Bagaimana Fotosintesis Bekerja?

Proses fotosintesis, di mana tanaman dan pohon mengubah cahaya dari matahari menjadi nutrisi energi, mungkin pada awalnya tampak seperti sihir, tetapi secara langsung dan tidak langsung, proses ini menopang keseluruhan dunia. Saat tanaman hijau meraih cahaya, daunnya menangkap energi matahari dengan menggunakan bahan kimia penyerap cahaya atau pigmen khusus untuk membuat makanan dari karbon dioksida dan air yang ditarik dari atmosfer. Proses ini melepaskan oksigen sebagai produk sampingan kembali ke atmosfer, komponen di udara yang dibutuhkan untuk semua organisme yang bernafas.

TL; DR (Terlalu Panjang; Tidak Membaca)

Persamaan sederhana untuk fotosintesis adalah karbon dioksida + air + energi cahaya = glukosa + oksigen. Sebagai entitas dalam kerajaan tumbuhan mengkonsumsi karbon dioksida selama fotosintesis, mereka melepaskan oksigen kembali ke atmosfer bagi orang untuk bernapas; pohon dan tanaman hijau (di darat dan di laut) terutama bertanggung jawab atas oksigen di dalam atmosfer, dan tanpa mereka, hewan dan manusia, serta bentuk kehidupan lainnya, mungkin tidak ada seperti mereka lakukan hari ini.

Hal-hal hijau yang tumbuh diperlukan untuk semua kehidupan di planet ini, tidak hanya sebagai makanan bagi herbivora dan omnivora, tetapi juga untuk oksigen untuk bernafas. Proses fotosintesis adalah cara utama oksigen memasuki atmosfer. Ini adalah satu-satunya cara biologis di planet ini yang menangkap energi cahaya matahari, mengubahnya menjadi gula dan karbohidrat yang menyediakan nutrisi bagi tanaman sambil melepaskan oksigen.

Pikirkan tentang ini: Tumbuhan dan pohon pada dasarnya dapat menarik energi yang dimulai di luar angkasa, di bentuk sinar matahari, mengubahnya menjadi makanan, dan dalam prosesnya, melepaskan udara yang dibutuhkan organisme untuk berkembang. Dapat dikatakan bahwa semua tanaman dan pohon penghasil oksigen memiliki hubungan simbiosis dengan semua organisme penghirup oksigen. Manusia dan hewan menyediakan karbon dioksida untuk tanaman, dan mereka memberikan oksigen sebagai balasannya. Ahli biologi menyebut ini sebagai hubungan simbiosis mutualistik karena semua pihak dalam hubungan diuntungkan.

Dalam sistem klasifikasi Linnaean, kategorisasi dan peringkat semua makhluk hidup, tumbuhan, ganggang dan sejenis bakteri yang disebut cyanobacteria adalah satu-satunya makhluk hidup yang menghasilkan makanan dari sinar matahari. Argumen untuk menebang hutan dan mencabut tanaman demi pembangunan tampaknya kontraproduktif jika tidak ada manusia yang tersisa untuk hidup dalam perkembangan itu karena tidak ada tanaman dan pohon yang tersisa untuk menghasilkan oksigen.

Tumbuhan dan pohon adalah autotrof, organisme hidup yang membuat makanannya sendiri. Karena mereka melakukan ini menggunakan energi cahaya dari matahari, ahli biologi menyebutnya fotoautotrof. Sebagian besar tanaman dan pohon di planet ini adalah fotoautotrof.

Konversi sinar matahari menjadi makanan terjadi pada tingkat sel di dalam daun tumbuhan dalam organel yang ditemukan dalam sel tumbuhan, struktur yang disebut kloroplas. Sementara daun terdiri dari beberapa lapisan, fotosintesis terjadi di mesofil, lapisan tengah. Bukaan mikro kecil di bagian bawah daun yang disebut stomata mengontrol aliran karbon dioksida dan oksigen ke dan dari tanaman, mengendalikan pertukaran gas tanaman dan keseimbangan air tanaman.

Stomata ada di bagian bawah daun, menghadap jauh dari matahari, untuk meminimalkan kehilangan air. Sel penjaga kecil yang mengelilingi stomata mengontrol pembukaan dan penutupan bukaan seperti mulut ini dengan membengkak atau menyusut sebagai respons terhadap jumlah air di atmosfer. Ketika stomata menutup, fotosintesis tidak dapat terjadi, karena tanaman tidak dapat mengambil karbon dioksida. Hal ini menyebabkan kadar karbon dioksida di tanaman turun. Ketika siang hari menjadi terlalu panas dan kering, stroma menutup untuk menghemat kelembaban.

