Proses Fotosintesis Pada Tumbuhan beserta Gambarnya

Fotosintesis merupakan sebuah proses atau perkembangbiakan tumbuhan dalam mengubah energi cahaya menjadi energi kimia dan menyimpannya dalam bentuk ikatan gula. Fotosintesis berasal dari bahasa yunani yaitu foto adalah “cahaya” dan sintesis, yang artinya “menyusun”. Fotosintesis tak hanya terjadi pada tumbuhan namun juga organisme. Fotosintesis adalah proses di mana tanaman dan beberapa organisme menghasilkan makanan sendiri dengan menggunakan karbon dioksida, air dan energi dari sinar matahari.

Penemuan Fotosintesis

Fotosintesis adalah proses di mana tanaman dan beberapa organisme hidup lainnya memperoleh energi dari sumber-biasanya cahaya matahari. Meskipun proses penting ini telah ada sejak awal waktu, semua orang benar-benar menyadari keberadaannya, dan itu tidak ditemukan sampai tahun 1800-an. Beberapa ilmuwan yang berbeda selama periode lebih dari 200 tahun memberikan kontribusi terhadap penemuan fenomena alam tentang fotosintesis ini. (baca: fungsi cahaya matahari bagi tumbuhan)

Berikut adalah para tokoh-tokoh yang menemukan proses fotosintesis :

Jan Baptista – Fotosintesis sebagian ditemukan di tahun 1600-an oleh Jan Baptista van Helmont, seorang ahli kimia Belgia, ahli fisiologi dan dokter. Helmont melakukan percobaan 5 tahun yang melibatkan pohon willow yang ia ditanam di pot dengan tanah dan ditempatkan dalam lingkungan yang terkendali. Pohon willow dengan hati-hati dan tepat disiram selama periode 5 tahun. Pada akhir eksperimennya Helmont menyimpulkan bahwa pertumbuhan pohon adalah hasil dari nutrisi yang telah diterima dari air. Kesimpulan Helmont adalah akurat tapi eksperimennya membuktikan bahwa air memberikan kontribusi terhadap pertumbuhan tanaman.
Joseph Priestley – Joseph Priestley adalah ilmuwan lain yang berkontribusi pada penemuan fotosintesis. Ia lahir pada tahun 1733 dan kemudian menjadi seorang ahli kimia, menteri, filsuf alam, pendidik dan ahli teori politik. Eksperimennya termasuk menempatkan lilin menyala di dalam stoples tertutup. Kemudian pada tahun 1774, hasil eksperimen Priestley diterbitkan dalam “Percobaan dan Pengamatan dari jenis yang berbeda dari Air, Volume I.” Meskipun Priestley tidak tahu pada saat itu, eksperimen membuktikan bahwa udara mengandung oksigen.
Jan Ingenhousz – Jan Ingenhousz, ilmuwan lain yang berkontribusi pada penemuan fotosintesis. Dia adalah seorang ahli kimia Belanda, biologi dan fisiologi yang melakukan eksperimen penting di akhir 1770-an yang membuktikan bahwa tanaman menghasilkan oksigen. Ingenhousz ditempatkan terendam tanaman di sinar matahari dan kemudian di tempat teduh. Dia menyadari bahwa gelembung kecil yang diproduksi oleh tanaman ketika mereka berada di bawah sinar matahari. Ketika mereka dipindahkan ke gelembung warna yang tidak lagi diproduksi oleh tanaman ini. Ingenhousz kemudian menyimpulkan bahwa tanaman menggunakan cahaya dalam menghasilkan oksigen.
Jean Senebier – Pada tahun 1796, Jean Senebier, seorang ahli botani Swiss, pendeta dan naturalis menunjukkan bahwa tanaman menyerap karbon dioksida dan melepaskan oksigen dengan bantuan sinar matahari. Pada awal 1800-an Nicolas-Theodore de Saussure menunjukkan bahwa sementara tanaman membutuhkan karbon dioksida, peningkatan massa tanaman yang tumbuh bukanlah hasil dari karbon dioksida saja tetapi juga penyerapan air.
Julius Robert Mayer – Di tahun 1840-an Julius Robert Mayer, seorang dokter Jerman dan fisikawan, menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan. Hal ini dikenal sebagai hukum pertama termodinamika. Ia mengusulkan bahwa tanaman mengubah energi cahaya menjadi energi kimia.
Julius Sachs – Dari 1862-1864 Julius Sachs menyelidiki bagaimana pati diproduksi di bawah pengaruh cahaya dan dalam hubungannya dengan klorofil. Ini akhirnya menyebabkan dia menulis persamaan umum untuk fotosintesis (6CO₂+6H₂O2→ (dengan energi cahaya) C₆H₁₂O₆+6O_2/).

