紅葉は、なぜ赤や黄色に色づくの？
― 隠れていた色と、新しくつくられる色
秋が深まると、夏のあいだ緑一色だった山や街路樹が、赤や黄色に染まっていきます。イチョウは鮮やかな黄色に、モミジやカエデは燃えるような赤に色づきます。同じ「紅葉」と呼ばれる現象なのに、木によって色が違うのはなぜでしょうか。
夏の葉っぱは、どれも同じような緑色をしています。ところが秋になると、イチョウは黄色、モミジは赤、木によっては茶色っぽい色と、種類ごとに違う色に変わっていきます。
実はこの2つの色づき、まったく違うしくみで起きているとされています。黄色に色づく「黄葉」と、赤色に色づく「紅葉」とでは、色のもとになっている物質そのものが違うと考えられています。
葉っぱの中で、いったい何が起きているのでしょうか。
黄色い色素（カロテノイド）は、夏のあいだも葉の中に存在していますが、緑色の色素にかくれて見えていなかったと考えられています。
赤い色素（アントシアニン）は、秋になってから、葉の中で新たに合成されるとされています。
この「隠れていた色」と「新しくつくられる色」という違いを、順番に見ていきます。
なぜ夏の葉は緑色なのか：クロロフィルという色素
夏の葉が緑色に見えるのは、「クロロフィル（葉緑素）」という緑色の色素が、葉の中にたくさん含まれているためだとされています。クロロフィルは、光合成に欠かせない色素で、太陽の光を吸収するはたらきを持っています。実は葉の中には、クロロフィル以外の色素も存在しているのですが、クロロフィルの緑色が強すぎて、ほかの色が目立たなくなっていると考えられています。
黄色は「隠れていた色」：黄葉のしくみ
秋が近づき、気温が下がってくると、木は冬に備えて、葉を落とす準備を始めます。このとき、葉の中のクロロフィルは分解されて少しずつ減っていくとされています。すると、それまでクロロフィルにかくされていた「カロテノイド」という黄色い色素が、目立つようになります。カロテノイドは、夏のあいだも変わらず葉の中に存在していた色素で、新しくつくられるわけではありません。イチョウなどの黄葉は、この「隠れていた色が姿を現す」タイプの色づきだと考えられています。
もともとあった色が、緑のベールが薄れることで、見えるようになるだけなのです。
赤色は「新しくつくられる色」：紅葉のしくみ
一方、モミジやカエデなどの赤い紅葉は、まったく別のしくみで起きているとされています。秋になると、葉の付け根に「離層」と呼ばれる、水や栄養分の通り道をふさぐ壁のような組織ができ始めます。この離層によって、葉でつくられた糖分が、枝のほうへ流れにくくなり、葉の中にたまっていくと考えられています。
葉にたまった糖分をもとに、「アントシアニン」という赤い色素が、秋になってから新しく合成されるとされています。つまり紅葉の赤は、夏のあいだは葉の中に存在していなかった、まったく新しい色だというわけです。
葉はどうせ落ちてしまうのに、エネルギーを使ってまで赤い色素をつくる理由には、いくつかの説が唱えられています。強い光から葉の内部を守る「日焼け止め」のような役割を果たしているという説もあります。また、葉を食べる虫に対して「この葉はもう栄養が少ない」と伝える信号になっているという説もあり、まだはっきりと結論が出ていないとされています。
自分で確かめられること
- 紅葉するモミジやカエデの木を1本選ぶ
- よく日の当たる側の葉と、木の内側や日陰になりやすい葉を見比べる
- どちらのほうが、より濃く赤く色づいているかを確認する
- 数日おきに同じ木を観察し、色づきが進んでいく順番や速さもあわせて記録してみる
アントシアニンは、光が強く当たる場所ほどつくられやすいとされているため、日当たりのよい葉のほうが、より鮮やかに赤く色づく傾向が見られることがあります。
まとめ
紅葉と黄葉は、見た目は似ていても、まったく違うしくみで起きています。黄色は、夏からずっと葉の中に存在していたカロテノイドという色素が、クロロフィルの分解によって見えるようになったものです。赤色は、離層によって葉に糖分がたまり、秋になってから新しくつくられるアントシアニンという色素によるものだと考えられています。
黄葉は「隠れていた色が現れる」現象、紅葉は「新しい色がつくられる」現象。同じ秋の景色の中に、2つのまったく違う化学が隠れています。
もっと知りたい人へ ― 用語・数値・教科書とのつながり中学理科から研究中の話題まで、どのレベルの話かを明示しています
- 中学中学校の理科で習う範囲
