紅葉為什麼會變紅或變黃？
― 原本隱藏的顏色，與新製造的顏色
秋意漸濃，夏天一片綠意的山林與行道樹，會慢慢染上紅色或黃色。銀杏變成鮮豔的黃色，楓樹則變成火焰般的紅色。明明都叫做「紅葉」，不同的樹顏色卻不一樣，這是為什麼呢？
夏天的葉子看起來都是差不多的綠色。可是到了秋天，銀杏變黃、楓樹變紅，有些樹則變成偏褐色，各種樹會變成不同的顏色。
其實這兩種變色，一般認為是由完全不同的機制造成的。變黃的「黃葉」和變紅的「紅葉」，一般認為連產生顏色的物質本身都不一樣。
葉子裡面，到底發生了什麼事呢？
黃色色素（類胡蘿蔔素）在夏天時也存在於葉子裡，只是被綠色色素蓋住而看不見，一般認為是這樣。
紅色色素（花青素）一般認為是到了秋天，才在葉子裡重新合成的。
這個「隱藏的顏色」與「新製造的顏色」之間的差別，我們依序來看。
夏天的葉子為什麼是綠色：葉綠素這種色素
夏天的葉子看起來是綠色，一般認為是因為葉子裡含有大量名為「葉綠素」的綠色色素。葉綠素是光合作用不可或缺的色素，具有吸收太陽光的功能。其實葉子裡也有葉綠素以外的色素，但葉綠素的綠色太強，其他顏色就顯得不明顯了，一般認為是這樣。
黃色是「隱藏的顏色」：黃葉的機制
秋天將近、氣溫下降時，樹木會為了過冬，開始準備落葉。這時，葉子裡的葉綠素據說會被分解，一點一點減少。於是，原本被葉綠素遮住的黃色色素「類胡蘿蔔素」就變得明顯了。類胡蘿蔔素在夏天時也一直存在於葉子裡，並不是新製造出來的。銀杏等的黃葉，一般認為屬於這種「隱藏的顏色顯露出來」的變色類型。
只是原本就有的顏色，因為綠色的面紗變薄，而被看見了而已。
紅色是「新製造的顏色」：紅葉的機制
相對地，楓樹等的紅葉，一般認為是由完全不同的機制造成的。到了秋天，葉柄基部會開始形成一種叫做「離層」的組織，像一道牆，堵住水和養分的通道。有了這道離層，葉子製造的糖分就不容易流向枝條，而累積在葉子裡，一般認為是這樣。
以累積在葉子裡的糖分為原料，名為「花青素」的紅色色素，據說是到了秋天才重新合成的。也就是說，紅葉的紅色，是夏天時葉子裡並不存在的全新顏色。
葉子反正都會掉落，卻還要耗費能量製造紅色色素，關於原因有好幾種說法。有一說認為，它像「防曬乳」一樣，保護葉子內部不受強光傷害。另有一說認為，它是對啃食葉子的昆蟲發出「這片葉子已經沒什麼養分了」的信號，目前還沒有明確的結論。
可以自己確認的事
- 選一棵會變紅的楓樹
- 比較日照充足那一側的葉子，和樹的內側或容易背陰的葉子
- 確認哪一邊紅得比較深
- 每隔幾天觀察同一棵樹，順便記錄變色進展的順序和速度
一般認為花青素在光線越強的地方越容易製造，所以日照好的葉子，有時會有變得更鮮豔紅色的傾向。
總結
紅葉和黃葉，看起來相似，卻是由完全不同的機制造成的。黃色是從夏天起就一直存在於葉子裡的類胡蘿蔔素，因為葉綠素被分解而顯現出來。紅色則是因為離層使糖分累積在葉子裡，由秋天才新製造出來的花青素這種色素所造成，一般認為是這樣。
黃葉是「隱藏的顏色顯現」的現象，紅葉是「新的顏色被製造」的現象。同樣的秋天景色裡，藏著兩種截然不同的化學。
落葉之後的樹木，就這樣睡著度過冬天。那份沉睡是如何醒來的，我們在櫻花每年為什麼會同時綻放中談過。
想知道更多的人 ― 術語・數值・與課本的關聯從國中理化到研究中的話題，都明確標示是哪個程度的內容
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「基礎生物」會學到的範圍
