Sejarah penemuan fotosintesis

Jika anda berdiri di dekat pohon yang rindang saat cuaca panas, apakah yang anda rasakan? tentunya, akan terasa sejuk. Tapi mengapa hal itu bisa terjadi? Inilah yang disebut proses fotosisintesis pada tumbuhan. Dalam proses fotosintesis akan menghasilkan oksigen yang berguna bagi mahluk hidup. Tapi apakah para ilmuwan langsung menemukan proses fotosintesis ini? Ternyata tidak. Penemuan fundamental ini bertahap dan berlangsung selama 100 tahun lebih!

Jean Senebier (1782), menyebutkan gas yang dibutuhkan oleh tumbuhan untuk fotosintesis adalah karbondioksida yang merupakan sumber karbon bagi tumbuhan hijau. Pada tahun 1482, Julius Robert Mayer menyatakan bahwa energi cahaya matahari yang diserap oleh tumbuhan hijau selanjutnya diubah menjadi energi kimia.

Julius Von Sachs (1860) membuktikan bahwa pada fotosintesis akan terbentuk karbohidrat (amilum). Frederick Blackman (1905) menunjukkan bahwa pada proses fotosintesis terjadi reaksi gelap yang tidak membutuhkan cahaya. Robert Hill (1937) berhasil mengikuti kegiatan kloroplas yang telah dipisahkan dari sel hidup. Kloroplas tersebut jika disinari mampu menghasilkan oksigen.

Dari manakah tumbuhan memperoleh makanan ?

Berbeda dengan hewan dan manusia yang mendapatkan molekul makanan organik dengan cara memakan organisme lain atau hasil sampingannya (heterotrof), tumbuhan mendapatkan molekul makanan organik tanpa harus memakan organisme lain (autotrof). Tumbuhan tidak memiliki mulut dan perut, namun tumbuhan kaya dengan makanan, misalnya zat gula. Dari manakah asal makanan tersebut?

Ada dua tempat yaitu tanah dan udara. Akan tetapi, di tanah dan udara tidak ada zat gula, melainkan hanya ada bahan sederhana seperti karbon dioksida (CO2) dan air (H2O). Jadi, yang dilakukan oleh tumbuhan adalah menyerap bahan-bahan sederhana (CO2 dan H2O) dari lingkungan dan mengolahnya menjadi bahan lain yang kompleks, yakni zat organik seperti zat gula (Gambar pohon).

Penyusunan bahan kompleks dari bahan yang sederhana disebut sintesis. Karena tumbuhan memerlukan cahaya (foto) saat mensintesis (membuat) zat gula, maka disebut fotosintesis. Dengan demikian fotosintesis merupakan salah satu reaksi yang tergolong ke dalam reaksi anabolisme.

Bagian daun yang Berperan dalam Fotosintesis

Semua bagian tumbuhan yang berwarna hijau memiliki kloroplas sebagai tempat berlangsungnya fotosintesis. Namun, organ utama fotosintesis adalah daun. Di bagian daun (pembuluh) terdapat bagian yang disebut mesofil. Pada  mesofil terdapat jaringan tiang (palisade) dan jaringan bunga karang (spons) yang banyak terdapat kloroplas.

Kloroplas merupakan tempat fotosintesis pada tumbuhan. Kloroplas mengandung pigmen klorofil dan mempunyai membran rangkap (membran luar dan membran dalam). Klorofil merupakan pigmen warna hijau yang  menangkap energi cahaya dan mengubahnya menjadi energi kimia. Di dalam kloroplas terdapat stroma, tilakoid (kantong membran pipih di dalam kloroplas) dan grana (tumpukan tilakoid). Lihat Gambar daun.

Di antara sel-sel epidermis daun terdapat pori kecil yang disebut stomata. Fungsi stomata sebagai pengatur penguapan, pengatur masuknya gas CO2 dari udara dan keluarnya gas O2 ke udara selama fotosintesis berlangsung dan ke arah sebaliknya pada waktu respirasi berlangsung.

