Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Fotosintesis dan Respirasi Tanaman

Defenisi fotosintesis dan respirasi

Fotosintesis adalah suatu proses biokimia yang dilakukan tumbuhan, alga, dan beberapa jenis bakteri untuk memproduksi energi terpakai (nutrisi) dengan memanfaatkan energi cahaya.

Hampir semua makhluk hidup bergantung dari energi yang dihasilkan dalam fotosintesis. Akibatnya fotosintesis menjadi sangat penting bagi kehidupan di bumi.

Fosintesis berasal dari kata foton artinya cahaya, dan síntesis yang berarti penyusunan.

Berdasarkan arti dari dua kata tersebut diatas maka fotosintesis adalah peristiwa penyusunan zat organik (gula) dari zat anorganik (air, karbondioksida), dengan pertolongan energi cahaya.

Karena bahan baku yang digunakan adalah zat carbon maka fotosíntesis dapat disebut juga asimilasi zat karbon.

Fotosintesis berperan dalam 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. Bahan baku untuk proses fotosíntesis adalah karbondioksida dan air. karbondioksida diambi tanaman melalui mulut daun (stomata), sedangkan air diambil tanaman dari dalam tanah melalui akar tanaman

Cara lain yang ditempuh organisme untuk mengasimilasi karbon adalah melalui kemosintesis, yang dilakukan oleh sejumlah bakteri belerang.

Relevansi dari fotosintesis pada tanaman adalah pertumbuhan perkembangan, penyimpanan dan alokasi asimilat.

Perubahan pada proses ini akan merubah laju fotosintesis itu sendiri dan berakibat juga pada seluruh proses fisiologi tanaman. Misalnya cahaya mempengaruhi fotosíntesis dan juga memberikan efek fotomorfogenetik pada tanaman.

Respirasi secara sederhana merupakan proses perombakan senyawa organik menjadi senyawa anorganik dan menghasilkan energi. Respirasi dibagi atas dua yaitu respirasi aerob dan anaerob.

Respirasi aerob adalah suatu proses metabolisme tanaman dengan menggunakan oksigen. Reaksi proses ini dapat dituliskan melalui persamaan reaksi sebagai berikut:
C6H12O6 + O2 H2O + CO2 + Kalori
Respirasi anaerobik adalah reaksi pemecahan karbohidrat untuk mendapatkan energi tanpa menggunakan oksigen.

Proses respirasi ini mengambil dan menggunakan senyawa asam fenol piruvat atau asetaldehid misalnya sebagai pengikat hidrogen dan membentuk asam laktat atau alkohol.

Respirasi anaerobik dapat terjadi pada:

  1. Jaringan yang kekurangan oksigen misalnya akar tanaman yang terendam air
  2. Biji yang berkulit tebal dan sulit untuk ditembus oksigen

Pada respirasi anaerob ini bahan baku (gula) tidak terurai lengkap menjadi air dan karbondioksida, maka energi yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan dengan respirasi aerobik.

Secara sederhana reaksi pada respirasi anaerobik dalah sebagai berikut:
ragiC6H12O6 C2H5OH + 2CO2 + Kalori

Fotosintesis pada tumbuhan

Pada dasarnya proses fotosintesis merupakan kebalikan dari proses respirasi. Proses respirasi bertujuan memecah gula menjadi karbón dioksida, air, dan energi.

Sebaliknya proses fotosintesis mereaksikan (menggabungkan) karbóndioksida dan air menjadi gula dengan menggunakan energi cahaya terutama cahaya matahari.

Tumbuhan bersifat autotrof, yang artinya dapat mensintesis makanan langsung. dari senyawa anorganik. Tumbuhan menggunakan karbon dioksida dan air untuk menghasilkan gula dan oksigen yang diperlukan sebagai makanannya.

Energi untuk menjalankan proses ini berasal dari fotosintesis. Perhatikan persamaan reaksi yang menghasilkan glukosa berikut ini:
12H2O + 6CO2 + cahaya --> C6H12O6 (glukosa) + 6O2 + 6H2O
Glukosa dapat digunakan untuk membentuk senyawa organik lain seperti selulosa dan dapat pula digunakan sebagai bahan bakar. Proses ini berlangsung melalui respirasi seluler yang terjadi baik pada hewan maupun tumbuhan. Secara umum reaksi yang terjadi pada respirasi seluler berkebalikan dengan persamaan di atas.

Pada respirasi, gula (glukosa) dan senyawa lain akan bereaksi dengan oksigen untuk menghasilkan karbon dioksida, air, dan energi kimia.

Tumbuhan menangkap cahaya menggunakan pigmen yang disebut klorofil. Pigmen inilah yang memberi warna hijau pada tumbuhan.

Organel yang yang mengandung klorofil disebut kloroplas. Klorofil inilah yang menyerap cahaya yang akan digunakan dalam fotosintesis. Meskipun seluruh bagian tubuh tumbuhan yang berwarna hijau mengandung kloroplas, namun sebagian besar energi kimia dihasilkan di daun. Di dalam daun terdapat lapisan sel yang disebut mesofil yang mengandung setengah juta kloroplas setiap milimeter perseginya. Cahaya akan melewati lapisan epidermis yang tidak berwarna dan transparan, menuju mesofil, tempat terjadinya sebagian besar proses fotosintesis.

Permukaan daun biasanya dilapisi oleh kutikula dari lilin yang bersifat anti air untuk mencegah terjadinya penyerapan sinar matahari ataupun penguapan air yang berlebihan.
Fungsi daun
Fungsi daun yang utama adalah sebagai tempat terjadinya fotosintesis serta mengekspor hasilnya ke seluruh bagian tanaman.

