Faktor Utama Penentu Laju Fotosintesis Dalam Biologi
Pengertian Fotosintesis
Fotosintesis adalah suatu proses biokimia pembentukan zat makanan atau energi yaitu glukosa yang dilakukan tumbuhan, alga, dan beberapa jenis bakteri dengan menggunakan zat hara, karbondioksida, dan air serta dibutuhkan bantuan energi cahaya matahari. Hampir semua makhluk hidup bergantung dari energi yang dihasilkan dalam fotosintesis. Akibatnya fotosintesis menjadi sangat penting bagi kehidupan di bumi.
Fotosintesis juga berjasa menghasilkan sebagian besar oksigen yang terdapat di atmosfer bumi. Organisme yang menghasilkan energi melalui fotosintesis (photos berarti cahaya) disebut sebagai fototrof. Fotosintesis merupakan salah satu cara asimilasi karbon karena dalam fotosintesis karbon bebas dari CO2 diikat (difiksasi) menjadi gula sebagai molekul penyimpan energi. Cara lain yang ditempuh organisme untuk mengasimilasi karbon adalah melalui kemosintesis, yang dilakukan oleh sejumlah bakteri belerang.
Faktor Mempengaruhi Laju Fotosintesis
Intensitas Cahaya
Cahaya mempunyai dua sifat yaitu sifat gelombang dan sifat partikel.Sifat partikel cahaya biasanya dinyatakan terdapat pada foton dan kuanta, yaitu suatu paket energi yang mempunyai ciri tersendiri; masing-masing foton mempunyai panjang gelombang tertentu.Energi dalam tiap foton berbanding terbalik dengan panjang gelombang, jadi panjang gelombang cahaya ungu dan biru mempunyai energi foton yang lebih tinggi dari panjang gelombang cahaya jingga (orange) dan merah (Sasmitamihardja, 1990).
Menurut Dwidjoseputro (1994), spektrum dari sinar yang tampak oleh mata kita dapat digambarkan dengan gelombangnya dinyatakan dengan mµ.
| Ungu | Nila | Biru | Hijau | Kuning | Jingga | Merah |
| 430 mµ | 470 mµ | 500 mµ | 560 mµ | 600 mµ | 650 mµ | 760mµ |
Suatu prinsip mendasar dari absorpsi cahaya disebut hukum Stark Einstein yang menyatakan bahwa setiap molekul setiap kali hanya dapat menyerap satu foton, dan foton ini menyebabkan tereksitasinya hanya satu elektron.Elektron yang dalam keadaan dasar (ground state) stabil pada suatu orbit biasanya tereksitasi, dipindahkan menjahui keadaan dasarnya (orbit tersebut) dengan jarak (ke orbit lain) sesuai dengan energi foton yang diabsorpsinya. Jika yang menyerap energi foton itu adalah mplekul klorofil atau pigmen yang lain, maka molekul itu kemudian akan berada dalam keadaan tereksitasi, dan energi eksitasi inilah yang digunakan dalam fotosintesis. Klorofil atau pigmen yang lain itu akan tetap dalam keadaan tereksitasi untuk waktu yang singkat, biasanya 10-9 detik atau malahan kurang dari itu, energi eksitasi akan hilang pada waktu elektron kembali ke orbitnya semula.
Energi eksitasi yang diinduksi dalam suatu molekul atau atom oleh satu foton dapat hilang menurut tiga cara, yaitu (Sasmitamihardja, 1990):
- Energi dapat hilang sebagai panas atau kalor.
- Energi dapat sebagian hilang sebagai panas dan sisanya sebagai cahaya tampak dengan panjang gelombang lebih panjang dari panjang gelombang yang diabsorpsi, dinamakan fluoresensi.
- Energi dapat dilakukan untuk melakukan suatu reaksi kimia. Fotosintetsis adalah hasil dari proses yang ketiga.
Semakin rendah intensitas cahaya, semakin rendah laju fotosintesis karena energi yang diserap tidak mencukupi untuk fotosintesis. Panjang gelombang yang ditangkap daun menentukan lebar mulut stomata. Dalam beberapa penelitian ditemukan bahwa cahaya biru dan merah akan memberikan pelebaran mulut stomata yang tinggi sedangkan cahaya hijau dan kuning memberikan pelebar.
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.
Faktor Suhu
Semakin tinggi suhu, semakin tinggi pula laju fotosintesis. 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.