Kita bisa mengamati proses terjadinya fotosintesis melalui persamaan sebagai berikut :

Pada gambar disamping dapat djelaskan bahwa karbon dioksida ditambah dengan air kemudian diproses dengan energi cahaya menghasilkan glukosa, oksigen dan air. Atau dapat dijelaskan dengan Enam molekul karbondioksida dan dua belas molekul air, dikonsumsi, kemudian menghasilkan glukosa, enam molekul oksigen dan enam molekul air.

Fotosintesis merupakan proses dimana tanaman hijau dan beberapa ganggang (Kerajaan Protista), ganggang dan beberapa bentuk bakteri membuat karbohidrat dari karbondioksida, air dan garam anorganik, dengan adanya klorofil, menggunakan energi cahaya ditangkap dari matahari.Tanaman sendiri hanya perlu energi cahaya, CO2, dan H2O dalam membentuk gula. Proses fotosintesis terjadi di kloroplas, secara khusus menggunakan klorofil, klorofil merupakan pigmen hijau daun yang terlibat dalam proses fotosintesis tersebut.

Persamaan di atas menunjukkan bahwa air merupakan sebuah reaktan dan produk fotosintesis. Karena dua belas molekul air yang dikonsumsi dan enam molekul air yang dihasilkan, persamaan dapat disederhanakan seperti yang ditunjukkan di bawah ini yang merupakan rumus dari hasil fotosintesis.

6CO₂+6H₂O2→ (dengan energi cahaya) C₆H₁₂O₆+6O₂

1. Reaksi tergantung cahaya (terang)

Tahap pertama fotosintesis adalah reaksi tergantung cahaya. Reaksi ini berlangsung pada membran tilakoid di dalam kloroplas. Selama ini energi cahaya panggung diubah menjadi ATP (energi kimia) dan NADPH (mengurangi daya).
Cahaya diserap oleh dua fotosistem yang disebut fotosistem I dan fotosistem II. Protein kompleks ini mengandung molekul cahaya klorofil dan pigmen aksesori yang disebut antena kompleks. Fotosistem juga dilengkapi dengan reaksi pusat. Ini adalah protein kompleks dan pigmen yang bertanggung jawab dalam konversi energi. Klorofil a pada molekul fotosistem I menyerap cahaya dengan panjang gelombang puncak 700 nm dan disebut molekul P700. Klorofil a molekul fotosistem II menyerap cahaya dengan panjang gelombang puncak 68O nm dan disebut molekul P68O.
Reaksi tergantung cahaya dimulai pada fotosistem II. Ketika sebuah foton cahaya yang diserap oleh molekul klorofil a (P68O) di pusat reaksi fotosistem II, sebuah elektron dalam molekul P68O menjadi lebih tinggi dari energi. Elektron menjadi tidak stabil dan dilepaskan lalu ditransfer dari satu molekul P68O ke yang lain dalam rantai pembawa elektron disebut rantai transpor elektron (ETC). Molekul P68O menjadi bermuatan positif pada kehilangan elektron.
Elektron yang hilang diganti dengan cara pemisahan air dengan cahaya dalam proses tersebut yang disebut fotolisis. Air digunakan sebagai donor elektron dalam fotosintesis oksigenik dan dibagi menjadi elektron (e), ion hidrogen (H +, proton) dan oksigen (O2). Ion hidrogen dibawa ke ATP dan digunakan untuk menyediakan energi yang dibutuhkan untuk menggabungkan ADP untuk menghasilkan ATP. Oksigen dilepaskan ke udara sebagai produk sampingan dari fotosintesis.
Proses di mana ATP dibuat menggunakan energi matahari disebut Fotofosforilasi. Jenis fotofosforilasi digunakan oleh tanaman dan Cyanobacteria disebut fotofosforilasi nonsiklik. Ini tidak hanya fotosistem II, tetapi juga fotosistem I.
Elektron dari fotosistem II diteruskan ke sitokrom b6-f kompleks dan untuk fotosistem I. Lagi, menerima energi dari foton cahaya yang diserap oleh klorofil molekul (P700). Elektron dibawa oleh rantai transpor elektron (ETC) ke NADP reduktase, yang merupakan akseptor elektron terakhir. Pada titik ini energi yang digunakan untuk menghasilkan NADPH.

