Tumbuhan & fotosintesis
Bagaimana tumbuhan “memasak” makanannya sendiri dengan cahaya matahari?
Jenjang yang disarankan: SD, SMP, SMA, kuliah.
Penjelasan untuk SD
Tumbuhan tidak perlu mencari makanan. Mereka membuat makanannya sendiri di daun! Proses ini disebut fotosintesis.
Bahan yang dibutuhkan:
- Air, diserap akar dari tanah.
- Udara (karbon dioksida), masuk lewat lubang kecil di daun bernama stomata.
- Cahaya matahari, ditangkap zat hijau daun (klorofil).
Hasilnya adalah gula (makanan tumbuhan) dan oksigen, gas yang kita hirup untuk bernapas. Jadi, tumbuhan membantu kita tetap hidup!
Bagian tumbuhan bekerja sama: akar menyerap air, batang mengangkutnya, daun membuat makanan, dan bunga membantu tumbuhan berkembang biak lewat penyerbukan hingga menjadi biji.
Poin kunci
- Tumbuhan membuat makanan sendiri di daun dengan cahaya matahari.
- Bahannya air, karbon dioksida, dan cahaya.
- Hasilnya gula dan oksigen yang kita hirup.
Aktivitas
Tutup sebagian daun tanaman di rumah dengan kertas aluminium selama 3 hari. Buka dan bandingkan warnanya. Apa yang terjadi pada bagian yang tidak terkena cahaya?
Penjelasan untuk SMP
Fotosintesis adalah proses pembentukan glukosa dari karbon dioksida dan air dengan energi cahaya, terjadi di kloroplas:
6CO₂ + 6H₂O + energi cahaya → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
Tumbuhan adalah produsen: energi dalam gula yang mereka buat mengalir ke hewan pemakan tumbuhan dan seterusnya dalam rantai makanan. Gula juga dipakai tumbuhan sendiri dalam respirasi untuk menghasilkan energi, dan sebagian disimpan sebagai amilum (pati) di umbi, biji, atau batang.
Laju fotosintesis dipengaruhi intensitas cahaya, kadar CO₂, suhu, dan ketersediaan air. Faktor yang paling kurang disebut faktor pembatas. Misalnya, di pagi hari yang redup, cahaya membatasi laju fotosintesis walaupun CO₂ cukup.
Cobalah simulasi Fotosintesis di Laboratorium Biotaloka: ubah satu faktor dan amati jumlah gelembung oksigen.
Poin kunci
- 6CO₂ + 6H₂O + cahaya → C₆H₁₂O₆ + 6O₂, di kloroplas.
- Tumbuhan adalah produsen; gula juga dipakai untuk respirasinya sendiri.
- Faktor pembatas: cahaya, CO₂, suhu, dan air.
Aktivitas
Masukkan tanaman air (misalnya Hydrilla) ke gelas berisi air. Letakkan dekat lampu pada jarak 10, 20, dan 40 cm. Hitung gelembung per menit. Bandingkan dengan simulasi Biotaloka.
Penjelasan untuk SMA
Fotosintesis berlangsung dalam dua tahap. Reaksi terang di membran tilakoid: klorofil pada fotosistem II dan I menyerap cahaya, air dipecah (fotolisis) melepaskan O₂, dan aliran elektron menghasilkan ATP (lewat ATP sintase) serta NADPH. Siklus Calvin di stroma: enzim rubisco mengikat CO₂ ke RuBP, lalu ATP dan NADPH dipakai untuk menghasilkan gula tiga karbon (G3P).
Tumbuhan C₃ (padi, kedelai) kehilangan efisiensi saat panas karena fotorespirasi. Tumbuhan C₄ (jagung, tebu) memekatkan CO₂ di sel seludang pembuluh, sedangkan tumbuhan CAM (nanas, kaktus, banyak anggrek) membuka stomata di malam hari untuk menghemat air.