Kadar Air
Kekurangan air atau kekeringan menyebabkan stomata menutup, menghambat penyerapan karbon dioksida sehingga mengurangi laju fotosintesis.
Kandungan klorofil
Klorofil terdapat sebagai butir-butir hijau di dalam kloroplas.Pada umumnya kloroplas itu berbentuk oval, bahan dasarnya disebut stroma, sedang butir-butir yang terkandung di dalamnya disebut grana.
Menurut Dwidjoseputro (1994), faktor-faktor yang mempengaruhi pembentukan klorofil:
- Faktor pembawaan. Pembentukan klorofil seperti halnya pembembentukan pigmen-pigmen lain seperti hewan dan manusia yang di bawakan oleh suatu gen tertentu di dalam kromosom. Jika gen ini tidak ada maka tanaman akan tampak putih belaka (albino), seperti tanaman jagung yang albino tidak dapat hidup lama.
Pada beberapa kecambah tanaman Angiosperma, klorofil dapat terbentuk tanpa memerlukan cahaya. Tanaman lain yang ditumbuhkan di dalam gelap tidak berhasil membentuk klorofil, mereka pucat (klorosis) kekuning-kuningan, disebabkan karena adanya protoklorofil yang mirip dengan klorofil-a, yang mengandung kurang 2 atom H. terlalu banyak sinar berpengaruh buruk kepada kepada klorofil. Larutan klorofil yang dihadapkan kepada sinar kuat tampak berkurang hijaunya. Hal ini juga dapat kita lihat pada daun-daun yang terus-menerus kena sinar langsung, warna mereka menjadi hijau kekuning-kuningan.
Kecambah yang ditumbuhkan di dalam gelap, kemudian ditempatkan di cahaya tak mampu membentuk klorofil, jika tidak diberi oksigen.
Terutama dalam bentuk gula ternyata membantu pembentukan korofil dalam daun-daun yang mengalami tumbuh etiolasi. Dengan tanpa pemberian gula, daun-daun tersebut tidak mampu menghasilkan klorofil.
Nitrogen, Magnesium. Besi yang menjadi pembentuk bahan klorofil sudah tentu merupakan suatu condition sine qua non (keharusan). Kekurangan akan salah satu dari zat-zat tersebut mengakibatkan klorosis pada tumbuhan.
Unsur Mn, Cu, Zn. Meskipun jumlahnya hanya sedikit dalam pembentukan klorofil, jika tiada unsur-unsur tersebut maka tanaman mengalami klorosis juga.
Kekurangan air mengakibatkan desintegrasi dari klorofil seperti terjadi pada rumput dan pohon-pohonan di musim kering.
- 30 – 480 C merupakan suatu kondisi yang baik untuk pembentukan klorofil pada kebanyakan tanaman, akan tetapi yang paling baik ialah antara 260 – 300 C.
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).
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.
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.
Faktor Utama Penentu Laju Fotosintesis
Dalam proses fotosintesis dipengaruhi beberapa faktor yakni faktor dapat mempengaruhi secara langsung seperti kondisi lingkungan maupun faktor yang tidak mempengaruhi secara langsung seperti terganggunya beberapa fungsi organ yang penting bagi proses fotosintesis.
Proses fotosintesis sebenarnya peka terhadap beberapa kondisi lingkungan meliputi kehadiran cahaya matahari, sehu lingkungan serta konsentrasi karbondioksida (CO2). Dalam faktor lingkungan ini dikenal sebagai faktor pembatas dan berpengaruh secara langsung bagi laju fotosintesis. Nah berikut ini faktor utama penentu laju fotosintesis yaitu:
Intensitas Cahaya “Pancaran”, Panjang Gelombang Dan Suhu
Pada awal abad ke-120 Frederick Frost Blackman dan Albert Einstein meneliti pengaruh intensitas cahaya “Pemancaran” dan suhu terhadap tingkat asimilasi karbon. Dalam penelitian ini menghasilkan kesimpulan yaitu:
- Pada sushu tetap, tingkat asimilasi karbon beragam dengan pemancaran pada awalnya meningkat seiring peningkatan pemancaran. Akan tetapi pada tingkat pemancaran yang lebih tinggi, hubungan ini tidak berlangsung lama dan tingkat asimilasi karbon menjadi konstan.
- Pada pemancaran tetap, tingkat asimilasi karbon meningkat seiring suhu meningkat pada cakupan terbatas. Pengaruh ini dapat dilihat hanya pada tingkat pemancaran yang tinggi. Pada pemancaran yang rendah, peningkatan suhu hanya memberikan sedikit pengaruh terhadap tingkat asimilasi karbon.
