Fotosintesis adalah serangkaian proses sintesis senyawa organik dari senyawa anorganik akibat perubahan energi cahaya menjadi energi ikatan kimia. Organisme fototrofik termasuk tumbuhan hijau, beberapa prokariota - cyanobacteria, bakteri belerang ungu dan hijau, dan flagellata tumbuhan.
Penelitian proses fotosintesis dimulai pada paruh kedua abad ke-18. Penemuan penting dibuat oleh ilmuwan Rusia terkemuka K. A. Timiryazev, yang memperkuat doktrin peran kosmik tumbuhan hijau. Tumbuhan menyerap sinar matahari dan mengubah energi cahaya menjadi energi ikatan kimia senyawa organik yang disintesisnya. Dengan demikian, mereka menjamin kelestarian dan perkembangan kehidupan di Bumi. Ilmuwan juga secara teoritis membuktikan dan membuktikan secara eksperimental peran klorofil dalam penyerapan cahaya selama fotosintesis.
Klorofil adalah pigmen fotosintesis utama. Strukturnya mirip dengan hemoglobin, tetapi mengandung magnesium, bukan zat besi. Kandungan zat besi diperlukan untuk memastikan sintesis molekul klorofil. Ada beberapa klorofil yang berbeda struktur kimianya. Wajib untuk semua fototrof adalah klorofil a . KlorofilB ditemukan pada tumbuhan hijau klorofil c – dalam diatom dan alga coklat. Klorofil d ciri khas alga merah.
Bakteri fotosintetik berwarna hijau dan ungu memiliki keistimewaan bakterioklorofil . Fotosintesis bakteri memiliki banyak kesamaan dengan fotosintesis tumbuhan. Bedanya, pada bakteri, donor hidrogennya adalah hidrogen sulfida, dan pada tumbuhan adalah air. Bakteri hijau dan ungu tidak memiliki fotosistem II. Fotosintesis bakteri tidak disertai dengan pelepasan oksigen. Persamaan keseluruhan untuk fotosintesis bakteri adalah:
6C0 2 + 12H 2 S → C 6 H 12 O 6 + 12S + 6H 2 0.
Fotosintesis didasarkan pada proses redoks. Hal ini terkait dengan transfer elektron dari senyawa yang memasok elektron-donor ke senyawa yang menerimanya - akseptor. Energi cahaya diubah menjadi energi senyawa organik hasil sintesis (karbohidrat).
Ada struktur khusus pada membran kloroplas - pusat reaksi yang mengandung klorofil. Pada tumbuhan hijau dan cyanobacteria ada dua fotosistem – pertama (saya) Dan kedua (II) , yang memiliki pusat reaksi berbeda dan saling berhubungan melalui sistem transfer elektron.
Dua fase fotosintesis
Proses fotosintesis terdiri dari dua fase: terang dan gelap.
Hanya terjadi dengan adanya cahaya pada membran bagian dalam mitokondria pada membran struktur khusus - tilakoid . Pigmen fotosintesis menangkap kuanta cahaya (foton). Hal ini menyebabkan “eksitasi” salah satu elektron molekul klorofil. Dengan bantuan molekul pembawa, elektron berpindah ke permukaan luar membran tilakoid, memperoleh energi potensial tertentu.
Elektron ini masuk fotosistem I dapat kembali ke tingkat energinya dan memulihkannya. NADP (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) juga dapat ditularkan. Melalui interaksi dengan ion hidrogen, elektron mereduksi senyawa ini. NADP tereduksi (NADP H) memasok hidrogen untuk mereduksi CO2 di atmosfer menjadi glukosa.
Proses serupa terjadi di fotosistem II . Elektron yang tereksitasi dapat ditransfer ke fotosistem I dan dipulihkan. Pemulihan fotosistem II terjadi karena elektron disuplai oleh molekul air. Molekul air terbelah (fotolisis air) menjadi proton hidrogen dan oksigen molekuler, yang dilepaskan ke atmosfer. Elektron digunakan untuk memulihkan fotosistem II. Persamaan fotolisis air:
2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е.