2. Reaksi tidak tergantung cahaya (gelap)

Tahap kedua dari fotosintesis adalah reaksi tidak tergantung cahaya.

Nama lain yang sering diberikan untuk reaksi ini adalah Siklus Calvin-Benson. Hal ini terjadi di stroma dari kloroplas. Selama ini energi reaksi dari ATP dan NADPH digunakan untuk mengubah karbondioksida menjadi karbohidrat seperti glukosa.
Satu molekul karbon dioksida bereaksi dengan gula 5-karbon yang disebut ribulosa bifosfat (RuBP). Reaksi ini menghasilkan gula 6 karbon stabil yang segera dipecah untuk membentuk dua gula 3-karbon yang dikenal sebagai 3 phosphoglycerate (3PGA).
3 gula phosphoglycerate diubah menjadi gliseraldehida 3 fosfat (G3P) menggunakan energi dari ATP dan kekuatan mengurangi dari NADPH. Sebagian besar G3P yang dihasilkan digunakan untuk membuat RuBP yang kemudian digunakan untuk memulai siklus Calvin-Benson lagi. Beberapa G3P, bagaimanapun, digunakan untuk membuat glukosa pada tanaman yang digunakan sebagai sumber energi.

Jenis Proses Fotosintesis

Ada dua jenis proses fotosintesis yaitu fotosintesis oksigenik dan fotosintesis anoxygenic.

1. Fotosintesis oksigenik – Fotosintesis oksigenik adalah yang paling umum dan terlihat pada tanaman, alga dan cyanobacteria. Selama fotosintesis oksigenik, cahaya mentransfer energi elektron dari air (H₂O) menjadi karbon dioksida (CO₂), yang menghasilkan karbohidrat. Dalam transfer ini, CO₂ yang “berkurang,” atau menerima elektron, dan air menjadi “teroksidasi,” atau kehilangan elektron. Pada akhirnya, oksigen diproduksi bersama dengan karbohidrat. Fungsi fotosintesis oksigenik sebagai penyeimbang respirasi, dibutuhkan dalam karbondioksida yang dihasilkan oleh semua organisme bernapas dan diberikan kembali dalam bentuk oksigen ke udara. Dalam artikelnya tahun 1998, “Sebuah Pengantar Fotosintesis dan Aplikasi nya,” Wim Vermaas, seorang profesor di Arizona State University menduga, “tanpa oksigenik fotosintesis, oksigen di udara akan habis dalam waktu beberapa ribu tahun.”