Proses Fotosintesis

Telah dijelaskan bahwa yang dimaksud dengan fotosintesis adalah mengolah bahan sederhana menjadi bahan yang kompleks dengan bantuan cahaya. Proses fotosintesis hanya terjadi pada tumbuhan yang memiliki klorofil atau beberapa bakteri yang memiliki pigmen fotosintetik.

Proses fotosintesis, disamping memerlukan bahan baku karbon dioksida (CO2) dan air (H2O) juga memerlukan energi cahaya yang ditangkap oleh klorofil. Tumbuhan umumnya mendapatkan karbon dioksida dari udara dan mendapatkan air dari tanah. Reaksi fotosintesis yang terjadi secara sederhana dapat dirumuskan sebagai berikut:

Sebenarnya,  proses  fotosintesis bukanlah reaksi tunggal melainkan terdiri dari beberapa tahap reaksi yang kompleks. Proses fotosintesis yang terjadi di kloroplas melalui dua tahap reaksi yaitu reaksi terang dan reaksi gelap. Perhatikan Gambar siklus.

1.  Reaksi Terang

Reaksi terang berlangsung di membran tilakoid. Cahaya matahari yang ditangkap oleh klorofil digunakan untuk memecah molekul air. Pemecahan ini disebut fotolisis yang dapat mengakibatkan molekul air pecah menjadi oksigen (O2), ion hidrogen (H+) dan melepaskan elektron. Elektron akan berjalan pada sistem transport elektron dengan mengaktifkan enzim ATP-sintase untuk menghasilkan ATP. Ion hidrogen ditangkap oleh

NADP menjadi NADPH2. Keseluruhan reaksi ini terjadi jika ada terdapat sinar matahari sehingga disebut reaksi terang. Hasil reaksi terang adalah ATP, NADPH2, dan oksigen. Oksigen dikeluarkan melalui stomata di epidermis daun.

b.  Reaksi gelap (siklus calvin)

Reaksi gelap berlangsung di stroma. Pada reaksi gelap di diperlukan karbon dioksida (CO2). ATP dan NADPH yang dihasilkan dalam proses fotosintesis memicu terjadinya reaksi gelap (siklus calvin). Pada proses ini terjadi pengikatan karbon dioksida di dalam daun. Karbon dioksida ini akan bergabung dengan ion hidrogen yang dihasilkan dari reaksi terang, membentuk gula (glukosa). Reaksi ini disebut reaksi gelap karena tidak bergantung pada ada tidaknya cahaya sehingga dapat terjadi meskipun dalam keadaan gelap (tanpa cahaya).

Hasil akhir Fotosintesis

Hasil akhir fotosintesis adalah gula sederhana. Senyawa ini perlu diubah menjadi gula lain yang lebih kompleks (misalnya sukrosa) sebelum diangkut karena mudah bereaksi. Melalui floem, sukrosa diangkut ke sel-sel daun yang tidak berfotosintesis, ke sel-sel batang dan sel-sel akar untuk keperluan tumbuhan itu sendiri. Sisa sukrosa diubah menjadi gula, protein dan lipid sebagai cadangan makanan. Cadangan makanan terutama disimpan dalam akar dan batang, tetapi ada juga yang disimpan dalam daun. Hasil lain dari fotosintesis adalah oksigen yang dilepas ke lingkungan melalui stomata yang digunakan oleh makhluk hidup lain untuk bernafas.

Faktor-faktor yang mempengaruhi laju Fotosintesis

1.   Intensitas Cahaya

Semakin rendah intensitas cahaya, semakin rendah laju fotosintesis karena energi yang diserap tidak mencukupi untuk fotosintesis.

2.   Konsentrasi karbon Dioksida

Laju fotosintesis dapat ditingkatkan dengan meningkatkan kadar CO2 udara. Akan tetapi, bila kadarnya terlalu tinggi dapat meracuni atau menyebabkan stomata tertutup, sehingga laju fotosintesis terganggu.

3.   Suhu

Semakin tinggi suhu, semakin tinggi pula laju fotosintesis.

4.   Kadar Air

Kekurangan air atau kekeringan menyebabkan stomata menutup, menghambat penyerapan karbon dioksida sehingga mengurangi laju fotosintesis.