Tingkat Karbondioksi Dan Fotorespirasi
Ketika konsentrasi karbondioksi meningkat, tingkat gula yang dihasilkan oleh reaksi yang bergantung pada cahaya meningkat hingga dibatasi oleh faktor-faktor lainnya. Rubisco, enzim yang meningkatkan karbondioksida pada reaksi gelap, memiliki afnitas pengikatan untuk karbon dan oksigen. Yang ketika konsentrasi karbondioksida tinggai, RuBisCo akan memfiksasi karbondioksida. Akan tetapi apabila konsentrasi karbondioksida rendah, RuBisCo akan mengikat oksigen dan bukan karbondioksida. Yang dalam proses ini disebut dengan fotorespirasi yakni menggunakan energi tapi tidak menghasilkan gula.
Faktor Penghambat Laju Fotosintesis
Cahaya bermanfaat bagi tumbuhan terutama sebagai energi yang nantinya digunakan untuk proses fotosintesis, yaitu membentuk zat makana. Sumber cahaya terbesar di bumi adalah cahaya matahari. Cahaya matahari merupakan faktor penting terhadap berlangsungnya fotosintesis, sementara fotosintesis merupakan proses yang menjadi kunci dapat berlangsungnya proses metabolisme yang lain di dalam tanaman. Pengaruh cahaya juga berbeda pada setiap jenis tanaman. Tanaman C4, C3, dan CAM memiliki reaksi fisiologi yang berbeda terhadap pengaruh intensitas, kualitas, dan lama penyinaran oleh cahaya matahari (Onrizal, 2009).
Cahaya termasuk salah satu faktor yang menjadi pembatas bagi fotosintesis, selain suhu, CO2, dan air. Laju fotosintesis berbanding lurus dengan intensitas cahaya matahari. Maka semakin besar intensitas cahaya matahari yang yang dapat diterima tanaman, semakin cepat pula proses pembentukan umbi dan wakttu pembuangan. Tetapi tidak semua panjang gelombang diserap oleh tumbuhan, hanya panjang gelombang tertentu tanaman menyerap cahaya matahari(Samadi, 2007).
Pengaruh intensitas cahaya terhadap pertumbuhan generatif berhubungan dengan tingkat fotosintesis yaitu sumber energi bagi proses pembuangan yang juga melalui mekanisme hormon tanaman. Kekurangan cahaya matahari akan meyebabkan proses fotosintesis terganggu, sehingga proses proses pembentukan organ vegetativ dan generatif terganggu, akibatnya tanmana menunjukkan gejala etiolasi. Etiolasi merupakan pertumbuhan dari tanaman yang begitu cepat ketika tanaman tersebut diletakkan di tempat yang gelap atau tempat-tempat yang kekurangan cahaya matahari.
Etiolasi ditandai oleh beberapa gejala, seperti :
- Tumbuhan mengalami pertambahan panjang atau tinggi dengan cukup pesat
- Dinding sel yang terdapat pada batang dan juga daun tanaman menjadi melemah.
- Di antara ruas yang satu dengan lainnya pada tanaman yang mengalami etiolasi memiliki jarak yang lebih panjang
- Terjadinya klorosis, yaitu warna daun yang pucat sebagai akibat kurangnya kandungan klorofil dalam tanaman tersebut.
Reaksi Terang dan Gelap Fotosintesis
Proses Fotosintesis terbagi atas dua yaitu reaksi terang dan reaksi gelap. Reaksi terang yang terjadi pada lempengan tilakoid pada kloroplas berfungsi sebagai proses pembuatan energi ATP dan NADPH yang akan digunakan untuk masuk kedalam reaksi gelap dan kebutuhan sel mereka.
Kemudian reaksi gelap yang terjadi pada stroma. Reaksi terang melalui siklus Calvin-Benson-Bassham yang menghasilkan glukosa, sukrosa dan amilum (pati) yang dengan memanfaatkan CO2 (Fiksasi karbon)
Reaksi Terang Pada Fotosistesis
Reaksi Terang: Light-Dependent Reaction : Reaksi terang dalam proses fotosintesis terjadi pada bagian membran tilakoid. Dalam membran tilakoid terdapat lumen dan dibagian membran luar tilakoid terdapat stroma dimana reaksi terang terjadi. Membran tilakoid mengandung kompleks protein integral membran yang berfungsi dalam mengkatalisis reaksi terang. terdapat 4 jenis kompleks protein yang terdapat pada membran tilakoid yaitu fotosistem II, Kompleks Sitokrom b6f, Fotosistem I da ATP sintetase. 4 macam protein tersebut bekerja sama untuk menghasilkan ATP dan NADPH yang dibutuhkan oleh tumbuhan.
