברת כחלק מאסטרטגיה של "הגנה יחסית", שבה לצמח יש יתרון אם צבעיו בולטים או מאיימים יחסית לשכניו, גם אם ההגנה עצמה אינה מושלמת.

המדענים ממשיכים לחקור, ולמרות ההתקדמות המרשימה, יש עוד הרבה מה לגלות.

פרופ' לב־ידון מדגיש כי צבעי שלכת הם תכונה רב־תפקודית, המשרתת מספר תפקידים פיזיולוגיים והגנתיים בו־זמנית. מורכבות זו דורשת הבנה בהקשר הרחב של צבעי עלים הקשורים להגנה מפני אוכלי עשב ופתוגנים, כמו גם פיזיולוגיה של התא, הרקמה והצמח כולו.

המאמר קורא להעמקת המחקר תוך שימוש בגישות רב־תחומיות ושילוב ניסויים מבוקרים עם מחקרים אקולוגיים המבוססים על ניסויי שדה.

 

 

לסיכום

 

צבעי הסתיו הבולטים אינם "תאונה ביוכימית". הם מערכת מתוחכמת לניהול משברים, תוצאה של שילוב מנגנונים פיזיולוגיים ואקולוגיים: הגנה מפני קרינת שמש, מִחזור משאבים והרתעת מזיקים - כל זאת רגע לפני נשירת העלים.

הבנת המנגנונים דורשת גישה רב־תחומית, המשלבת ידע מהיסטוריה גיאולוגית, פיזיולוגיה של הצמח, אקולוגיה של חרקים ומחקר גנטי. כמו כן, יש לזכור שהמופע של עלים אדומים וצהובים בסתיו אינו עומד בפני עצמו אלא משתלב במגוון רחב של מנגנוני צבעוניות עלים בצמחים.

אז בפעם הבאה שאתם מטיילים בין עצים בסתיו, תדעו שאתם לא רק צופים במופע צבעים יפהפה - אתם עדים למלחמת הישרדות שקטה, מתוחכמת וצבעונית במיוחד, תוצר של התהליך האבולוציוני.

 

 

מעוניינים ללמוד על מגוון נושאים הקשורים לעלים, תוך כדי משחק ופעילות מהנה? מוזמנים לבקר בגן הבוטני ולהתנסות בתחנות החוויה החדשות בגן!

 

 

צבעי עלים. תחנת למידה אינטראקטיבית בגן הבוטני. צילום: ימית מרום