5.   Kandungan klorofil

Daun yang menguning menunjukkan kadar korofil berkurang. Hal ini akan menurunkan laju fotosintesis. Untuk membuat pigmen klorofil tumbuhan memerlukan unsur Besi (Fe), Magnesium (Mg) dan Nitrogen (N).

6.   Kadar Fotosintat (hasil fotosintesis)

Jika kadar fotosintat seperti gula berkurang, laju fotosintesis akan naik. Bila kadar fotosintat bertambah atau bahkan sampai jenuh, laju fotosintesis akan berkurang.

7. 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.

Fotosistem sendiri dapat dibedakan menjadi dua, yaitu fotosistem I dan fotosistem II.Pada fotosistem I ini penyerapan energi cahaya dilakukan oleh klorofil a yang sensitif terhadap cahaya dengan panjang gelombang 700 nm sehingga klorofil a disebut juga P700. Energi yang diperoleh P700 ditransfer dari kompleks antena. Pada fotosistem II penyerapan energi cahaya dilakukan oleh klorofil a yang sensitif terhadap panjang gelombang 680 nm sehingga disebut P680. P680 yang teroksidasi merupakan agen pengoksidasi yang lebih kuat daripada P700. Dengan potensial redoks yang lebih besar, akan cukup elektron negatif untuk memperoleh elektron dari molekul-molekul air.

Reaksi terang

Reaksi terang dari fotosintesis pada membran tilakoid

Reaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP dan reduksi NADPH2.[21] Reaksi ini memerlukan molekul air dan cahaya matahari. Proses diawali dengan penangkapan foton oleh pigmen sebagai antena.

Reaksi terang melibatkan dua fotosistem yang saling bekerja sama, yaitu fotosistem I dan II. Fotosistem I (PS I) berisi pusat reaksi P700, yang berarti bahwa fotosistem ini optimal menyerap cahaya pada panjang gelombang 700 nm, sedangkan fotosistem II (PS II) berisi pusat reaksi P680 dan optimal menyerap cahaya pada panjang gelombang 680 nm.

Mekanisme reaksi terang diawali dengan tahap dimana fotosistem II menyerap cahaya matahari sehingga elektron klorofil pada PS II tereksitasi dan menyebabkan muatan menjadi tidak stabil.Untuk menstabilkan kembali, PS II akan mengambil elektron dari molekul H2O yang ada disekitarnya. Molekul air akan dipecahkan oleh ion mangan (Mn) yang bertindak sebagai enzim. Hal ini akan mengakibatkan pelepasan H+ di lumen tilakoid. Dengan menggunakan elektron dari air, selanjutnya PS II akan mereduksi plastokuinon (PQ) membentuk PQH2.Plastokuinon merupakan molekul kuinon yang terdapat pada membran lipid bilayer tilakoid. Plastokuinon ini akan mengirimkan elektron dari PS II ke suatu pompa H+ yang disebut sitokrom b6-f kompleks. Reaksi keseluruhan yang terjadi di PS II adalah :

2H2O + 4 foton + 2PQ + 4H- → 4H+ + O2 + 2PQH2

Sitokrom b6-f kompleks berfungsi untuk membawa elektron dari PS II ke PS I dengan mengoksidasi PQH2 dan mereduksi protein kecil yang sangat mudah bergerak dan mengandung tembaga, yang dinamakan plastosianin (PC). Kejadian ini juga menyebabkan terjadinya pompa H+ dari stroma ke membran tilakoid. Reaksi yang terjadi pada sitokrom b6-f kompleks adalah :

2PQH2 + 4PC(Cu2+) → 2PQ + 4PC(Cu+) + 4 H+ (lumen)

Elektron dari sitokrom b6-f kompleks akan diterima oleh fotosistem I. Fotosistem ini menyerap energi cahaya terpisah dari PS II, tapi mengandung kompleks inti terpisahkan, yang menerima elektron yang berasal dari H2O melalui kompleks inti PS II lebih dahulu. Sebagai sistem yang bergantung pada cahaya, PS I berfungsi mengoksidasi plastosianin tereduksi dan memindahkan elektron ke protein Fe-S larut yang disebut feredoksin.Reaksi keseluruhan pada PS I adalah :