- 高校高校の「生物基礎」で習う範囲
- 高校＋高校の「生物」、または教科書の発展・コラム扱いの内容
- 大学高校では習わない、大学の専門科目（植物生態学）の内容
- 研究大学でも「定説」として教わらない、いま研究者が調べている最中の話
中学用語：紅葉・黄葉をめぐる言葉
- クロロフィル（葉緑素）：光合成を行う、緑色の色素。
- カロテノイド：黄色やオレンジ色をした色素。夏の葉にも存在する。
- アントシアニン：赤色や紫色をした色素。秋になってから新しくつくられる。
- 離層：葉の付け根にできる、水や栄養分の通り道をふさぐ組織。
高校式で確かめる：クロロフィルが減っていく目安の計算
クロロフィルが分解されて減っていく様子を、単純化した目安のモデルで計算してみます（実際の減り方は、木の種類や気候によって変わります）。
残っているクロロフィルの量 ＝ 直前の量 × 0.5（一定の日数がたつごとに）
| 0.5をかける | ある日数がたつごとに、量がおよそ半分になるという目安のモデルによる |
| 5日後 | 100 × 0.5 ＝ 50 |
| 10日後（さらに半分） | 50 × 0.5 ＝ 25 |
| 15日後（さらに半分） | 25 × 0.5 ＝ 12.5 |
| 結果 | 15日後には、はじめの量のおよそ8分の1（12.5%）まで減る |
クロロフィルがこれくらいの勢いで減っていくと、緑がどんどん薄れ、隠れていた黄色が目立ってくることになります。
※ この計算は、色づきの進み方をイメージするための、単純化した目安のモデルです。実際のクロロフィルの分解速度は、気温や日照時間などによって大きく変わるとされています。
高校＋色づきが始まる、気温という「スイッチ」
紅葉・黄葉が始まるタイミングには、気温が大きく関わっているとされています。一般に、1日の平均気温がある目安の温度（およそ8〜10℃前後）を下回るころから、色づきが進みやすくなると言われています。また、昼と夜の気温差が大きいほど、アントシアニンの合成が進みやすく、より鮮やかな赤色になりやすいという傾向も知られています。
大学紅葉の生態学的な意味をめぐる仮説
植物生態学の分野では、紅葉によって葉が赤くなることに、どのような生物学的な意味があるのかについて、いくつかの仮説をもとに研究が行われています。強い光による酸化ストレスから葉を守る「光防御仮説」や、秋に飛来するアブラムシなどの害虫に対し、葉の防御力の高さを示す「信号仮説」などが提案されています。
研究まだ、はっきりしていないこと
- なぜ木がエネルギーを使ってまで赤い色素をつくるのか、その生物学的な意義は、植物生態学の分野で、いまも議論・研究が続けられているテーマです。
- 気候変動によって、紅葉が始まる時期や色づきの鮮やかさがどう変化していくかについても、各地で長期的な観測・研究が進められています。
- 同じ種類の木でも、個体によって色づきの鮮やかさに差が出る理由について、遺伝的な要因と環境要因の関係が調べられています。
毎年見ている紅葉の風景にも、色素の化学と生態学が交わる、いまも研究が続く豊かなテーマが隠れています。
教科書とのつながり（レベル別）
| レベル | 科目・単元 | この記事のどこ |
|---|---|---|
| 中学 | 理科・植物のはたらき | クロロフィル・カロテノイド・アントシアニンの基本用語 |
| 高校 | 生物基礎・色素の分解 | クロロフィルが減っていく目安の計算 |
| 高校＋ | 生物・環境応答（発展） | 気温・寒暖差と色づきの関係 |
| 大学 | 植物生態学 | 紅葉の生態学的意義をめぐる仮説 |
| 研究 | 植物生態学・気候学（研究中） | 赤色素の意義の検証、気候変動による変化 |
- 植物生理学関連の教科書・資料における、クロロフィル・カロテノイドの分解に関する解説。
- 植物生態学関連の資料における、アントシアニン合成と離層形成に関する解説。
- 植物生態学分野における、紅葉の生物学的意義（光防御仮説・信号仮説）に関する研究レビュー。
- 気候学関連の資料における、気温と紅葉の時期・色づきの関係に関する解説。
- 林学・樹木学関連の資料における、樹種ごとの色づきの違いに関する解説。
※ 色づきの進み方や気温の目安は、樹種・地域・その年の気候によって変わることがあるとされています。
※本記事は一般向けの科学解説です。紅葉狩りに出かける際は、山道や足元の安全に注意し、植物の採取が禁止されている場所ではルールを守ってください。