Dua fotosistem yaitu fotosistem I dan II berperan menyerap energi matahari atau foton melalui pigmen klorofil. Reaksi terang dimulai pada saat fotosistem II bereaksi. Ketika pigmen klorofil dalam pusat reaksi fotosistem II menyerap foton, elektron pada molekul ini memiliki energi tinggi sehingga menyebabkan ketidakstabilan dan kemudian menyebabkan terjadinya reaksi redoks berantai dimana elektron berpindah dari molekul satu yang lebih tinggi tingkat energinya ke molekul yang lebih rendah tingkat energinya. Proses ini disebut sebagai rangkaian transport elektron. Elektron tersebut “mengalir” dari fotosistem II ke sitokrom b6f hingga ke fotosistem I. Pada fotosistem I, elektron tersebut mendapatkan energi lagi dari foton (energi cahaya). Penerima elektron terakhir adalah NADP. Pada reaksi fotosintesis oksigenik, penerima elektron pertama adalah air (fotolisis) menghasilkan oksigen sebagai produk buangan. Sedangkan pada proses fotosintesis anoksigenik, bermacam jenis penerima elektron digunakan.
Dalam reaksi terang fotosintesis, sitokrom dan ATP sintetase bekerja sama untuk menghasilkan ATP. Proses ini dalam reaksi terang fotosintesis disebut fotofosforilasi yang terjadi dalam dua cara yaitu siklik dan nonsiklik. Pada fotofosforilasi non siklik, protein sitokrom b6f menggunakan energi dari elektron fotosistem II untuk memompa proton dalam stroma hingga ke lumen. Gradien proton yang terbentang sepanjang membran tilakoid menciptakan gaya proton-motive yang akan digunakan oleh ATP sintetase untuk membuat ATP. Sedangkan pada fotofosforilasi siklik, protein sitokrom b6f menggunakan energi dari eletron pada fotosistem I dan II untuk menciptakan ATP lebih banyak dan menghentikan produksi NADPH. Fotofosforilasi siklik sangat penting dalam menciptakan ATP dan mempertahankan NADPH dalam proporsi yang pas agar reaksi terang dan proses fotosintesis tetap berjalan. Persamaan reaksi dalam reaksi terang fotosintesis oksigenik sebagai berikut:
2H2O + 2NADP++ 3ADP + 3Pi → O2 + 2NADPH + 3ATP
Reaksi Gelap Pada Fotosistesis
Reaksi Gelap (Siklus Calvin-Benson) | Fotosintesis – Reaksi gelap terjadi dalam stroma. Disebut reaksi gelap karena tidak membutuhkan energi cahaya dalam prosesnya akan tetapi menggunakan ATP sebagai energi dan NADPH sebagai sumber elektron untuk mengubah CO2 menjadi karbohidrat (Jangan salah sangka kalau reaksi gelap terjadi ditempat gelap yah, reaksi gelap dalam proses fotosintesis terjadi di siang hari pada kebanyakan tumbuhan (baik pada tumbuhan C3, tumbuhan C4, dan juga CAM, walaupun pada CAM terdapat perbedaan proses masuknya CO2 yaitu diwaktu gelap/malam.
Fotosintesis bertanggung jawab dalam membuat NADPH dan ATp dan siklus Calvin Benson-Bassham (CBB) menggunakan molekul energi tinggi (ATP) tersebut untuk memproduksi gliseraldehide-3-phosphate (G-3-P). Selanjutnya, G-3-P tersebut dapat digunakan untuk mensintesis gula heksosa yang merupakan nutrisi utama bagi organisme heterotrof.
Tahap I Reaksi Gelap
Tahap pertama dalam siklus CBB reaksi gelap memiliki kemiripan dengan tahap isomerasi pada jalur Pentosa Fosfat (PPP). Enzim yang digunakan pada reaksi ini berwarna merah (lihat gambar diatas). Enzim rubisco (singkatan dari ribulose bisphosphate carboxylase) mengkatalasis reaksi karboksilasi dari ribulose-1,5-bisphosphate dalam dua reaksi. Pertama, ribulose-1-5-bisphosphate haruslah difosforilasi oleh enzim Phosphoribulose kinase. Hasil yang diperoleh dari proses karboksilasi ini adalah dua molekul 3-phosphoglycerate (3-fosfogliserat).
