植物はなぜ葉を落とすのでしょうか？指で計算するのは簡単ではない

詩人は秋の落ち葉の光景を見ると悲しくならざるを得なかった。しかし、私が一番好きなのは、李白の次の句です。「草は春風に成長を感謝せず、木は秋に枯れても文句を言わない。四大元素を駆使して四季を動かそうとするのは誰だ？すべてのものは自然に栄枯盛衰する。」

実際、この輪廻の風景を動かすことができるのは自然だけです。今日は、落ち葉の背後にある自然について友達と話します。

パート1

植物は秋にだけ葉を落とすのでしょうか？

いいえ、葉が落ちる方法は2つあります。

ほとんどの木にとって、葉の主な機能は「食物」を生産することです。動物と同様に、植物も生理機能を維持するために糖を摂取する必要があります。唯一の違いは、動物は食物に頼るのに対し、植物は主に太陽光に依存して自らを生産することです。したがって、生態系では、植物は一般に「生産者」と呼ばれ、動物は「消費者」と呼ばれます。

こんなに大切な臓器を、どうして簡単に捨てられてしまうのでしょうか？もちろんそうしなければなりませんでした。

最初の状況は、葉が枯れることです。

葉も生き物なので、誕生、老化、病気、死、事故などを経験しなければなりません。たとえば、粉々に引き裂かれたり、壊れたり、ムーンボックスにぶつかったり、あるいは単に老衰で死んでしまう可能性もあります。この時点で枯れた葉は生理的機能がないので廃棄しなければなりません。そのため、この状況により常緑樹も葉を落とすことになります。しかし、常緑樹の葉はいつでも枯れて落ちてしまいます。一度にすべての葉が落ちることは不可能なので、落葉樹（90年代以降）のようにすべての葉がはげてしまうような状況にはなりません。

2 つ目の状況は、木が生育する環境が悪化したため、葉を落とすしか選択できないというものです。

これらの変化には、干ばつ、極度の暑さや寒さ、害虫や病気などが含まれます。葉は重要ですが、命を救うという点ではそれほど重要ではありません。これは原子力発電所の事故のようなものです。周囲の土地には重要な工場や建物が多数ありますが、生命の安全のためにそれらはすべて放棄されなければなりません。これを「逆境に直面すると積極的に葉が落ちる」といいます。

冬には、木々は極度の低温で生理活動を行うことができないため、冬眠しなければなりません。工場の稼働を停止したい場合は、電源を切るだけです。しかし、葉っぱ工場が使う「電気」は太陽光であり、これを遮断することはできない。そのため、落葉により廃棄されるしかなかったのです。

出典：牟富鵬

パート2

落ち葉：春の泥になる前に花を守る

落ち葉は大きな木の根元に落ち、一連の物理的・化学的反応を経て栄養豊富な腐植土に変化し、根によって再吸収されます。これを落ち葉が根に還るといいます。

しかし科学者たちは、実は落ち葉は落ちる前からすでにその役割を担い始めていることを発見した。そして、これらすべては植物の進化から始まります。

何億年も前、植物の祖先はすべて水中に生息していた種でした。その後、地球は数回の氷河期を経験し、海面が低下したため、植物は「陸地」に上陸しなければならなくなりました。着陸後の植物が直面する最大の問題は水不足です。土壌中の乏しい水を有効に利用するために、植物は根を発達させて土壌に定着します。これにより水の問題は解決しましたが、窒素、リン、カリウムなどの栄養素の不足という新たな問題も生じました。

なぜ？

水は「再生可能な資源」に相当するため、消費された後も降水によって補充することができます。でも雨が降ると窒素、リン、カリウムの複合肥料を撒くのは無理ですよね？したがって、これらの物質は「再生不可能な資源」です。食べられてしまったら、植物は根こそぎ抜け出して逃げることができず、ただ心配するしかありません。

出典：牟富鵬

パート3

解決策は2つある

一つは収入を増やすこと、もう一つは支出を減らすことです。

オープンソースにするには？

ウツボカズラやハエトリグサが良い例です。彼らは植物界の捕食者であり、昆虫を捕まえて葉を変形させて食べます（下の写真のウツボカズラはハエを「食べている」ので、他の小動物も食べます）。昆虫はタンパク質が豊富で、植物に窒素を供給することができます。これは、植物がより多くの窒素を得るために進化した極端な方法の 1 つです。

ウツボカズラはハエを捕食します（出典：Wikipedia）

たとえば、マメ科植物の根には根粒が成長しており、これがマメ科植物の窒素工場となります。根粒の中で、植物は根粒菌と糖分の一部を共有し、その見返りとして根粒菌は空気中の窒素を植物が利用できる窒素に変換することができます。これはプラントがオープンソースである例でもあります。

お金を節約するにはどうすればいいですか?