Cahaya + 4PC(Cu+) + 4Fd(Fe3+) → 4PC(Cu2+) + 4Fd(Fe2+)

Selanjutnya elektron dari feredoksin digunakan dalam tahap akhir pengangkutan elektron untuk mereduksi NADP+ dan membentuk NADPH. Reaksi ini dikatalisis dalam stroma oleh enzim feredoksin-NADP+ reduktase. Reaksinya adalah :

4Fd (Fe2+) + 2NADP+ + 2H+ → 4Fd (Fe3+) + 2NADPH

Ion H+ yang telah dipompa ke dalam membran tilakoid akan masuk ke dalam ATP sintase. ATP sintase akan menggandengkan pembentukan ATP dengan pengangkutan elektron dan H+ melintasi membran tilakoid. Masuknya H+ pada ATP sintase akan membuat ATP sintase bekerja mengubah ADP dan fosfat anorganik (Pi) menjadi ATP.Reaksi keseluruhan yang terjadi pada reaksi terang adalah sebagai berikut :

Sinar + ADP + Pi + NADP+ + 2H2O → ATP + NADPH + 3H+ + O2

Reaksi gelap

Reaksi gelap pada tumbuhan dapat terjadi melalui dua jalur, yaitu siklus Calvin-Benson dan siklus Hatch-Slack. Pada siklus Calvin-Benson tumbuhan mengubah senyawa ribulosa 1,5 bisfosfat menjadi senyawa dengan jumlah atom karbon tiga yaitu senyawa 3-phosphogliserat.Oleh karena itulah tumbuhan yang menjalankan reaksi gelap melalui jalur ini dinamakan tumbuhan C-3.Penambatan CO2 sebagai sumber karbon pada tumbuhan ini dibantu oleh enzim rubisco.Tumbuhan yang reaksi gelapnya mengikuti jalur Hatch-Slack disebut tumbuhan C-4 karena senyawa yang terbentuk setelah penambatan CO2 adalah oksaloasetat yang memiliki empat atom karbon. Enzim yang berperan adalah phosphoenolpyruvate carboxilase.

Siklus Calvin-Benson

Siklus Calvin-Benson

Mekanisme siklus Calvin-Benson dimulai dengan fiksasi CO2 oleh ribulosa difosfat karboksilase (RuBP) membentuk 3-fosfogliserat. RuBP merupakan enzim alosetrik yang distimulasi oleh tiga jenis perubahan yang dihasilkan dari pencahayaan kloroplas. Pertama, reaksi dari enzim ini distimulasi oleh peningkatan pH. Jika kloroplas diberi cahaya, ion H+ ditranspor dari stroma ke dalam tilakoid menghasilkan peningkatan pH stroma yang menstimulasi enzim karboksilase, terletak di permukaan luar membran tilakoid. Kedua, reaksi ini distimulasi oleh Mg2+, yang memasuki stroma daun sebagai ion H+, jika kloroplas diberi cahaya. Ketiga, reaksi ini distimulasi oleh NADPH, yang dihasilkan oleh fotosistem I selama pemberian cahaya.

Fiksasi CO2 ini merupakan reaksi gelap yang distimulasi oleh pencahayaan kloroplas.[13] Fikasasi CO2 melewati proses karboksilasi, reduksi, dan regenerasi.[24] Karboksilasi melibatkan penambahan CO2 dan H2O ke RuBP membentuk dua molekul 3-fosfogliserat(3-PGA). Kemudian pada fase reduksi, gugus karboksil dalam 3-PGA direduksi menjadi 1 gugus aldehida dalam 3-fosforgliseradehida (3-Pgaldehida).Reduksi ini tidak terjadi secara langsung, tapi gugus karboksil dari 3-PGA pertama-tama diubah menjadi ester jenis anhidrida asam pada asam 1,3-bifosfogliserat (1,3-bisPGA) dengan penambahan gugus fosfat terakhir dari ATP. ATP ini timbul dari fotofosforilasi dan ADP yang dilepas ketika 1,3-bisPGA terbentuk, yang diubah kembali dengan cepat menjadi ATP oleh reaksi fotofosforilasi tambahan.Bahan pereduksi yang sebenarnya adalah NADPH, yang menyumbang 2 elektron. Secara bersamaan, Pi dilepas dan digunakan kembali untuk mengubah ADP menjadi ATP.