2. Fotosintesis anoxygenic – Di sisi lain, fotosintesis anoxygenic menggunakan elektron donor selain air. Proses ini biasanya terjadi pada bakteri seperti bakteri ungu dan bakteri belerang hijau. Fotosintesis anoksigenik tidak menghasilkan oksigen, maka kata David Baum, profesor botani di University of Wisconsin Madison. Apa yang dihasilkan tergantung pada donor elektron. Sebagai contoh, banyak bakteri menggunakan gas telur berbau yaitu hidrogen sulfida dan sulfur memproduksi padatan sebagai produk sampingan.

Struktur Tanaman Daun

Daun memiliki ciri khas meliputi berikut ini . Epidermis atas dan bawah, epidermis atas adalah lapisan luar sel yang mengurangi jumlah air yang hilang melalui transpirasi oleh tanaman daun. Epidermis bawah mengandung stomata. fungsi stomata pada daun ini adalah pori-pori (lubang) yang ada di daun yang bertanggung jawab untuk pertukaran gas antara daun dan atmosfer. Karbon dioksida diserap dari udara dan oksigen dilepaskan. Mesofil, ini adalah sel-sel jaringan parenkim yang terletak di antara epidermis atas dan bawah. Sel-sel ini mengandung kloroplas.

Ikatan pembuluh, ikatan pembuluh ini adalah jaringan yang membentuk bagian dari sistem transportasi tanaman. Ikatan pembuluh terdiri dari jaringan xilem dan floem yang air transport, mineral terlarut dan makanan ke dan dari daun. Proses Fotosintesis, Fotosintesis pada tumbuhan terjadi dalam dua tahap. Tahap ini dikenal sebagai reaksi cahaya dependen (terang) dan reaksi cahaya independen (gelap)

Bagian Daun

Daun sangat penting untuk perkembangan dan pertumbuhan tanaman.

Sebagian besar reaksi yang terlibat dalam proses fotosintesis berlangsung di daun. Bagian daun dalam proses fotosintesis akan berlangsung terutama pada daun tanaman, dan sedikit bisa terjadi pada batang, dan lain lainnya.
Bagian dari daun yang khas dalam fotosintesis meliputi epidermis pada bagian atas dan bawah, mesofil, bundel vaskuler (vena), dan stomata.
Sel-sel epidermis atas dan bawah tidak memiliki kloroplas, sehingga fotosintesis tidak terjadi di sana. Mereka berfungsi terutama sebagai perlindungan untuk sisa daun.
Lubang stomata memiliki fungsi terutama pada epidermis bawah dan sebagai pertukaran udara, dimana memasukkan CO2 dan O2 keluar.
Ikatan pembuluh pada daun merupakan bagian dari sistem transportasi tanaman, menggerakkan air dan menyalurkan nutrisi. Sel-sel mesofil memiliki kloroplas dan ini adalah tempatdi mana fotosintesis terjadi.

Komponen seluler penting untuk fotosintesis

1. Pigmen – Pigmen adalah molekul yang memberikan warna pada tanaman, alga dan bakteri, tetapi mereka juga bertanggung jawab untuk secara efektif untuk menjebak sinar matahari. Pigmen dengan warna yang berbeda menyerap panjang gelombang cahaya yang berbeda.

Berikut adalah tiga kelompok utama.

Klorofil – Pigmen berwarna hijau mampu menjebak cahaya biru dan merah. Klorofil memiliki tiga sub-jenis, dijuluki klorofil a, klorofil b dan klorofil c. Menurut Eugene Rabinowitch dan Govindjee dalam buku mereka “Fotosintesis” (Wiley, 1969) klorofil ditemukan di semua tanaman photosynthesizing. Ada juga varian bakteri bernama bacteriochlorophyll, yang menyerap cahaya inframerah. Pigmen ini terutama terlihat dalam warna ungu dan hijau bakteri, yang melakukan fotosintesis anoxygenic.
Karotenoid – ini merah, oranye, atau pigmen kuning berwarna menyerap cahaya hijau kebiruan. Contoh karotenoid yang xantofil (kuning) dan karoten (oranye) yang wortel mendapatkan warna mereka.
Phycobilins – Pigmen merah atau biru menyerap panjang gelombang cahaya yang tidak juga diserap oleh klorofil dan karotenoid. Mereka terlihat di cyanobacteria dan ganggang merah.

