霜叶凭什么红于二月花？解析浪漫诗意背后的硬核科学原

秋意正浓，北京香山的黄栌红叶如火，新疆喀纳斯的桦树林满目鹅黄，长沙岳麓山的枫树层林尽染……道旁树，公园里的植物，到处都染上了深深浅浅的红与黄，欣赏着这五彩斑斓的秋叶，你会忍不住想起这首诗：

山行

〔唐〕杜牧

远上寒山石径斜，白云生处有人家。

停车坐爱枫林晚，霜叶红于二月花。

这是一首描写秋景的千古名诗。诗人驱车，沿着山路去往某个地方。然而，秋山就好像一幅看不完的画卷，美景层出不穷，让他流连其中，沉醉不已。诗人突然停下马车，欣赏途中偶遇的枫林晚景。“霜叶红于二月花”，枫叶红得灿烂，如火如荼，为萧条的寒秋增添了色彩和生命力。读到此处，我们方才明白，原来真正吸引诗人的是这漫山红叶，它们比二月盛开的花朵还要红艳，焕发着生机，是秋日里奇迹般的景观。这首诗前两句写得萧瑟疏淡，后两句画得浓墨重彩，远景与近景形成了鲜明对比，看起来好似一幅色彩交织的画卷。也正是因为秋山萧瑟，才显出那片红灿灿的枫林具有难能可贵的生命力！

秋天，一些植物的绿叶为什么会变成黄色或红色？

植物的叶子在春夏季一般呈现绿色，这是因为植物细胞里富含叶绿体，而叶绿体里有大量的叶绿素，植物正是靠它来进行光合作用。到了秋天，低温促使叶绿素逐渐降解，显色作用让位给叶黄素、胡萝卜素、类胡萝卜素、花青素，叶子就呈现出红、黄、橙等色彩了。

叶绿素让叶子呈现绿色，并不是因为它要吸收绿光才能工作，恰恰相反，叶绿素主要靠吸收可见光中的红光和蓝光进行光合作用，它们把绿光透射或反射出去，这些无用的绿光进入我们的眼中，我们才能感知到叶子是绿色的。那么，为什么生命选择了叶绿素来进行光合作用？换句话说，为什么光合作用舍弃了太阳光中的绿光？生命尝试过吸收绿色光来进行光合作用吗？

什么？地球本来是紫色的？

基于演化的伟力，它们还真的尝试过，但是最终失败了。这是一些科学家提出的假说：他们猜测，光合作用的物质一开始并不是叶绿素，而是另一种叫作视黄醛（quán）的物质。这种物质吸收绿光，反射红光和紫光，让拥有它的微生物呈现紫红色。换句话说，曾经有一个阶段，我们的地球并非到处是生机勃勃的绿，而是一片诡异的紫。这个假说被称为“紫色地球”。

在此之前，地球上本没有光合作用，原始的生命都是靠暗无天日的海底热泉来获得能量。后来，有些微生物脱离幽深的海底，去到海洋的浅层，利用合成视黄醛的能力，在阳光的绿色光谱中吸收太阳能，进行最原初的光合作用。在“紫色地球” 阶段，以叶绿素为光合作用物质的绿色微生物蓝细菌也许还未出现；或者它们已经诞生，却只能屈居于这些紫色微生物之下，靠着它们弃之如敝屣的绿光维持生存。

绿色地球的崛起

那么蓝细菌是怎么“逆风翻盘”的呢？叶绿素的光合作用机制是被可见光激发出电子，而失去电子的叶绿素分子，当然倾向于从别的分子中再把电子补充回来。最适合的分子就是水。于是，蓝细菌把水分子给拆开了，得到了电子，也释放出了氧气。最初，这样制造出来的氧气是光合作用的副产品，它本身是有害的，因为它会氧化一切它能遇到的还原性物质，比如把大海里的亚铁离子氧化成铁离子。许多生命也惧怕这种氧化，包括那些紫色的微生物。是的，虽然“有氧呼吸”的能力在当今地球上已经是习以为常，但氧气的初始角色就是这样的“毒气”。蓝细菌的造氧运动一直进行到2.4亿年前，那时整个地球都被这种“毒气”污染，称为“大氧化事件”，在氧气的渗透之下，那些紫色微生物一去不复返，紫色地球由此终结。

当然，紫色地球目前只是一个假说，无论有没有这样一个紫色地球阶段真实存在过，绿色都已经毫无疑问地成为地球的底色之一。如今，如果你去我国山西运城等生产池盐的地方游玩，也许能看到一些紫色、粉红色的盐池，将这些盐池染成斑驳色彩的是极端嗜盐古菌，它们能在盐浓度高达38%的池水中生存（普通海水的盐浓度只有3%）。它们正是当初那些紫色微生物硕果仅存的后代，视黄醛和胡萝卜素给它们染上了紫色和粉红色，也只有在这种极端的环境下，它们才能躲开叶绿素的竞争，在盐池中诉说着紫色先祖曾经的辉煌。

山西运城盐湖（图片原载于“运城新闻网”）

叶绿体的幽灵

我们如今看到的大部分“花草树木”，也就是多细胞的陆生植物，它们的细胞里有成型的叶绿体，支持着植物进行比蓝细菌更复杂的光合作用。

秉承“内共生理论”的科学家认为，这些叶绿体并不是植物自己从零开始打造的，而是当年的真核生物吞噬了蓝细菌之类具有叶绿素的单细胞生物，让这些小东西在自己细胞内逐渐演化出今天的叶绿体。它就好像寄生在植物细胞中的幽灵，只不过二者已经不分你我，共享基因。

有了叶绿体，植物获得了前所未有的光合作用能力。因此花草树木的那些生长策略，看起来总和叶绿体这种小东西相关：不能总像苔藓那样铺在地上，要竞争更高处的阳光，因此有了茎和树干，把叶绿体举得更高；要铺展更多的受光面积，叶片应运而生；秋冬时绿色的主动离场，又何尝不是为了保护脆弱的叶绿体……某种程度上，蓝细菌正是借着植物的躯体，实现了将绿色布满星球的一统之梦。

往期回顾

责编 | 王沣

编辑| 王燕清

转载自| 中华书局1912

官方微博：@红河学院

官方QQ空间：1410900053