Fotosintesis (dari bahasa Yunani φώτο- [fó̱�to-], "cahaya," dan σύνθεσις [sýnthesis], "menggabungkan", "penggabungan") adalah suatu proses biokimia pembentukan zat makanan seperti karbohidrat yang dilakukan oleh tumbuhan, terutama tumbuhan yang mengandung zat hijau daun atau klorofil. Selain tumbuhan berkalori tinggi, makhluk hidup non-klorofil lain yang berfotosintesis adalah alga dan beberapa jenis bakteri. Organisme ini berfotosintesis dengan menggunakan zat hara, karbon dioksida, dan air serta bantuan energi cahaya matahari.[1]

Organisme fotosintesis disebut fotoautotrof karena mereka dapat membuat makanannya sendiri. Pada tanaman, alga, dan cyanobacteria, fotosintesis dilakukan dengan memanfaatkan karbondioksida dan air serta menghasilkan produk buangan oksigen. Fotosintesis sangat penting bagi semua kehidupan aerobik di Bumi karena selain untuk menjaga tingkat normal oksigen di atmosfer, fotosintesis juga merupakan sumber energi bagi hampir semua kehidupan di Bumi, baik secara langsung (melalui produksi primer) maupun tidak langsung (sebagai sumber utama energi dalam makanan mereka),[2] kecuali pada organisme kemoautotrof yang hidup di bebatuan atau di lubang angin hidrotermal di laut yang dalam. Tingkat penyerapan energi oleh fotosintesis sangat tinggi, yaitu sekitar 100 terawatt,[3] atau kira-kira enam kali lebih besar daripada konsumsi energi peradaban manusia.[4] Selain energi, fotosintesis juga menjadi sumber karbon bagi semua senyawa organik dalam tubuh organisme. Fotosintesis mengubah sekitar 100–115 petagram karbon menjadi biomassa setiap tahunnya.[5][6]

Meskipun fotosintesis dapat berlangsung dalam berbagai cara pada berbagai spesies, beberapa cirinya selalu sama. Misalnya, prosesnya selalu dimulai dengan energi cahaya diserap oleh protein berklorofil yang disebut pusat reaksi fotosintesis. Pada tumbuhan, protein ini tersimpan di dalam organel yang disebut kloroplas, sedangkan pada bakteri, protein ini tersimpan pada membran plasma. Sebagian dari energi cahaya yang dikumpulkan oleh klorofil disimpan dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP). Sisa energinya digunakan untuk memisahkan elektron dari zat seperti air. Elektron ini digunakan dalam reaksi yang mengubah karbondioksia menjadi senyawa organik. Pada tumbuhan, alga, dan cyanobacteria, ini dilakukan dalam suatu rangkaian reaksi yang disebut siklus Calvin, namun rangkaian reaksi yang berbeda ditemukan pada beberapa bakteri, misalnya siklus Krebs terbalik pada Chlorobium. Banyak organisme fotosintesis memiliki adaptasi yang mengonsentrasikan atau menyimpan karbondioksida. Ini membantu mengurangi proses boros yang disebut fotorespirasi yang dapat menghabiskan sebagian dari gula yang dihasilkan selama fotosintesis.

Organisme fotosintesis pertama kemungkinan berevolusi sekitar 3.500 juta tahun silam, pada masa awal sejarah evolusi kehidupan ketika semua bentuk kehidupan di Bumi merupakan mikroorganisme dan atmosfer memiliki sejumlah besar karbondioksida. Makhluk hidup ketika itu sangat mungkin memanfaatkan hidrogen atau hidrogen sulfida—bukan air—sebagai sumber elektron.[7] Cyanobacteria muncul kemudian, sekitar 3.000 juta tahun silam, dan secara drastis mengubah Bumi ketika mereka mulai mengoksigenkan atmosfer pada sekitar 2.400 juta tahun silam.[8] Atmosfer baru ini memungkinkan evolusi kehidupan kompleks seperi protista. Pada akhirnya, tidak kurang dari satu miliar tahun silam, salah satu protista membentuk hubungan simbiosis dengan satu cyanobacteria dan menghasilkan nenek moyang dari seluruh tumbuhan dan alga.[9] Kloroplas pada Tumbuhan modern merupakan keturunan dari cyanobacteria yang bersimbiosis ini.[10]