Ketika elektron dari permukaan luar membran tilakoid kembali ke tingkat energi sebelumnya, energi dilepaskan. Itu disimpan dalam bentuk ikatan kimia molekul ATP, yang disintesis selama reaksi di kedua fotosistem. Proses sintesis ATP dengan ADP dan asam fosfat disebut fotofosforilasi . Sebagian energi digunakan untuk menguapkan air.
Selama fase cahaya fotosintesis, senyawa kaya energi terbentuk: ATP dan NADP H. Selama pemecahan (fotolisis) molekul air, molekul oksigen dilepaskan ke atmosfer.
Reaksi terjadi di lingkungan internal kloroplas. Mereka dapat terjadi baik dengan adanya cahaya maupun tanpa cahaya. Zat organik disintesis (C0 2 direduksi menjadi glukosa) menggunakan energi yang terbentuk dalam fase cahaya.
Proses reduksi karbon dioksida bersifat siklus dan disebut siklus Calvin . Dinamakan setelah peneliti Amerika M. Calvin, yang menemukan proses siklus ini.
Siklusnya dimulai dengan reaksi karbon dioksida di atmosfer dengan ribulosa bifosfat. Prosesnya dikatalisis oleh enzim karboksilase . Ribulosa bifosfat adalah gula lima karbon yang dikombinasikan dengan dua unit asam fosfat. Sejumlah transformasi kimia terjadi, yang masing-masing dikatalisis oleh enzim spesifiknya sendiri. Bagaimana produk akhir fotosintesis terbentuk? glukosa , dan ribulosa bifosfat juga berkurang.
Persamaan keseluruhan untuk proses fotosintesis adalah:
6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 O 6 + 60 2
Berkat proses fotosintesis, energi cahaya matahari diserap dan diubah menjadi energi ikatan kimia karbohidrat yang disintesis. Energi ditransfer melalui rantai makanan ke organisme heterotrofik. Selama fotosintesis, karbon dioksida diserap dan oksigen dilepaskan. Semua oksigen di atmosfer berasal dari fotosintesis. Lebih dari 200 miliar ton oksigen bebas dilepaskan setiap tahunnya. Oksigen melindungi kehidupan di Bumi dari radiasi ultraviolet dengan menciptakan lapisan ozon di atmosfer.
Proses fotosintesis tidak efektif, karena hanya 1-2% energi matahari yang diubah menjadi bahan organik hasil sintesis. Hal ini disebabkan tanaman kurang menyerap cahaya, sebagian diserap oleh atmosfer, dan lain-lain. Sebagian besar sinar matahari dipantulkan dari permukaan bumi kembali ke luar angkasa.
Proses fotosintesis merupakan salah satu proses biologis terpenting yang terjadi di alam, karena berkat itulah zat organik terbentuk dari karbon dioksida dan air di bawah pengaruh cahaya, dan fenomena ini disebut fotosintesis. Dan yang terpenting, selama proses fotosintesis, terjadi pelepasan, yang sangat penting bagi keberadaan kehidupan di planet kita yang menakjubkan ini.
Sejarah penemuan fotosintesis
Sejarah penemuan fenomena fotosintesis dimulai empat abad yang lalu, ketika pada tahun 1600 seorang ilmuwan Belgia Jan Van Helmont melakukan percobaan sederhana. Dia menempatkan ranting willow (setelah mencatat berat awalnya) ke dalam tas yang juga berisi 80 kg tanah. Dan kemudian selama lima tahun tanaman itu disiram secara eksklusif dengan air. Apa yang mengejutkan para ilmuwan ketika, setelah lima tahun, berat tanaman bertambah 60 kg, padahal massa bumi hanya berkurang 50 gram, dari mana asal mula peningkatan berat yang begitu mengesankan tetap menjadi misteri bagi dunia. ilmuwan.
