Fotosintesis

Tempat dan Perangkat Alat Fotosintesis

Ciri khusus tumbuhan Ciri khusus tumbuhan salah satunya adalah dapat melakukan proses fotosintesis. Fotosintesis merupakan proses pemanfaatan energi matahari yang dilakukan oleh tumbuhan untuk mengubah bahan kimia anorganik menjadi bahan makanan. Fotosintesis dapat diibaratkan suatu proses yang terjadi dalam sebuah “pabrik”. Pada umumnya, “pabrik” tempat fotosintesis adalah daun. Sel-sel daun memiliki kelengkapan alat untuk menangkap energi matahari. Pada tumbuhan tertentu yang tidak berdaun seperti bangsa Kaktus, kelengkapan alat fotosintesisnya terdapat pada sel-sel lapisan luar dari batangnya. Di bagian manakah fotosintesis berlangsung? Untuk memahami hal ini, coba perhatikan contoh susunan anatomi daun tumbuhan Dikotil, pada gambar 1. (Kemdikbud, 2014).

Daun tersusun atas beberapa lapis sel atau jaringan, meliputi:

1.      Jaringan epidermis (atas dan bawah)

2.      Jaringan tiang (palisade)

3.      Jaringan bunga karang (spons)

4.      Jaringan pengangkut

Jaringan tiang dan bunga karang merupakan bagian yang disebut daging daun (mesofil). Coba perhatikan sel-sel mesofil pada gambar di atas. Didalam sel-sel mesofil terdapat banyak struktur berbentuk bulat atau lonjong yang berwarna hijau, yang disebut kloroplas. Kloroplas paling banyak terdapat pada sel-sel jaringan tiang. Pada setiap selnya, biasanya terdapat 50 atau lebih kloroplas. Pada lapisan epidermis daun tidak ditemukan kloroplas, kecuali pada sel penutup mulut daunnya (Kemdikbud, 2014).

                                                                 Gambar 1. Anatomi daun

1.      Kloroplas dan Klorofil

Kloroplas merupakan alat atau organela sel yang khas pada sel-sel daging daun. Bentuknya bermacam-macam, tergantuing jenis tumbuhannya. Selain bulat atau lonjong, ada juga yang berbentuk pita. Pada daun Hydrilla, kloroplasnya bulat atau lonjong, berukuran cukup besar dan mudah diamati dengan mikroskop, lihat pada gambar 2. Kloroplas sel Hydrilla, Organela ini mudah dikenali dengan warnanya yang hijau karena banyak mengandung zat warna atau pigmen hijau daun yang disebut klorofil. Ada dua macam klorofil pada tumbuhan darat yaitu klorofil a dan klorofil-b.

                                                    

                                                           Gambar 2. Kloroplas sel Hydrilla

                                                         Gambar 3. Bagian-bagian kloroplas

Coba perhatikan skema sederhana susunan kloroplas pada gambar 3. Kloroplas tersusun dari dua bagian, meliputi: (1) Bangunan seperti tumpukan koin piring yang disebut grana; (2) Bahan yang mengisi di luar grana, yang disebut matrik stroma.

Pada bagian grana, terdapat seluruh perangkat alat penangkap energi matahari. Perangkat alat itu adalah ibarat antenna penerima. Alat penerima tersebut berupa kumpulan bermacam-macam zat pigmen. Pigmen adalah suatu zat yang berfungsi menangkap atau memantulkan jenis sinar atau warna cahaya tertentu. Pigmen daun paling banyak adalah klorofil. Sekelompok pigmen yang merupakan satu kesatuan alat penerima energi cahaya ini disebut fotosistem (Kemdikbud, 2014).

2.      Bahan dasar fotosintesis

Sama halnya dengan proses memasak, fotosintesis juga memerlukan bahan. Bahan dasar untuk fotosintesis adalah molekul air (H₂O) dan karbon dioksida (CO₂). Pada proses fotosintesis akan membentuk glukosa (molekul gula) dan menghasilkan oksigen. Secara kimiawi, proses fotosintesis dapat ditulis dengan reaksi berikut ini (Kemdikbud, 2014: 100).

Berdasarkan reaksi kimia tersebut diatas bahwa perubahan kimia keseluruhan selama fotosintesis merupakan kebalikan dari perubahan kimia keseluruhan yang terjadi dalam respirasi selular. Kedua proses metabolik ini terjadi pada sel tumbuhan. Akan tetapi, kloroplas tidak menyintesis gula hanya dengan membalikkan langkah-langkah respirasi (Campbell, 2008: 202).