Faktor pembatas saling berinteraksi: menambah CO₂ tidak menaikkan laju bila cahaya sangat rendah. Suhu terlalu tinggi menurunkan kerja enzim. Konsep ini dipakai dalam pertanian rumah kaca.
Fotosintesis global menyimpan karbon dalam biomassa, sehingga hutan dan lamun berperan penting dalam menahan peningkatan efek rumah kaca.
Poin kunci
- Reaksi terang (tilakoid) menghasilkan ATP, NADPH, dan O₂ dari air.
- Siklus Calvin (stroma) memakai rubisco untuk mengikat CO₂.
- Tumbuhan C₄ dan CAM mengurangi fotorespirasi.
- Faktor pembatas saling berinteraksi.
Aktivitas
Gunakan simulasi Fotosintesis Biotaloka untuk membuat grafik laju terhadap intensitas cahaya pada dua kadar CO₂. Jelaskan titik ketika grafik mendatar.
Penjelasan untuk kuliah
Reaksi terang berlangsung melalui “skema Z”: fotosistem II (pusat reaksi P680) menyerap cahaya dan mengambil elektron dari air melalui kompleks pemecah air yang mengandung gugus mangan–kalsium, sehingga O₂ dilepaskan. Elektron mengalir lewat rantai transpor ke fotosistem I (P700), yang kembali tereksitasi cahaya dan akhirnya mereduksi NADP⁺ menjadi NADPH. Aliran elektron memompa proton ke lumen tilakoid, dan ATP sintase membuat ATP (fotofosforilasi). Aliran elektron siklik di sekitar fotosistem I menambah ATP tanpa NADPH. Percobaan isotop ¹⁸O pada 1940-an menunjukkan bahwa O₂ hasil fotosintesis berasal dari air, bukan dari CO₂.
Siklus Calvin memerlukan 3 ATP dan 2 NADPH untuk setiap CO₂ yang diikat. Enzim rubisco bekerja lambat dan juga dapat mengikat O₂, memicu fotorespirasi yang membuang karbon dan energi, terutama saat panas dan stomata menutup. Tumbuhan C₄ memisahkan pengikatan CO₂ secara ruang: PEP karboksilase di sel mesofil, lalu CO₂ dipekatkan di sel seludang pembuluh (anatomi Kranz). Tumbuhan CAM memisahkannya secara waktu: CO₂ diikat pada malam hari. Proyek penelitian internasional berupaya memasukkan jalur C₄ ke padi untuk menaikkan hasil panen.
Spektrum aksi fotosintesis (laju terhadap panjang gelombang) mengikuti penyerapan klorofil dan pigmen tambahan. Engelmann (1882) menunjukkannya dengan bakteri aerob yang berkumpul di bagian alga berfilamen yang disinari cahaya biru dan merah. Saat cahaya berlebihan, tumbuhan melindungi diri dengan melepaskan energi sebagai panas (pemadaman nonfotokimia).
Evolusi: fotosintesis penghasil oksigen berasal dari sianobakteri dan mengubah atmosfer bumi sekitar 2,4 miliar tahun lalu (Peristiwa Oksidasi Besar). Kloroplas adalah keturunan sianobakteri endosimbion. Bakteri lain, seperti bakteri belerang ungu dan hijau, melakukan fotosintesis tanpa menghasilkan oksigen dengan memakai donor elektron seperti H₂S. Di tingkat global, fitoplankton laut menyumbang sekitar separuh produksi primer bumi.
Poin kunci
- Skema Z: PSII (P680) → rantai transpor → PSI (P700) → NADPH.
- Siklus Calvin: 3 ATP dan 2 NADPH per CO₂.
- Rubisco lambat dan juga mengikat O₂ (fotorespirasi).
- Fotosintesis oksigenik berasal dari sianobakteri, sekitar 2,4 miliar tahun lalu mengubah atmosfer.
Aktivitas
Ekstrak pigmen daun dengan pelarut dan pisahkan dengan kromatografi kertas. Hitung nilai Rf setiap pita, lalu hubungkan warna pigmen dengan spektrum serapan dan spektrum aksi fotosintesis.