Tahap Kedua Reaksi Gelap
Tahap kedua dalam siklus Calvin Benson reaksi gelap memiliki kemiripan dalam salah satu bagian reaksi glukoneogenesis.
- 3-Phosphoglicerate (3-fosfogliserat) difosforilasi menggunakan bantuan enzim phosphoglycerate kinase untuk membentuk 1,3-Bisphosphoglycerate.
- Selanjutnya, 1,3-Bisphosphoglycerate direduksi menggunakan NADPH untuk menghasilkan NADP+ dan Glyceraldehyde-3-Phosphate (Gliseraldehida-3-fosfat) dengan menggunakan enzim Glyceraldehide-3-phosphate dehydrogenase (gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase).Satu dari setiap 6 molekul gliseraldehida-3-fosfat dibawa keluar (eksport) ke sitoplasma sel tumbuhan untuk digunakan dalam sintesis glukosa dan jalur metabolisme lainnya.
Tahap Ketiga Reaksi Gelap
Tahap 3 dalam siklus calvin-benson-bassham reaksi gelap adalah regenerasi ribulose (ribulosa). Tahap ini memiliki kemiripan terhadap salah satu tahap dalam Jalur Pentosa Fosfat.
- Gliseraldehida-3-fosfat yang ada kemudian diubah kembali menjadi dihidroksiaseton fosfat (Dihydroxyaceton phosphate / DHAP) oleh triose phosphate isomerase (Triose fosfat isomerase).
- Kemudian, dihiroksiaseton fosfat diubah menjadi fructose-6-phosphate (fruktosa-6-fosfat) (F-6-P) oleh Aldolasedan Fructose bisphosphatase (Fruktosa bifosfatase). Aldolase memadatkan dua molekul DHAP untuk membentuk molekul fruktosa-1,6-bifosfat. Kemudian fruktosa-1,6-bifosfat diubah menjadi fruktosa-6-fosfat (F-6-P) oleh fruktosa bifosfat. F-6-P kemudian dapat diubah menjadi gula melalu dua jalur enzimatik yaitu dengan bantuan fosfoglukoisomerase dan glukosa-6-fosfatase.
- Dihidroksiaseton dapat juga digabungkan dengan eritrosa-4-fosfat untuk membentuk Sedoheptulose-1,7-bisphosphate (Sedoheptulosa-1,7-bifosfat /SBP). Reaksi ini juga dikatalisis oleh enzim aldolase.
- SBP kemudian di defosforilasi oleh Sedoheptulase bifosfatase untuk membentuk Sedoheptulase-7-fosfat (S7P).
- Reaksi penyusunan oleh enzim Transketolase dan Transaldolase, terbentuklah Xylulose-5
- Phosphate (Xelulosa-5-fosfat /X5P) dan Ribose-5-phosphate (Ribosa-5 fosfat / R5P).
- Terakhir dalam reaksi gelap ini, X5P dan R5P diisomerasi mengunakan enzim Phosphopentose epimerase danphosphopentose isomerase untuk menghasilkan ribulose-5-phosphate (ribulosa-5-fosfat) yang kemudian dapat mengulang kembali siklus Calvin-Benson-Bassham.
Fungsi Utama pada Fotosintesis
- Fungsi utama fotosintesis adalah untuk memproduksi glukosa sebagai sumber energi utama bagi tumbuhan, dengan adanya glukosa ini akan terbentuk sumber energi lemak dan protein pula. Nah zat-zat ini akan menjadi sumber makanan bagi manusia dan hewan, oleh karena itu proses fotosintesis ini sangat penting dalam kehidupan kita.
Prose Fotosintesis dapat membersihkan udara. Udara dibersihkan dengan diserapnya karbondioksida dan dihasilkannya oksigen. Sehingga sering kita dengar penanaman pohon untuk membersihkan lingkungan, karena ada proses fotosintesis inilah pohon bisa berguna untuk membersihkan udara kita.
Kemampuan fotosintesis tumbuhan pada masa hidupnya akan membuat sisa sisa tumbuhan tersebut tertimbun di dalam tanah. Timbunan dari tumbuhan dalam waktu yang lama akan membuatnya menjadi batu bara yang merupakan bahan baku dan sumber energi pada kehidupan modern.