Sebagai organel atau struktur pada tingkat sel pada daun tumbuhan, kloroplas memiliki membran luar dan dalam yang mengelilinginya. Di dalam membran ini terdapat struktur berbentuk piring yang disebut tilakoid. Membran tilakoid adalah tempat tanaman dan pohon menyimpan klorofil, pigmen hijau yang bertanggung jawab untuk menyerap energi cahaya dari matahari. Di sinilah reaksi awal yang bergantung pada cahaya terjadi di mana banyak protein membentuk rantai transpor untuk membawa energi yang ditarik dari matahari ke tempat yang dibutuhkannya di dalam tanaman.

Proses fotosintesis adalah dua tahap, proses multi-langkah. Tahap pertama fotosintesis dimulai dengan Reaksi Ringan, juga dikenal sebagai Proses Bergantung Cahaya dan membutuhkan energi cahaya dari matahari. Tahap kedua, Reaksi Gelap panggung, juga disebut Siklus Calvin, adalah proses dimana tanaman membuat gula dengan bantuan NADPH dan ATP dari tahap reaksi terang.

Itu Reaksi Ringan fase fotosintesis melibatkan langkah-langkah berikut:

• Mengumpulkan karbon dioksida dan air dari atmosfer melalui tanaman atau daun pohon.
• Pigmen hijau penyerap cahaya pada tanaman atau pohon mengubah sinar matahari menjadi energi kimia yang tersimpan.
• Diaktifkan oleh cahaya, enzim tanaman mengangkut energi di tempat yang dibutuhkan sebelum melepaskannya untuk memulai yang baru.
  

Semua ini terjadi pada tingkat sel di dalam tilakoid tumbuhan, kantung pipih individu, diatur dalam grana atau tumpukan di dalam kloroplas sel tumbuhan atau pohon.

Itu Siklus Calvin, dinamai untuk ahli biokimia Berkeley Melvin Calvin (1911-1997), penerima Hadiah Nobel Kimia 1961 untuk penemuannya tahap Reaksi Gelap, adalah proses dimana tanaman membuat gula dengan bantuan NADPH dan ATP dari reaksi terang tahap. Selama Siklus Calvin, langkah-langkah berikut terjadi:

• Fiksasi karbon di mana tanaman menghubungkan karbon ke bahan kimia tanaman (RuBP) untuk fotosintesis.
• Fase reduksi dimana bahan kimia tanaman dan energi bereaksi untuk membuat gula tanaman.
• Pembentukan karbohidrat sebagai nutrisi tanaman.
• Fase regenerasi di mana gula dan energi bekerja sama untuk membentuk molekul RuBP, yang memungkinkan siklus untuk memulai lagi.

Tertanam dalam membran tilakoid adalah dua sistem penangkap cahaya: fotosistem I dan fotosistem II terdiri dari beberapa protein seperti antena yang di mana daun tanaman mengubah energi cahaya menjadi kimia energi. Fotosistem I menyediakan pasokan pembawa elektron berenergi rendah sementara yang lain mengirimkan molekul berenergi ke mana mereka harus pergi.

Klorofil adalah pigmen penyerap cahaya, di dalam daun tanaman dan pohon, yang memulai proses fotosintesis. Sebagai pigmen organik dalam tilakoid kloroplas, klorofil hanya menyerap energi dalam pita sempit narrow spektrum elektromagnetik yang dihasilkan oleh matahari dalam rentang panjang gelombang 700 nanometer (nm) hingga 400 nm. Disebut pita radiasi aktif fotosintesis, warna hijau berada di tengah spektrum cahaya tampak yang memisahkan energi yang lebih rendah, tetapi panjang gelombang lebih panjang merah, kuning dan oranye dari energi tinggi, panjang gelombang lebih pendek, biru, nila dan violet.

Sebagai klorofil menyerap satu foton atau berbeda paket energi cahaya, itu menyebabkan molekul-molekul ini menjadi bersemangat. Setelah molekul tanaman menjadi tereksitasi, sisa langkah dalam proses melibatkan memasukkan molekul tereksitasi itu ke dalam sistem transpor energi melalui energi. pembawa yang disebut nicotinamide adenine dinucleotide phosphate atau NADPH, untuk pengiriman ke tahap kedua fotosintesis, fase Reaksi Gelap atau Calvin Siklus.

Setelah memasuki rantai transpor elektron, proses mengekstrak ion hidrogen dari air yang diambil dan mengirimkannya ke bagian dalam tilakoid, tempat ion hidrogen ini terbentuk. Ion melewati membran semi berpori dari sisi stroma ke lumen tilakoid, kehilangan sebagian energi dalam proses, saat mereka bergerak melalui protein yang ada di antara dua fotosistem. Ion hidrogen berkumpul di lumen tilakoid di mana mereka menunggu energi kembali sebelum berpartisipasi dalam proses yang membuat Adenosin trifosfat atau ATP, mata uang energi sel.