Eksperimen penting dan menarik berikutnya, yang menjadi awal penemuan fotosintesis, dilakukan oleh ilmuwan Inggris Joseph Priestley pada tahun 1771 (sangat mengherankan bahwa berdasarkan profesinya, Mr. Priestley adalah seorang pendeta di Gereja Anglikan. , tapi dia tercatat dalam sejarah sebagai ilmuwan yang luar biasa). Apa yang dilakukan Tuan Priestley? Dia menempatkan tikus itu di bawah tenda dan lima hari kemudian tikus itu mati. Kemudian dia kembali meletakkan tikus lain di bawah tenda, tetapi kali ini ada setangkai daun mint di bawah tenda bersama dengan tikus tersebut dan alhasil tikus tersebut tetap hidup. Hasil yang diperoleh mengarahkan ilmuwan pada gagasan bahwa ada proses tertentu yang berlawanan dengan pernapasan. Kesimpulan penting lainnya dari percobaan ini adalah penemuan oksigen sebagai hal yang penting bagi semua makhluk hidup (tikus pertama mati karena ketidakhadirannya, tikus kedua bertahan berkat setangkai mint, yang menghasilkan oksigen selama proses fotosintesis).
Dengan demikian, diketahui bahwa bagian hijau tumbuhan mampu melepaskan oksigen. Kemudian, pada tahun 1782, ilmuwan Swiss Jean Senebier membuktikan bahwa karbon dioksida terurai menjadi tumbuhan hijau di bawah pengaruh cahaya - sebenarnya, sisi lain dari fotosintesis ditemukan. Kemudian, 5 tahun kemudian, ilmuwan Perancis Jacques Boussengo menemukan bahwa tumbuhan menyerap air selama sintesis zat organik.
Dan kunci terakhir dari rangkaian penemuan ilmiah terkait fenomena fotosintesis adalah penemuan ahli botani Jerman Julius Sachs, yang pada tahun 1864 berhasil membuktikan bahwa volume karbon dioksida yang dikonsumsi dan oksigen yang dilepaskan terjadi dengan perbandingan 1:1.
Pentingnya fotosintesis dalam kehidupan manusia
Jika kita bayangkan secara kiasan, daun tanaman apa pun dapat diumpamakan dengan laboratorium kecil, yang jendelanya menghadap ke sisi cerah. Di laboratorium inilah terjadi pembentukan zat organik dan oksigen, yang menjadi dasar keberadaan kehidupan organik di Bumi. Tanpa oksigen dan fotosintesis, kehidupan di Bumi tidak akan ada.
Namun jika fotosintesis sangat penting bagi kehidupan dan pelepasan oksigen, lalu bagaimana manusia (dan bukan hanya manusia) hidup, misalnya di gurun yang minim tumbuhan hijau, atau, misalnya, di kota industri. dimana pepohonan jarang ditemukan. Faktanya adalah tumbuhan darat hanya menyumbang 20% dari oksigen yang dilepaskan ke atmosfer, sedangkan 80% sisanya dilepaskan oleh ganggang laut dan samudera; bukan tanpa alasan lautan di dunia kadang-kadang disebut “paru-paru planet kita. ”
Rumus fotosintesis
Rumus umum fotosintesis dapat dituliskan sebagai berikut:
Air + Karbon dioksida + Cahaya > Karbohidrat + Oksigen
Berikut rumus reaksi kimia fotosintesis:
6CO 2 + 6H 2 O = C6H 12 O 6 + 6O 2
Pentingnya fotosintesis bagi tumbuhan
Sekarang mari kita coba menjawab pertanyaan mengapa tumbuhan membutuhkan fotosintesis. Faktanya, penyediaan oksigen ke atmosfer planet kita bukanlah satu-satunya alasan terjadinya fotosintesis; proses biologis ini sangat penting tidak hanya bagi manusia dan hewan, tetapi juga bagi tumbuhan itu sendiri, karena zat organik yang terbentuk selama fotosintesis; menjadi dasar kehidupan tumbuhan.
Bagaimana fotosintesis terjadi?
Mesin utama fotosintesis adalah klorofil - pigmen khusus yang terkandung dalam sel tumbuhan, yang antara lain bertanggung jawab atas warna hijau daun pohon dan tumbuhan lainnya. Klorofil merupakan senyawa organik kompleks yang juga memiliki sifat penting - kemampuan menyerap sinar matahari. Dengan menyerapnya, klorofillah yang mengaktifkan laboratorium biokimia kecil yang terdapat di setiap daun kecil, di setiap helai rumput, dan setiap alga. Selanjutnya, fotosintesis terjadi (lihat rumus di atas), di mana air dan karbon dioksida diubah menjadi karbohidrat yang diperlukan tanaman dan oksigen yang diperlukan untuk semua makhluk hidup. Mekanisme fotosintesis adalah ciptaan alam yang cerdik.