Fotosintesis Pada Tumbuhan

Fotosintesis berasal dari bahasa Yunani, yakni foto dan synthesis. Foto sendiri diartikan

sebagai cahaya sedangkan synthesis merupakan kata yang bermakna menggabungkan atau

penggabungan. Secara sederhana, fotosintesis bisa diartikan sebagai proses pembuatan

makanan yang dilakukan oleh tumbuhan

berwarna hijau dengan melibatkan atau tidak cahaya matahari di dalamnya. Selain matahari, proses fotosintesis ini juga melibatkan beberapa enzim. Proses fotosintesis ini biasa dilakukan oleh tumbuh-tumbuhan, umumnya tumbuhan tingkat tinggi dan beberapa jenis alga juga bakteri dalam rangka menghasilkan energy berupa nutrisi yang akan digunakan dalam berbagai aktifitas.

Penemuan tentang fotosintesis.

Proses fotosintesis telah diketahui sejak tahun 1800-an. Pada awal tahun 1600-an, seorang

dokter dan ahli kimia, Jan van Helmont, berkebangsaan Flandria (sekarang bagian dari

Belgia), melakukan percobaan untuk mengetahui faktor apa yang menyebabkan massa

tumbuhan bertambah dari waktu ke waktu. Dari penelitiannya, Helmont menyimpulkan

bahwa massa tumbuhan bertambah hanya karena pemberian air. Tapi pada tahun 1720, ahli

botani Inggris, Stephen Hales berhipotesis bahwa pasti ada faktor lain selain air yang

berperan. Ia berpendapat faktor itu adalah udara. Joseph Priestley, seorang ahli kimia dan

pendeta, menemukan bahwa ketika ia menutup sebuah lilin menyala dengan sebuah toples

terbalik, nyalanya akan mati sebelum lilinnya habis terbakar. Ia kemudian menemukan bila ia

meletakkan tikus dalam toples terbalik bersama lilin, tikus itu akan mati lemas. Dari kedua

percobaan itu, Priestley menyimpulkan bahwa nyala lilin telah “merusak” udara dalam toples

itu dan menyebabkan matinya tikus. Ia kemudian menunjukkan bahwa udara yang telah

“dirusak” oleh lilin tersebut dapat “dipulihkan” oleh tumbuhan. Ia juga menunjukkan bahwa

tikus dapat tetap hidup dalam toples tertutup asalkan di dalamnya juga terdapat tumbuhan.

Pada tahun 1778, Jan Ingenhousz, dokter kerajaan Austria, mengulangi eksperimen Priestley.

Ia menemukan bahwa cahaya matahari berpengaruh pada tumbuhan sehingga dapat

“memulihkan” udara yang “rusak”. Akhirnya di tahun 1796, Jean Senebier, seorang pastor

Perancis, menunjukkan bahwa udara yang “dipulihkan” dan “merusak” itu adalah karbon

dioksida yang diserap oleh tumbuhan dalam fotosintesis. Tidak lama kemudian, Theodore de

Saussure berhasil menunjukkan hubungan antara hipotesis Stephen Hale dengan percobaan-

percobaan “pemulihan” udara. Ia menemukan bahwa peningkatan massa tumbuhan bukan

hanya karena penyerapan karbon dioksida, tetapi juga oleh pemberian air. Melalui

serangkaian eksperimen inilah akhirnya para ahli berhasil menggambarkan persamaan umum

dari fotosintesis yang menghasilkan makanan (seperti glukosa).

Proses fotosintesis terdapat pada tumbuhan hijau yang bersifat autotrof yakni bisa menyusun

makanannya sendiri. Melalui daun, tumbuhan menyerap molekul karbondioksida

juga air dalam rangka menghasilkan gula dan juga oksigen. Kedua senyawa tersebut

kemudian akan digunakan sebagai penyokong pertumbuhannnya. Adapun persamaan rekaksi

yang terjadi dalam proses fotosintesis adalah sebagai berikut: 

6H2O + 6CO2 + cahaya → C6H12O6 (glukosa) + 6O2

Tumbuhan yang melakukan proses fotosintesis memerlukan bantuan cahaya matahari.

