Durante el verano, las hojas de un árbol están llenas de una sustancia llamada clorofila, que recolecta energía solar y la utiliza para sintetizar azúcares a partir de dióxido de carbono y agua. Estos azúcares se convierten en la sustancia material del árbol mismo, por ejemplo, celulosa, que es lo que es la madera, principalmente. La clorofila es un pigmento verde, por eso las hojas son verdes. La clorofila en sí tiene una vida bastante corta, pero las células de las hojas la reponen constantemente, lo que requiere energía. Mientras la energía neta capturada sea positiva, la hoja puede suministrar nutrientes al árbol.
A medida que los días se acortan y la cantidad de energía del sol disminuye considerablemente, existe un déficit de energía en la cantidad de hojas que pueden producir en comparación con la cantidad que necesitan para mantenerse. Las hojas (de los árboles de hoja caduca) comienzan a privarse de agua cuando esto sucede, lo que hace que la clorofila deje de reponerse. Gradualmente, la clorofila se descompone en sustancias incoloras y se revela el verdadero color de la hoja; el pigmento verde ya no lo enmascara. En algunos árboles, otros cambios químicos en la hoja causan la producción de nuevos pigmentos rojos y morados. En parte, este es un efecto secundario de la retirada de ciertos nutrientes de la hoja al árbol, como parte de su conservación de nutrientes para el invierno. También puede estar relacionado con la producción de sustancias repelentes de insectos que ayudan a prevenir la infestación de insectos durante el período inactivo del árbol, pero no se sabe con certeza.
El suministro de agua bloqueado también hace que la hoja comience a secarse, y la base engrosada del tallo de la hoja se debilita, por lo que finalmente la hoja se cae del árbol. Las hojas caídas se acumulan y eventualmente agregan nutrientes a la tierra alrededor del árbol, por lo que el árbol puede recuperar parte del material que puso en las hojas para el crecimiento del próximo año.
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