Pada fase regenerasi, yang diregenerasi adalah RuBP yang diperlukan untuk bereaksi dengan CO2 tambahan yang berdifusi secara konstan ke dalam dan melalui stomata.Pada akhir reaksi Calvin, ATP ketiga yang diperlukan bagi tiap molekul CO2 yang ditambat, digunakan untuk mengubah ribulosa-5-fosfat menjadi RuBP, kemudian daur dimulai lagi.

Tiga putaran daur akan menambatkan 3 molekul CO2 dan produk akhirnya adalah 1,3-Pgaldehida. Sebagian digunakan kloroplas untuk membentuk pati, sebagian lainnya dibawa keluar. Sistem ini membuat jumlah total fosfat menjadi konstan di kloroplas, tetapi menyebabkan munculnya triosafosfat di sitosol. Triosa fosfat digunakan sitosol untuk membentuk sukrosa.

Siklus Hatch-Slack

Siklus Hatch-Slack

Berdasarkan cara memproduksi glukosa, tumbuhan dapat dibedakan menjadi tumbuhan C3 dan C4.Tumbuhan C3 merupakan tumbuhan yang berasal dari daerah subtropis.Tumbuhan ini menghasilkan glukosa dengan pengolahan CO2 melalui siklus Calvin, yang melibatkan enzim Rubisco sebagai penambat CO2. Tumbuhan C3 memerlukan 3 ATP untuk menghasilkan molekul glukosa. Namun, ATP ini dapat terpakai sia-sia tanpa dihasilkannya glukosa. Hal ini dapat terjadi jika ada fotorespirasi, di mana enzim Rubisco tidak menambat CO2 tetapi menambat O2. Tumbuhan C4 adalah tumbuhan yang umumnya ditemukan di daerah tropis. Tumbuhan ini melibatkan dua enzim di dalam pengolahan CO2 menjadi glukosa. Enzim phosphophenol pyruvat carboxilase (PEPco) adalah enzim yang akan mengikat CO2 dari udara dan kemudian akan menjadi oksaloasetat. Oksaloasetat akan diubah menjadi malat. Malat akan terkarboksilasi menjadi piruvat dan CO2. Piruvat akan kembali menjadi PEPco, sedangkan CO2 akan masuk ke dalam siklus Calvin yang berlangsung di sel bundle sheath dan melibatkan enzim RuBP. Proses ini dinamakan siklus Hatch Slack, yang terjadi di sel mesofil.Dalam keseluruhan proses ini, digunakan 5 ATP.

Usaha, Cara & Metode Pelestarian Hutan Agar Tidak Gundul dan Rusak Akibat Eksploitasi Berlebih Demi Melestarikan Lingkungan

Berikut di bawah ini adalah teknik dan cara yang dapat digunakan untuk menjaga hutan kita tetap terjaga dari tangan-tangan perusak jahat. Perambahan hutan tanpa perencanaan dan etika untuk mencari keuntungan sebesar-besarnya sangatlah berbahaya karena dapat merusak alam dan habitat serta komunitas hewan yang ada di dalamnya.

1. Mencegah cara ladang berpindah / Perladangan Berpindah-pindah

Terkadang para petani tidak mau pusing mengenai kesuburan tanah. Mereka akan mencari lahan pertanian baru ketika tanah yang ditanami sudah tidak subur lagi tanpa adanya tanggung jawab membiarkan ladang terbengkalai dan tandus. Sebaiknya lahan pertanian dibuat menetap dengan menggunakan pupuk untuk menyuburkan tanah yang sudah tidak produktif lagi.

2. Waspada-Waspadalah & Hati-Hati Terhadap Api

Hindari membakar sampah, membuang puntung rokok, membuat api unggun, membakar semak, membuang obor, dan lain sebagainya yang dapat menyebabkan kebakaran hutan. Jika menyalakan api di dekat atau di dalam hutan harus diawasi dan dipantau agar tidak terjadi hal-hal yang lebih buruk. Kebakaran hutan dapat mengganggu kesehatan manusia dan hewan di sekitar lokasi kebakaran dan juga tempat yang jauh sekalipun jika asap terbawa angin kencang.