無駄を最小限に抑えることが重要です。

先ほど、植物は寒さなどの逆境に見舞われると、自らを守るために積極的に葉を落とすと述べました。葉が落ちると、葉に含まれる栄養分も一緒に失われます。これは植物の大きな無駄です。来年使うために腐植土に変わりますが。しかし、落ち葉が風で飛ばされたり、動物に食べられたりするなど、あまり安全ではありません。したがって、最善の方法は、葉が落ちる前に葉の中の再生可能な物質をすべて取り除き、特に窒素、リン、カリウムなどの再生不可能な物質をリサイクルして樹幹に蓄えることです。したがって、落ち葉の「花を守る」という献身は、春の泥になってから始まるのではなく、落ちる前から始まっているのです。

植物はなぜ捨てられた葉さえも手放さないほどケチなのでしょうか?一言で言えば、貧しくなることを恐れるということです。

さらに、前述の根粒を例にとると、大豆が成熟する秋になると、大豆自身の成長サイクルがほぼ終了しているため、窒素はそれほど必要ないことがわかっているため、根粒への栄養供給を遮断し、自分のために働く根粒菌を残酷にも餓死させ、根粒とともにその死骸を分解して吸収し、大豆の種子に栄養を運びます。

こう書いてみると、植物は弱そうに見えますが、何でもできる能力も持っているのだなとため息をつくしかありません。自然に適応するために、彼らは本当に何でもやる気があり、何でもできます！ 「進化」という言葉を真に理解しましょう。

パート4

レッドメイクアップ：最後のパフォーマンス

秋に落ちる前に、落葉樹の葉が緑から赤や黄色に変わることはよく知られています。紅葉したカエデも晩秋には見事な景色です。これは、捨てられようとしているから無作為に染めた色ではなく、捨てられようとしている葉のために植物が丹念に準備した化粧なのです。

秋は夏に比べて紫外線が必ずしも弱いわけではありません。これは秋には雲が少なくなり、空気が乾燥するからです。太陽光はそれほど有毒ではありませんが、雲によって反射され、水によって吸収される紫外線は少なくなります。植物は生きるために太陽光に依存していますが、紫外線によって焼けてしまうこともあります。赤や黄色は植物が自ら塗る日焼け止めの色です。

友達の中には、きっとこう尋ねる人もいるでしょう。「夏に葉が色づかないのはなぜ？」

これは、夏には葉が栄養分を生産する機能を十分に発揮する必要があるためです。日焼け止めを塗ると太陽光を遮ることと同じになり、生産効率に影響が出ます。夏には、植物は紫外線と戦う別の方法を持っていますが、ここでは詳しく説明しません。

しかし、秋になると植物の葉はだんだん成長が止まるので、日光に当たらなくても問題ないので、シンプルかつ大胆に、絵画という手法で日よけ対策をした方が良いでしょう。

さらに、多くの熱帯植物の葉は、成長したばかりのときは赤くなっています。これは、未熟な葉は日光から保護する必要があるためです。花が徐々に成熟し、機能できるようになると、赤い色は消えていきます。

さらに、秋に葉の中の再生可能な物質を分解し、幹に戻す過程で、植物は大量の「装飾廃棄物」、つまりフリーラジカルを生成します。フリーラジカルは有毒物質です。赤い葉に含まれる日焼け止め色素にはフリーラジカルを除去する機能もあり、葉が完全に分解される前にフリーラジカルによる毒性を防ぐことができます。さらに、一部の科学者は、赤と黄色は緑よりも草食動物にとって魅力が低いと考えています。植物は、草食動物に食べられないようにするために、この 2 つの色を選択して「食べないで、おいしくないよ」と伝えます。

つまり、葉が落ちるという小さな問題は、実に単純ですが、簡単ではありません。

冬は寒くなるので葉が落ちます。栄養素は再生不可能なので、植物は葉が落ちる前に栄養素をリサイクルしなければなりません。このリサイクルプロセスがスムーズに完了するように、植物は日焼け止めとして機能する色素を生成します。これらはすべて、植物が自然に適応するために取る反応ではないでしょうか?

この記事を読んだ後、友人たちは冒頭の文章「誰が四元素を鞭打って四つの運動を駆動するのか？すべてのものは自然に上昇し下降する。」をより深く理解するはずです。

制作：中国科学普及協会

著者: 牟富鵬

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。

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