3.      Proses fotosintesis

Proses fotosintesis terjadi dalam dau tahap, yaitu tahap pertama disebut dengan reaksi terang dan tahap kedua yang disebut dengan reaksi gelap. 
a. Reaksi terang,   
Reaksi terang merupakan tahap-tahap fotosintesis yang mengubah energi surya menjadi energi kimia. Air dipecah, menyediakan sumber elektron dan proton (ion hidrogen, H⁺) serta melepaskan O₂ sebagai produk sampingan. Cahaya yang diserap oleh klorofil menggerakkan transfer elektron dan ion hidrogen dari air menuju penerima yang disebut NADP⁺ (nikotinamida adenin dinukleotida fosfat), tempat penyimpanan partikel-partikel itu untuk sementara. Penerima elektron NADP⁺ adalah kerabat dekat NAD⁺, yang berfungsi sebagai pembawa elektron dalam respirasi selular. Reaksi terang menggunakan energi surya untuk mereduksi NADP⁺ menjadi NADPH dengan cara menambahkan sepasang elektron bersama-sama dengan H⁺. Reaksi terang juga menghasilkan ATP, menggunakan kemiosmosis untuk memberikan tenaga bagi penambahan gugus fosfat ke ADP, proses ini dikenal dengan fotofosforilasi. Dengan demikian, energi cahaya awalnya diubah menjadi energi kimia dalam betuk dua senyawa: NADPH, sumber elektron sebagai tenaga pereduksi yang dapat diteruskan ke molekul penerima elektron, dan mereduksi molekul tersebut; dan ATP, sumber energi serbabisa dalam sel. Perhatikan bahwa reaksi terang tidak menghasilkan gula; pembentukan gula terjadi pada tahap kedua fotosintesis yaitu reaksi gelap (Campbell, 2008: 204). 
b. Reaksi gelap,  
Reaksi gelap disebut juga dengan Siklus Calvin. Siklus Calvin diawali dengan penggabungan CO₂ dari udara ke dalam molekul organik yang sudah ada dalam kloroplas. Penggabungan karbon ke dalam senyawa organik pada awal siklus ini disebut fiksasi karbon. Siklus Calvin kemudian mereduksi karbon yang terfiksasi menjadi karbohidrat melalui penambahan elektron. Tenaga pereduksi disediakan oleh NADPH, yang menerima muatan elektronnya dalam reaksi terang. Untuk mengubah CO₂ menjadi karbohidrat, siklus Calvin juga membutuhkan energi kimia dalam bentuk ATP, yang juga dibentuk oleh reaksi terang. Dengan demikian, siklus Calvin-lah yang membuat gula, namun siklus tersebut hanya dapat melakukannya dengan bantuan NADPH dan ATP yang dihasilkan oleh reaksi terang. Pada dasarnya, kloroplas menggunakan energi cahaya untuk membuat gula dengan cara mengoordinasi kedua tahap fotosintesi tersebut (Campbell, 2008: 204).

                                              Gambar 4. Proses fotosintesis, reaksi terang dan siklus Calvin

Seperti pada gambar 4, tilakoid kloroplas merupakan tempat berlangsungnya reaksi terang, sedangkan siklus Calvin terjadi dalam stroma. Dalam tilakoid, molekul NADP⁺ mengambil elektron, sedangkan ADP mengambil fosfat. NADPH dan ATP kemudian dilepaskan ke stroma, tempat kedua molekul tersebut memainkan peran krusial dalam siklus Calvin. Kedua tahap fotosintesis dalam gambar tersebut diperlakukan sebagai modul metabolik yang mengambil bahan penyusun dan menghasilkan produk (Campbell, 2008: 204).

4.      Bagaimana fotosintesis sangat dibutuhkan

Fotosintesis berperan dalam menyediakan makanan untuk semua organisme. Organisme fotosintetik menggunakan karbon dioksida dan melepaskan oksigen yang dibutuhkan oleh semua organisme termasuk manusia untuk tetap hidup. Sebanyak 90% Oksigen yang ada di atmosfer merupakan hasil fotosintesis. Jadi, peristiwa fotosintesis penting untuk keberlangsungan makhluk hidup di Bumi (Kemdikbud, 2014: 100).