- 高中＋高中「生物」，或課本中屬於進階、專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（植物生態學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教，目前研究者正在探討的話題
國中術語：與紅葉・黃葉有關的詞彙
- 葉綠素：進行光合作用的綠色色素。
- 類胡蘿蔔素：黃色或橙色的色素。夏天的葉子裡也有。
- 花青素：紅色或紫色的色素。到了秋天才新製造出來。
- 離層：形成於葉柄基部、堵住水和養分通道的組織。
高中用算式確認：葉綠素減少的估算
我們用簡化的估算模型，來計算葉綠素被分解而減少的情形（實際的減少方式會因樹種和氣候而不同）。
剩下的葉綠素量 ＝ 前一次的量 × 0.5（每經過一定天數）
| 乘以 0.5 | 依據「每經過一定天數，量大約減為一半」的估算模型 |
| 5 天後 | 100 × 0.5 ＝ 50 |
| 10 天後（再減半） | 50 × 0.5 ＝ 25 |
| 15 天後（再減半） | 25 × 0.5 ＝ 12.5 |
| 結果 | 15 天後，減少到最初量的約 8 分之 1（12.5%） |
如果葉綠素以這樣的速度減少，綠色會越來越淡，原本隱藏的黃色就會顯現出來。
※ 這個計算是為了想像變色進展而設的簡化估算模型。實際的葉綠素分解速度，據說會因氣溫和日照時間等而有很大差異。
高中＋開始變色的氣溫「開關」
紅葉・黃葉開始的時間，一般認為與氣溫關係很大。一般來說，當一天的平均氣溫低於某個標準溫度（約 8～10℃ 左右）時，變色就容易加速。另外也知道一個傾向：晝夜溫差越大，花青素的合成越容易進行，紅色也越容易變得鮮豔。
大學關於紅葉生態意義的假說
在植物生態學領域，對於葉子因紅葉而變紅，究竟有什麼生物學上的意義，研究者根據幾種假說進行研究。已提出的有：保護葉子免於強光造成氧化壓力的「光防護假說」，以及對秋天飛來的蚜蟲等害蟲，表示葉子防禦力很高的「信號假說」等。
研究還不清楚的事
- 樹木為什麼要耗費能量製造紅色色素，它的生物學意義，在植物生態學領域，至今仍是持續討論與研究的主題。
- 關於氣候變遷會讓紅葉開始的時間和變色的鮮豔程度如何改變，各地也在進行長期的觀測與研究。
- 對於同樣種類的樹，為什麼不同個體的變色鮮豔程度會有差異，研究者正在探討遺傳因素與環境因素的關係。
就連每年看慣的紅葉風景裡，也藏著色素化學與生態學交會、至今仍在研究的豐富主題。
與課本的關聯（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・植物的作用 | 葉綠素・類胡蘿蔔素・花青素的基本術語 |
| 高中 | 基礎生物・色素的分解 | 葉綠素減少的估算 |
| 高中＋ | 生物・環境反應（進階） | 氣溫・溫差與變色的關係 |
| 大學 | 植物生態學 | 關於紅葉生態意義的假說 |
| 研究 | 植物生態學・氣候學（研究中） | 紅色色素意義的驗證、氣候變遷造成的變化 |
- 植物生理學相關的課本與資料中，關於葉綠素、類胡蘿蔔素分解的解說。
- 植物生態學相關資料中，關於花青素合成與離層形成的解說。
- 植物生態學領域中，關於紅葉生物學意義（光防護假說・信號假說）的研究回顧。
- 氣候學相關資料中，關於氣溫與紅葉時期、變色關係的解說。
- 林學・樹木學相關資料中，關於各樹種變色差異的解說。
※ 變色的進展與氣溫的標準，據說會因樹種、地區和當年氣候而有所不同。
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。前往賞楓時，請注意山路與腳下的安全，並在禁止採集植物的地方遵守規定。