Fase fotosintesis
Selain itu, proses fotosintesis terdiri dari dua tahap: terang dan gelap. Dan di bawah ini kami akan menulis secara detail tentang masing-masingnya.
Fase terang fotosintesis
Fase ini dilakukan oleh tilakoid. Apa thialakoid ini? Tilakoid adalah struktur yang ditemukan di dalam kloroplas dan dibatasi oleh membran.
Urutan proses fotosintesis fase terang adalah sebagai berikut:
- Cahaya mengenai molekul klorofil dan diserap oleh pigmen hijau, menyebabkannya menjadi tereksitasi. Elektron yang masuk ke dalam molekul ini berpindah ke tingkat yang lebih tinggi dan mengambil bagian dalam proses sintesis.
- Air dipecah, di mana proton, di bawah pengaruh elektron, diubah menjadi atom hidrogen, yang kemudian digunakan untuk sintesis karbohidrat.
- Pada tahap terakhir fase cahaya fotosintesis, ATP (Adenosin trifosfat) disintesis. ATP merupakan zat organik yang berperan sebagai semacam akumulator energi dalam proses biologis.
Fase gelap fotosintesis
Fase fotosintesis ini terjadi di stroma kloroplas. Selama proses inilah oksigen dilepaskan dan glukosa disintesis. Berdasarkan namanya, Anda mungkin berpikir bahwa fase gelap fotosintesis terjadi secara eksklusif dalam kegelapan. Faktanya tidak demikian, sintesis glukosa terjadi sepanjang waktu, hanya saja pada tahap ini energi cahaya tidak lagi dikonsumsi dan tidak dibutuhkan.
Fotosintesis, video
Dan terakhir, video edukasi menarik tentang fotosintesis.
Fotosintesis adalah proses unik untuk menciptakan zat organik dari zat anorganik. Ini adalah satu-satunya proses di planet kita yang terkait dengan konversi energi sinar matahari menjadi energi ikatan kimia yang terkandung dalam zat organik. Dengan cara ini, energi sinar matahari yang diterima dari luar angkasa, disimpan oleh tumbuhan hijau dalam bentuk karbohidrat, lemak, dan protein, menjamin aktivitas vital seluruh dunia kehidupan - mulai dari bakteri hingga manusia.
Seorang ilmuwan Rusia terkemuka pada akhir abad \(XIX\) - awal \(XX\). Kliment Arkadyevich Timiryazev (\(1843\) – \(1920\)) menyebut peran tumbuhan hijau di Bumi bersifat kosmik. Dia menulis:
Semua zat organik, betapapun beragamnya, di mana pun ditemukan, baik pada tumbuhan, hewan, atau manusia, melewati daun, berasal dari zat yang dihasilkan oleh daun. Di luar daun, atau lebih tepatnya di luar butiran klorofil, tidak ada laboratorium di alam yang dapat mengisolasi bahan organik. Di semua organ dan organisme lain, ia diubah, diubah, hanya di sini ia dibentuk kembali dari bahan anorganik.
Akumulasi bahan organik
Semua organisme hidup hanya dapat hidup dengan mengonsumsi energi yang diperoleh tumbuhan hijau dari Matahari dengan bantuan klorofil dan terkandung dalam karbohidrat serta senyawa organik lainnya dalam bentuk makanan. Karbohidrat adalah produk penting fotosintesis.
Contoh:
Banyak tanaman, seperti tebu, gula bit, bawang merah, kacang polong, jagung, anggur, kurma, menyimpan gula dalam batang, akar, umbi, buah-buahan dan biji-bijian. Gulalah yang berfungsi sebagai sumber energi utama bagi semua makhluk hidup, karena gula dapat dengan mudah menjadi salah satu senyawa paling aktif di sel hidup mana pun.
Penyimpanan energi
Terus-menerus menyerap energi dalam bentuk radiasi matahari, tumbuhan menumpuknya. Akumulasi energi merupakan fenomena yang sangat penting bagi kehidupan alam, yang disebabkan oleh fotosintesis tumbuhan hijau.