5.      Faktor fotosintesis

Fotosintesis dipengaruhi oleh banyak faktor, baik faktor dari dalam maupun faktor dari luar. Faktor dalam yang mempengaruhi fotosintesis antara lain adalah:  (1) Umur daun; (2) Keadaan stomata; (3) Jenis tumbuhan. Sedangkan faktor luar yang mempengaruhi fototsintesis antara lain: (1) CO₂ dan O₂; (2) Ketersediaan air; (3) Kelembapan dan suhu udara; (4) Keadaan cahaya.

Selain 4 faktor luar tersebut, bahan-bahan beracun juga akan mempengaruhi fotosintesis. Bahan beracun yang dapat mengganggu proses fotosintesis misalnya herbisida, tumpahan minyak dan air sabun, logam-logam berat dan sebagainya.

Cahaya matahari merupakan sumber energi utama fotosintesis. Albert Einstein menyebut energi matahari sebagai foton (kuantum). Cahaya mempengaruhi fotosintesis dalam tiga hal, yaitu : (1) intensitas, (2) lama pencahayaan, dan (3) warna cahayanya. Menurut warna cahayanya, cahaya matahari terdiri atas 7 jenis warna sinar. Bukti bahwa cahaya matahari tersusun atas bermacam-macam warna sinar dapat kita lihat pada peristiwa pelangi.

Ketujuh warna sinar memiliki panjang gelombang yang berbeda-beda. Berdasar urutan panjang gelombangnya, urutan cahaya gelombang panjang ke gelombang pendek adalah sinar merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila dan ungu. Untuk memudahkan menghafal, sering disingkat “me-ji-ku-hi-bi-ni-u”. Tetapi tidak semua jenis sinar tersebut dimanfaatkan atau diserap secara optimal oleh tumbuhan (Kemdikbud, 2014).

                                                Gambar 5. Grafik penyerapan cahaya matahari

Coba perhatikan grafik penyerapan cahaya matahari oleh klorofil pada gambar 5. Klorofil menyerap semua warna sinar, kecuali sinar hijau. Sinar yang paling banyak diserap untuk fotosintesis adalah sinar merah (± 700nm) dan biru (± 450 nm). Jenis sinar yang lain juga diserap energinya walaupun dalam tingkat yang lebih rendah. Sinar hijau dipantulkan oleh klorofil, sehingga daun tampaknya berwarna hijau. Untuk fotosintesis dibutuhkan intensitas cahaya minimal tertentu. Pada intensitas cahaya yang kurang, fotosintesisnya akan lambat. Sebaliknya, pada intensitas yang lebih tinggi, fotosintesis akan lebih cepat. Hal itu dapat diamati secara nyata, terutama pada tumbuh-tumbuhan rumput, seperti jagung, tebu dan golongan rumput yang lain. Kadar CO₂ juga menjadi faktor penting dalam fotosintesis. Fotosintesis cenderung meningkat bila kadar CO₂ nya lebih tinggi. Sebaliknya, keberadaan O₂ justru akan menghambat fotosintesis.

                                                            Gambar 6. Jenis tanaman puring

Gambar 6. adalah gambar tumbuhan Puring yang memiliki daun berwarna warni. Fotosintesis tidak hanya terjadi pada tumbuhan yang memiliki daun yang berwarna hijau, tetapi juga dapat terjadi pada tumbuhan Puring. Fotosintesis dapat terjadi pada sel-sel yang mengandung klorofil. Klorofil berperan dalam menangkap cahaya. Cahaya diperlukan untuk fotosintesis. Untuk mengetahui, apakah tumbuhan dengan daun berwarna warni mampu melakukan fotosintesis? maka dapat dilakukan uji amilum. Amilum merupakan salah satu produk dari fotosintesis, sehingga keberadaan amilum pada daun menunjukkan bahwa tumbuhan mampu melakukan fotosintesis. Jika daun tumbuhan direbus dengan alkohol, maka warna alkohol menjadi hijau. Hal yang demikian menunjukkan bahwa di dalam daun-daun tersebut memiliki klorofil. Klorofil tidak larut dalam air tetapi larut dalam pelarut organik, misalnya alkohol (Rahman dalam Kemdikbud, 2014: 229).

Saksikan video fotosintesis...