2. Plastida – Organisme eukariotik fotosintetik mengandung organel yang disebut plastida dalam sitoplasma mereka. Menurut Cheong Xin Chan dan Debashish Bhattacharya dari Universitas Rutgers (Pendidikan Alam, 2010), membrane plastida ganda pada tanaman dan ganggang disebut sebagai plastida primer, sedangkan berbagai multi membran ditemukan di plankton disebut plastida sekunder. Organel ini umumnya mengandung pigmen atau dapat menyimpan nutrisi. (baca : fungsi plastida pada tumbuhan)

3. Kloroplas – Kloroplas merupakan bagian-bagian yang berada pada membran luar dan dalam, ruang antar membran, stromata, dan tilakoid ditumpuk. Klorofil dibangun ke dalam membran dari tilakoid. Klorofil terlihat hijau karena menyerap cahaya merah dan biru, membuat warna-warna ini tidak dapat dilihat oleh mata kita. Cahaya hijau yang tidak diserap akhirnya mencapai mata kita, membuat klorofil tampak hijau. Namun, itu adalah energi dari cahaya merah dan biru yang diserap yaitu, sehingga dapat digunakan untuk melakukan fotosintesis. Kloroplas mirip dengan mitokondria bahwa mereka memiliki genom mereka sendiri, atau koleksi gen, yang terkandung dalam DNA. Gen ini mengkodekan protein penting untuk organel dan untuk fotosintesis. Seperti mitokondria, kloroplas juga diperkirakan berasal dari sel bakteri primitif melalui proses endosimbiosis.

4. Antena – Antena merupakan molekul pigmen yang berhubungan dengan protein, yang memungkinkan mereka memiliki fleksibilitas untuk bergerak ke arah cahaya dan terhadap satu sama lain. Struktur ini secara efektif menangkap energi cahaya dari matahari, dalam bentuk foton. Pada akhirnya, energi cahaya harus ditransfer ke pigmen protein kompleks yang dapat mengubahnya menjadi energi kimia, dalam bentuk elektron. Pada tumbuhan, misalnya, energi cahaya ditransfer ke pigmen klorofil. Konversi ke energi kimia dilakukan ketika pigmen klorofil mengusir elektron, yang kemudian bisa melanjutkan ke penerima yang tepat.

Peran Fotolisis

Menggunakan cahaya untuk memisahkan air menjadi sebagai berikut.

Elektron, disumbangkan untuk fotosistem II dalam menggantikan elektron yang hilang
Ion hydrogen, dibawa ke sintase ATP untuk menyediakan energi dalam produksi ATP
Oksigen, dilepaskan ke udara sebagai produk

Produk yang dihasilkan

ATP adalah energi kimia
NADPH untuk mengurangi daya atau donor elektron

Fenomena Unik tentang Fotosintesis

Fotosintesis sangat penting untuk menjaga kehidupan di bumi dan sebagai sumber utama energi bagi hampir semua makhluk hidup. Karbohidrat yang berasal dari fotosintesis yang diperlukan untuk pertumbuhan dan perkembangan tanaman dan hewan. Fotosintesis bertanggung jawab untuk menjaga kadar oksigen di atmosfer bumi. Oksigen, yang sangat penting untuk kelangsungan hidup manusia, adalah produk sampingan dari fotosintesis. Tanaman hijau membantu untuk menyeimbangkan suhu global dengan menyerap karbon dioksida yang berlebih di atmosfer bumi semua dalam upaya untuk melakukan fotosintesis sehingga banyak fenomena unik tentang fotosintesis.