Contoh:
bahan organik adalah pembawa energi yang sangat baik. Manusia banyak menggunakan gas, minyak, batu bara, kayu bakar - semua ini adalah zat organik yang, ketika dibakar, melepaskan energi yang pernah disimpan dalam tumbuhan hijau.
Memastikan tingkat karbon dioksida yang konstan di atmosfer
Di atmosfer bumi, karbon dioksida membentuk \(0,03\)% volume udara. Nilai ini telah dipertahankan selama ribuan tahun, meskipun faktanya banyak sekali organisme hidup yang mengeluarkan karbon dioksida selama respirasi. Bahkan lebih banyak lagi yang dilepaskan selama pembusukan dan penghancuran mayat, selama letusan gunung berapi, selama kebakaran, dan selama pembakaran bahan bakar. Semua karbon dioksida dalam jumlah besar ini diserap oleh tumbuhan hijau selama proses fotosintesis, mempertahankan kandungan karbon dioksida yang kurang lebih konstan di atmosfer bumi dan dengan demikian menjamin kemungkinan adanya kehidupan di planet kita.
Akumulasi oksigen di atmosfer
Pada zaman kuno, ketika tidak ada tumbuhan di planet kita, tidak ada oksigen di atmosfer. Saat ini, oksigen udara di atmosfer menempati \(21\)% volumenya. Komposisi gas modern di atmosfer terbentuk melalui proses fotosintesis. Berkat ini, semua organisme di Bumi - bakteri, jamur, hewan, manusia, dan tumbuhan itu sendiri - dapat bernapas dan menjalankan proses kehidupannya.
Ozon terbentuk dari oksigen pada ketinggian sekitar \(20\) km di atas permukaan bumi di bawah pengaruh radiasi matahari. Ini menghalangi sebagian sinar ultraviolet yang berdampak buruk pada organisme hidup. Lapisan ozon yang mengelilingi bumi memungkinkan organisme untuk hidup.
Menciptakan tanah di Bumi
Bahan organik yang dihasilkan oleh tumbuhan hijau dikonsumsi oleh makhluk hidup di darat. Limbah dari proses vital organisme, produk pembusukan dan penguraian mayat (tumbuhan, hewan, jamur, bakteri) dan bagian-bagiannya (daun-daun berguguran, akar mati, bulu akar, sekresi akar yang melimpah), jatuh ke lapisan atas permukaan bumi, membusuk di sana dan ikut serta dalam penciptaan pendidikan alam yang unik - tanah.
Fotosintesis adalah proses kehidupan tumbuhan hijau, satu-satunya di biosfer yang terkait dengan akumulasi energi matahari. Maknanya terletak pada diversifikasi penyediaan kehidupan di Bumi.
Pembentukan biomassa
Makhluk hidup - tumbuhan, jamur, bakteri dan hewan - terdiri dari zat organik. Seluruh massa bahan organik awalnya terbentuk selama proses fotosintesis, yang terjadi pada organisme autotrofik - tumbuhan dan beberapa bakteri.
Beras. 1. Organisme auto dan heterotrofik.
Organisme heterotrofik, yang memakan tumbuhan sebagai makanan, hanya memodifikasi bahan organik tanpa meningkatkan total biomassa planet ini. Keunikan fotosintesis adalah selama sintesis zat organik, energi matahari disimpan dalam ikatan kimianya. Faktanya, organisme fotosintetik “menambatkan” energi matahari ke Bumi.
Dukungan hidup
Fotosintesis secara konstan menghasilkan zat organik dari karbon dioksida dan air, yang menyediakan makanan dan habitat bagi berbagai hewan dan manusia.
Semua energi yang digunakan dalam kehidupan organisme hidup pada mulanya berasal dari matahari. Fotosintesis memperbaiki energi ini di Bumi dan meneruskannya ke seluruh penghuni planet ini.
Zat dan energi yang tersimpan selama fotosintesis banyak digunakan oleh manusia:
3 artikel teratasyang membaca bersama ini
- sumber daya energi fosil;
- kayu;
- tumbuhan liar sebagai bahan baku dan sumber estetika;
- pangan dan produk tanaman teknis.