3. Reboisasi Lahan Gundul dan Metode Tebang Pilih

Kombinasi kedua teknik adalah sesuatu yang wajib dilakukan oleh para pelilik sertifikan HPH atau Hak Pengelolaan Hutan. Para perusahaan penebang pohon harus memilih-milih pohon mana yang sudah cukup umur dan ukuran untuk ditebang. Setelah meneang satu pohon sebaiknya diikuti dengan penanaman kembali beberapa bibit pohon untuk menggantikan pohon yang ditebang tersebut. Lahan yang telah gundul dan rusak karena berbagai hal juga diusahakan dilaksanakan reboisasi untuk mengembalikan pepohonan dan tanaman yang telah hilang.

4. Menempatkan Penjaga Hutan / Polisi Kehutanan / Jagawana

Dengan menempatkan satuan pengaman hutan yang jujur dan menggunakan teknologi dan persenjataan lengkap diharapkan mempu menekan maraknya aksi pengrusakan hutan oleh oknum-oknum yang tidak bertanggung jawab. Bagi para pelaku kejahatan hutan diberikan sangsi yang tegas dan dihukum seberat-beratnya. Hutan adalah aset / harta suatu bangsa yang sangat berharga yang harus dipertahankan keberadaannya demi anak cucu di masa yang akan datang.

Hutan yang berfungsi sebagai paru-paru Indonesia, yang menjaga tersedianya oksigen di bumi, perlahan-lahan mulai lenyap. Hutan-hutan tropis yang tadinya banyak dijumpai di Indonesia, kini perlahan-lahan berubah menjadi ladang perkebunan sawit, coklat dan karet.

Hal ini mengakibatkan berkurangnya luas hutan sehingga makhluk hidup yang biasa tinggal di hutan kehilangan tempat tinggal serta berkurangnya jumlah oksigen yang dihasilkan oleh hutan.

Tidak lupa berkurangnya luas hutan mempercepat efek pemanasan global.

Mengapa Luas Hutan Berkurang?

1.      Kebakaran hutan yang terjadi akibat manusia atau bencana alam contohnya musim kemarau berkepanjangan

2.      Penebangan hutan untuk dijadikan lahan perkebunan

3.      Penebangan hutan untuk dijadikan lahan hunian mahal (real estate), dsb.

 

Bahaya Apa Saja Yang Terjadi Apabila Luas Hutan Terus Berkurang?

1.      Berkurangnya jumlah oksigen yang dihasilkan ke udara

2.      Makhluk hidup yang tinggal di hutan kehilangan tempat tinggal

3.      Air hujan tidak dapat diserap oleh pohon ke dalam tanah sehingga menimbulkan banjir

4.      Pohon yang berfungsi sebagai perekat tanah berkurang sehingga dapat menimbulkan tanah longsor.

5.      Tidak ada lagi tempat untuk berteduh karena hutan sudah banyak yang gundul

 

Cara Menjaga Kelestarian Hutan?

1. Melakukan reboisasi, menanam kembali pohon sesuai dengan jumlah pohon yang ditebang

2. Menjaga hutan dari penebang liar, melapor kepada petugas dan tidak ikut serta dalam proses penebangan liar

3. Mengubah lahan perkebunan kembali menjadi hutan setiap 5 tahun sekali4. Mengajak orang lain untuk ikut peduli hutan dan menjaga kelestarian hutan5. Menanam minimal satu pohon di halaman belakang rumahmu

 

Manfaat Menjaga Kelestarian Hutan

1. Makhluk hidup yang tinggal di hutan tidak akan kehilangan tempat tinggal2. Meminimalkan terjadinya bencana alam seperti longsor, banjir dan lain-lain3. Bumi menjadi tempat yang lebih teduh dengan banyaknya hutan-hutan tropis

yang ada4. kita tidak akan kekurangan jumlah oksigen yang dilepas ke udara