Berikut adalah penjelasannya :

1. Cara tanaman hidup pada daerah kekurangan air

Masih ada strategi lain untuk mengatasi udara yang sangat panas, kering, gurun dan jarang air. Beberapa tanaman (misalnya, kaktus dan nanas) yang hidup di sangat panas, daerah kering seperti gurun, hanya dengan aman membuka stomata mereka di malam hari ketika cuaca dingin. Dengan demikian, tidak ada kesempatan bagi mereka untuk mendapatkan CO2 yang dibutuhkan untuk reaksi gelap pada siang hari.

Pada malam hari, ketika mereka dapat membuka stomata, mereka dan mengambil CO₂, tanaman ini menggabungkan CO₂ ke dalam berbagai senyawa organik untuk menyimpannya. Pada siang hari, ketika reaksi terang terjadi dan ATP tersedia (tapi stomata harus tetap tertutup), mereka mengambil CO₂ dari senyawa organik dan memasukkannya ke dalam siklus Calvin. Tanaman ini disebut tanaman CAM, yang merupakan singkatan dari metabolisme asam crassulacean setelah keluarga tanaman, Crassulaceae (yang meliputi tanaman kebun Sedum) dimana proses ini pertama kali ditemukan.

2. Cara tanaman hidup pada daerah ekstrim dan yang tidak berfotosintesis

Ada banyak spesies tanaman di seluruh dunia. Beberapa telah disesuaikan dengan kondisi gurun, sementara lainnya telah beradaptasi dengan iklim dingin. Ada juga tanaman yang hanya bisa bertahan hidup dalam dingin, daerah lembab dengan sinar matahari yang cukup. Perbedaan-perbedaan dalam kondisi iklim dan ekosistem telah mengakibatkan berbagai jenis fotosintesis pada tumbuhan. Ketiga jenis fotosintesis ini adalah C3, C4 dan CAM fotosintesis.

Tanaman melakukan fotosintesis karena menghasilkan makanan dan energi yang mereka butuhkan untuk pertumbuhan dan respirasi seluler. Hal ini penting untuk dicatat bahwa tidak semua tanaman berfotosintesis. Beberapa adalah parasit dan hanya menempel pada tanaman lain dan pakan dari mereka. Untuk tanaman dalam melakukan fotosintesis mereka membutuhkan energi cahaya dari matahari, air dan karbon dioksida. Air diserap dari tanah ke dalam sel rambut akar. Air melewati dari sistem akar ke pembuluh xilem di batang hingga mencapai daun. Karbon dioksida diserap dari atmosfer melalui pori-pori pada daun disebut stomata. Daun juga mengandung kloroplas yang memegang klorofil. Energi matahari ditangkap oleh klorofil.

3. Penelitian terbaru berkaitan dengan fotosintesis

Kemajuan juga telah dibuat di bidang fotosintesis buatan. Sekelompok peneliti baru-baru ini mengembangkan sebuah sistem buatan untuk menangkap karbon dioksida menggunakan nanoteknologi (kawat nano). Ini dimasukkan ke dalam sistem mikroba yang mengurangi karbon dioksida menjadi bahan bakar atau polimer dengan menggunakan energi dari sinar matahari.

4. Fotosintesis di masa depan

Fotosintesis menghasilkan semua oksigen yang ada di udara, dan membuat tanaman kaya nutrisi. Namun para peneliti telah mencari cara untuk lebih memanfaatkan kekuatan ini. Dalam artikelnya tahun 1998, Vermaas menyebutkan kemungkinan menggunakan organisme fotosintesis untuk menghasilkan bahan bakar pembakaran yang bersih seperti hidrogen atau bahkan metana. Vermaas mencatat, “Meskipun metana pada pembakaran akan membentuk CO₂, keseimbangan CO₂ di atmosfer secara keseluruhan tidak akan terganggu sebagai jumlah yang sama CO₂akan telah diambil dari atmosfer pada produksi metana oleh organisme fotosintetik.”