1 hektar hutan atau taman menyerap 8 kg karbon dioksida dalam 1 jam di musim panas. Jumlah ini dialokasikan sekaligus kepada dua ratus orang.
Suasana
Komposisi atmosfer justru berubah akibat proses fotosintesis. Jumlah oksigen secara bertahap meningkat, meningkatkan kemampuan organisme untuk bertahan hidup. Awalnya, peran pertama dalam pembentukan oksigen adalah milik ganggang hijau, dan sekarang hutan.
Beras. 2. Grafik perubahan kandungan O₂ di atmosfer selama proses evolusi.
Salah satu akibat dari meningkatnya kandungan oksigen di atmosfer adalah terbentuknya lapisan ozon, yang melindungi organisme hidup dari radiasi matahari yang berbahaya.
Diyakini bahwa setelah terbentuknya lapisan ozon, kehidupan di darat menjadi mungkin.
Fotosintesis merupakan sumber utama dan faktor dalam perkembangan kehidupan di Bumi.
Pentingnya fotosintesis pada tahap sekarang telah memperoleh aspek baru. Fotosintesis menghambat peningkatan konsentrasi CO₂ di udara akibat pembakaran bahan bakar pada transportasi dan industri. Hal ini mengurangi efek rumah kaca. Intensitas fotosintesis meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi CO₂ hingga batas tertentu.
Beras. 3. Grafik fotosintesis tergantung kandungan CO₂ di udara.
Selama masa kuliah saya, saya membutuhkan beberapa jam untuk menghafal seluruh rangkaian reaksi yang terjadi selama fotosintesis. Namun bagaimana jika kita melepaskan diri dari kerumitan kimia dan melihat proses ini dari sudut pandang yang lebih praktis, untuk memahami manfaat fotosintesis bagi alam, dan apa makna langsungnya?
Sedikit chemistry
Untuk memulainya, ada baiknya menjelaskan secara singkat proses yang sedang berlangsung. Untuk fotosintesis yang lengkap, unsur-unsur penting berikut diperlukan:
- klorofil;
- karbon dioksida;
- sinar matahari;
- unsur tambahan dari tanah/lingkungan.
Tumbuhan menggunakan klorofil untuk menangkap cahaya, setelah itu, dengan menggunakan mineral, ia mengubah karbon dioksida menjadi oksigen, sekaligus menghasilkan berbagai zat seperti glukosa dan pati. Produksi zat-zat inilah yang merupakan tujuan akhir tanaman, namun produksi oksigen lebih merupakan efek samping.
Peran fotosintesis bagi atmosfer
Meskipun oksigen hanyalah produk sekunder, oksigenlah yang kita dan sebagian besar makhluk hidup lain di bumi hirup. Jika bukan karena fotosintesis, evolusi tidak akan terjadi sejauh ini. Tidak akan ada organisme kompleks seperti manusia. Sederhananya, tumbuhan menggunakan fotosintesis untuk menciptakan udara yang cocok untuk bernafas dan kehidupan di Bumi.
Fakta menariknya adalah tumbuhan juga bernapas, seperti semua organisme, dan mereka juga membutuhkan oksigen yang mereka hasilkan!
Peran fotosintesis dalam rantai makanan
Hanya tumbuhan yang menangkap satu-satunya sumber energi organik yang tersedia di planet kita, yaitu sinar matahari. Melalui fotosintesis mereka menciptakan nutrisi yang disebutkan di atas. Kemudian, di sepanjang rantai makanan, zat-zat ini menyebar lebih jauh: dari tumbuhan ke herbivora, lalu ke predator, dari mereka ke pemulung, dan bakteri yang mengolah sisa-sisanya.
Pada akhirnya, saya teringat kata-kata ilmuwan besar Rusia, Kliment Artemyevich Timiryazev:
Semua zat organik dimanapun ditemukan, berasal dari zat yang dihasilkan oleh daun.
Selain itu, ilmuwan besar tersebut menyebut fotosintesis sebagai proses yang benar-benar kosmik, yang sulit untuk tidak disetujui.