Mereka mampu menyerap cahaya tersebut sebab mereka memiliki zat hijau daun atau

klorofil. Klorofil ini sendiri ada di dalam bagian organel bernama kloroplast. Pada bagian

daun tumbuhan, terdapat dua lapisan sel yang dinamai dengan mesofil. pada bagian ini

terdapat kurang lebih setengah juta kloroplast yang tersebar di setiap millimeter persegi.

Cahaya matahari selanjutnya akan melewati lapisan epidermis yang tanpa warna kemudian

melaju menuju mesofil. Pada bagian inilah sebagian besar kegiatan fotosintesis berlangsung.

Fotosintesis terbentuk dari beberapa proses reaksi yakni reaksi terang (dengan bantuan

cahaya matahari) dan reaksi gelap (tanpa cahaya matahari).

Reaksi terang

Pada reaksi terang terjadi  penguraian air pada klorofil dari cahaya matahari yang disebut 

fotolisis. Cahaya matahari  dibutuhkan sebagai sumber energi dalam reaksi terang. Di  mana

sumber energi yang  diubah oleh klorofil menjadi  energi kimia dan disimpan dalam  bentuk

ATP (Adenosina trifosfat).  Klorofil berfungsi sebagai  pengantar energi cahaya menjadi

kimia.  Reaksi terang menghasilkan ATP dan reduksi NADPH2.

Reaksi ini memerlukan molekul air. Proses diawali dengan penangkapan foton oleh pigmen

sebagai antena. Pigmen klorofil menyerap lebih banyak cahaya terlihat pada warna biru (400-

450 nanometer) dan merah (650-700 nanometer) dibandingkan hijau (500-600 nanometer).

Cahaya hijau ini akan dipantulkan dan ditangkap oleh mata kita sehingga menimbulkan

sensasi bahwa daun berwarna hijau. Fotosintesis akan menghasilkan lebih banyak energi pada

gelombang cahaya dengan panjang tertentu. Hal ini karena panjang gelombang yang pendek

menyimpan lebih banyak energi. Di dalam daun, cahaya akan diserap oleh molekul klorofil

untuk dikumpulkan pada pusat-pusat reaksi. Tumbuhan memiliki dua jenis pigmen yang

berfungsi aktif sebagai pusat reaksi atau fotosistem yaitu fotosistem II dan fotosistem I.

Fotosistem II terdiri dari molekul klorofil yang menyerap cahaya dengan panjang gelombang

680 nanometer, sedangkan fotosistem I 700 nanometer. Kedua fotosistem ini akan bekerja

secara simultan dalam fotosintesis, seperti dua baterai dalam senter yang bekerja saling

memperkuat.

Fotosintesis dimulai ketika cahaya mengionisasi molekul klorofil pada fotosistem II,

membuatnya melepaskan elektron yang akan ditransfer sepanjang rantai transpor elektron.

Energi dari elektron ini digunakan untuk fotofosforilasi yang menghasilkan ATP, satuan

pertukaran energi dalam sel. Reaksi ini menyebabkan fotosistem II mengalami defisit atau

kekurangan elektron yang harus segera diganti. Pada tumbuhan dan alga, kekurangan

elektron ini dipenuhi oleh elektron dari hasil ionisasi air yang terjadi bersamaan dengan

ionisasi klorofil. Hasil ionisasi air ini adalah elektron dan oksigen. Oksigen dari proses

fotosintesis hanya dihasilkan dari air, bukan dari karbon dioksida. Pendapat ini pertama kali

diungkapkan oleh C.B. van Neil yang mempelajari bakteri fotosintetik pada tahun 1930-an.

Bakteri fotosintetik, selain sianobakteri, menggunakan tidak menghasilkan oksigen karena

menggunakan ionisasi sulfida atau hidrogen.

Pada saat yang sama dengan ionisasi fotosistem II, cahaya juga mengionisasi fotosistem I,

melepaskan elektron yang ditransfer sepanjang rantai transpor elektron yang akhirnya

mereduksi NADP menjadi NADPH.