Protein antena di fotosistem 1 menyerap foton lain, meneruskannya ke pusat reaksi PS1 yang disebut P700. Pusat teroksidasi, P700 mengirimkan elektron berenergi tinggi ke nikotinamida adenin dinukleotida fosfat atau NADP+ dan mereduksinya menjadi NADPH dan ATP. Di sinilah sel tumbuhan mengubah energi cahaya menjadi energi kimia.

Kloroplas mengkoordinasikan dua tahap fotosintesis untuk menggunakan energi cahaya untuk membuat gula. Tilakoid di dalam kloroplas mewakili tempat reaksi terang, sedangkan Siklus Calvin terjadi di stroma.

Respirasi sel, terkait dengan proses fotosintesis, terjadi di dalam sel tumbuhan saat mengambil energi cahaya, mengubahnya menjadi energi kimia dan melepaskan oksigen kembali ke atmosfer. Respirasi terjadi di dalam sel tumbuhan terjadi ketika gula yang dihasilkan selama proses fotosintesis bergabung dengan oksigen untuk membuat energi bagi sel, membentuk karbon dioksida dan air sebagai produk sampingan dari pernafasan. Persamaan sederhana untuk respirasi adalah kebalikan dari fotosintesis: glukosa + oksigen = energi + karbon dioksida + energi cahaya.

Respirasi sel terjadi di semua sel hidup tumbuhan, tidak hanya di daun, tetapi juga di akar tumbuhan atau pohon. Karena respirasi sel tidak membutuhkan energi cahaya untuk terjadi, itu dapat terjadi baik siang maupun malam. Tetapi tanaman yang terlalu banyak menyiram di tanah dengan drainase yang buruk menyebabkan masalah bagi respirasi seluler, seperti tergenang tanaman tidak dapat mengambil oksigen yang cukup melalui akarnya dan mengubah glukosa untuk mendukung metabolisme sel proses. Jika tanaman menerima terlalu banyak air terlalu lama, akarnya dapat kekurangan oksigen, yang pada dasarnya dapat menghentikan respirasi sel dan membunuh tanaman.

Profesor Merced University of California Elliott Campbell dan tim penelitinya mencatat dalam artikel April 2017 di "Nature," sebuah jurnal ilmiah internasional, bahwa proses fotosintesis meningkat secara dramatis selama 20th abad. Tim peneliti menemukan catatan global dari proses fotosintesis yang berlangsung selama dua ratus tahun.

Hal ini membuat mereka menyimpulkan bahwa total semua fotosintesis tumbuhan di planet ini tumbuh sebesar 30 persen selama tahun-tahun yang mereka teliti. Sementara penelitian tidak secara khusus mengidentifikasi penyebab peningkatan proses fotosintesis secara global, tim model komputer menyarankan beberapa proses, ketika digabungkan, yang dapat menghasilkan peningkatan besar dalam pabrik global pertumbuhan.

Model menunjukkan bahwa penyebab utama peningkatan fotosintesis termasuk peningkatan emisi karbon dioksida di atmosfer (terutama karena manusia aktivitas), musim tanam yang lebih panjang karena pemanasan global akibat emisi ini dan peningkatan polusi nitrogen yang disebabkan oleh pertanian massal dan bahan bakar fosil pembakaran. Aktivitas manusia yang mengarah pada hasil ini memiliki efek positif dan negatif di planet ini.

Profesor Campbell mencatat bahwa sementara peningkatan emisi karbon dioksida merangsang hasil panen, itu juga merangsang pertumbuhan gulma yang tidak diinginkan dan spesies invasif. Dia mencatat bahwa peningkatan emisi karbon dioksida secara langsung menyebabkan perubahan iklim yang menyebabkan lebih banyak banjir di sepanjang pesisir daerah, kondisi cuaca ekstrim dan peningkatan pengasaman laut, yang semuanya memiliki efek peracikan secara global.

Sementara fotosintesis memang meningkat selama abad ke-20, itu juga menyebabkan tanaman menyimpan lebih banyak karbon di ekosistem di seluruh dunia, sehingga mereka menjadi sumber karbon alih-alih penyerap karbon. Bahkan dengan peningkatan fotosintesis, peningkatan tersebut tidak dapat mengimbangi pembakaran bahan bakar fosil, karena lebih banyak emisi karbon dioksida dari pembakaran bahan bakar fosil cenderung melebihi kemampuan tanaman untuk menyerap CO2.

Para peneliti menganalisis data salju Antartika yang dikumpulkan oleh Administrasi Kelautan dan Atmosfer Nasional untuk mengembangkan temuan mereka. Dengan mempelajari gas yang tersimpan dalam sampel es, para peneliti meninjau atmosfer global di masa lalu.