Reaksi gelap

Pada reaksi gelap terjadi pengikatan karbondioksida oleh daun. Kemudian karbon dioksida

tersebut diubah menjadi glukosa. Dalam pembentukan glukosa ini diperlukan ATP yang

dihasilkan melalui proses terang. Pada reaksi ini tidak dibutuhkan sinar matahari, dan terjadi

pada bagian stroma pada kloroplas

ATP dan NADPH yang dihasilkan dalam proses fotosintesis (reaksi terang) memicu berbagai

proses biokimia. Pada tumbuhan proses biokimia yang terpicu adalah siklus Calvin yang

mengikat karbon dioksida untuk membentuk ribulosa (dan kemudian menjadi gula seperti

glukosa). Reaksi ini disebut reaksi gelap karena tidak bergantung pada ada tidaknya cahaya

sehingga dapat terjadi meskipun dalam keadaan gelap (tanpa cahaya)

Gambar siklus CalvinSiklus Calvin berlangsung melalui 3 tahap:

1) Karboksilasi (Fiksasi) CO2

CO2 diikat (fiksasi) oleh senyawa rebulosa bifosfat (RuBP) yang memiliki atom C sebanyak

5 (C-5), karena hanya mengikat satu atom C (C-1) maka terbentuk senyawa RuBP dengan

atom C sebanyak 6 (C-6) dalam keadaan yang tidak stabil dan pecah menjadi 2 senyawa

gliseraldehid 3-fosfat (G3P).

2) Reduksi

Selanjutnya 2 senyawa gliseraldehid 3-fosfat (G3P) bereaksi dengan ATP, membentuk asam

fosfogliseraldehid yang masih berikatan dengan H2 berasal dari NADPH2. Siklus reaksinya

harus berjalan 3 kali, baru terbentuk hasil akhir yaitu 6 senyawa gliseraldehid 3-fosfat (G3P).

3) Regenerasi

Regenerasi atau pembentukan kembali senyawa rebulosa bifosfat (RuBP) digunakan untuk

mengikat CO2. Pembentukan kembali senyawa rebulosa bifosfat (RuBP) dan pecah menjadi

2 senyawa (G3P) bereaksi dengan ATP membentuk asam fosfogliseraldehid dan NADPH2.

Siklus reaksinya berjalan 3 kali, dan kembali regenerasi lagi. Jadi untuk membentuk 1

molekul glukosa maka dibutuhkan sebanyak 6 kali siklus (siklus Calvin) dengan menangkap

sebanyak 6 molekul 6CO2, reaksinya sebagai berikut.

6CO2 + 6H2O ———> C6H12O6 + 6O

Beberapa faktor yang menentukan kecepatan fotosintesis:

1.      Cahaya

Komponen-komponen cahaya yang mempengaruhi kecepatan laju fotosintesis

adalah intensitas, kualitas dan lama penyinaran. Intensitas adalah banyaknya cahaya

matahari yang diterima sedangkan kualitas adalah panjang gelombang cahaya yang

efektif untuk terjadinya fotosintesis.

2.      Konsentrasi karbondioksida

Semakin banyak karbondioksida di udara, makin banyak jumlah bahan yang dapat

digunakan tumbuhan untuk melangsungkan fotosintesis.

3.      Suhu

Enzim-enzim yang bekerja dalam proses fotosintesis hanya dapat bekerja pada suhu

optimalnya. Umumnya laju fotosintensis meningkat seiring dengan meningkatnya suhu

hingga batas toleransi enzim.

4.      Kadar air

Kekurangan air atau kekeringan menyebabkan stomata menutup, menghambat

penyerapan karbon dioksida sehingga mengurangi laju fotosintesis.

5.      Kadar fotosintat (hasil fotosintesis)

Jika kadar fotosintat seperti karbohidrat berkurang, laju fotosintesis akan naik. Bila

kadar fotosintat bertambah atau bahkan sampai jenuh, laju fotosintesis akan berkurang.

6.      Tahap pertumbuhan

Penelitian menunjukkan bahwa laju fotosintesis jauh lebih tinggi pada tumbuhan yang

sedang berkecambah ketimbang tumbuhan dewasa. Hal ini mungkin dikarenakan

tumbuhan berkecambah memerlukan lebih banyak energi dan makanan untuk tumbuh.