Daun dan Kloroplast

Fotosintesis dapat berlangsung diseluruh bagian hijau tanaman, akan tetapi bagian yang terbesar dari pabrik fotosintesis ini adalah pada daun. untuk fotosintesis diperlukan karbondioksida yang masuk melalui stomata.

Banyaknya stomata kira-kira meliputi 0.1 persen dari luas daun. Pada sebagian besar tanaman, stomata terdapat dibagian bawah daun. Perkiraan banyaknya stomata pada berbagai jenis tanaman jumlah stomata pada permukaan daun berkisar antara 0-100 buah, sedangkan di bagian bawah daun berkisar antara 0-600 buah.

Untuk dapat lebih memahami bagaimana daun sebagai fungsi pabrik makanan tanaman, kita dapat memperhatikan gambar.

Pada gambar tersebut diatas dapat dilihat bagian penampang lintang daun yang terdiri atas:
  1. Kutikula (lapisan lilin)
  2. Epidermis. Kulit luar organ berupa lapisan lilin yang mencegah kehilangan air secara berlebihan.
  3. Stomata: mulut daun, tempat masuknya CO2
  4. Mesophyll: berisi sel-sel mayoritas luas kloroplas.
  5. Bundel vaskuler (jaringan pembuluh vaskular): bagian yang menyediakan mineral dan air kepada sel mesofil
  6. Xylem: pembuluh tempat transport air
  7. Phloem: pembuluh tempat transport makanan
  8. Epidermis bagian bawah
  9. Jaringan bunga karang
  10. Sel tetangga
  11. Stomata (mulut daun)
  12. Pembuluh vena

Lintasan pada Fotosintesis

Pada dasarnya, rangkaian reaksi fotosintesis dapat dibagi menjadi dua bagian utama yaitu reaksi terang (karena memerlukan cahaya) dan reaksi gelap (tidak memerlukan cahaya tetapi memerlukan karbon dioksida).

Reaksi Terang

Pada reaksi terang, klorofil mengubah energi surya ke dalam energi kimia (ATP dan NADPH. Reaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP dan reduksi NADPH2.

Reaksi ini memerlukan molekul air. Proses ini diawali dengan penangkapan foton oleh pigmen sebagai antena.

Pigmen klorofil menyerap lebih banyak cahaya terlihat pada warna biru (400-450 nanometer) dan merah (650-700 nanometer) dibandingkan dengan hijau (500-600 nanometer).

Cahaya hijau ini akan dipantulkan dan ditangkap oleh mata kita sehingga menimbulkan sensasi bahwa daun berwarna hijau.

Fotosintesis akan menghasilkan lebih banyak energi pada gelombang cahaya dengan panjang tertentu. Hal ini karena panjang gelombang yang pendek menyimpan lebih banyak energi.

Di dalam daun, cahaya akan diserap oleh molekul klorofil untuk dikumpulkan pada pusat-pusat reaksi.

Tumbuhan memiliki dua jenis pigmen yang berfungsi aktif sebagai pusat reaksi atau fotosistem yaitu fotosistem II dan fotosistem I.

Fotosistem II terdiri dari molekul klorofil yang menyerap cahaya pada panjang gelombang 680nM, sedangkan fotosistem I pada panjang gelombang 700 nM.

Kedua fotosistem ini akan bekerja secara simultan dalam fotosintesis, seperti dua baterai dalam senter yang bekerja saling memperkuat.

Fotosintesis dimulai ketika cahaya mengionisasi molekul klorofil pada fotosistem II, membuatnya melepaskan elektron yang akan ditransfer sepanjang rantai transpor elektron.
Gambar Lintasan fotosisitem I
Gambar Lintasan fotosisitem I
Gambar Lintasan fotosisitem II
Gambar Lintasan fotosisitem II
Fotosistem II mengkatalis pelepasan elektron dari molekul-molekul air.

Fotosistem I dengan menggunakan lebih banyak energi dari foton-foton yang diserapnya, mengkatalis pelepasan elektron senyawa yang mengikat elektron pada Fotosistem II.

Energi dari elektron ini digunakan untuk fotofosforilasi yang menghasilkan ATP, satuan pertukaran energi dalam sel.

Pada tumbuhan dan alga, kekurangan elektron ini dipenuhi oleh elektron dari hasil ionisasi air yang terjadi bersamaan dengan ionisasi klorofil. Hasil ionisasi air ini adalah elektron dan oksigen.

Oksigen dari proses fotosintesis hanya dihasilkan dari air, bukan dari karbon dioksida. Untuk lebih memahami perbedaan mendasar antara reaksi terang dan gelap dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10 Skematik reaksi terang dan gelap dari proses fotosintesis
Gambar 10 Skematik reaksi terang dan gelap dari proses fotosintesis
Pendapat ini pertama kali diungkapkan oleh C.B. van Neil yang mempelajari bakteri fotosintetik pada tahun 1930-an. Bakteri fotosintetik, selain sianobakteri, tidak menghasilkan oksigen karena menggunakan ionisasi sulfida atau hidrogen.

Pada saat yang sama dengan ionisasi fotosistem II, cahaya juga mengionisasi fotosistem I, melepaskan elektron yang ditransfer sepanjang rantai transpor elektron yang akhirnya mereduksi NADP menjadi NADPH.

Hingga sekarang fotosintesis masih terus dipelajari karena masih ada sejumlah tahap yang belum bisa dijelaskan, meskipun sudah sangat banyak yang diketahui tentang proses vital ini.

Proses fotosintesis sangat kompleks karena melibatkan semua cabang ilmu pengetahuan alam utama, seperti fisika, kimia, maupun biologi sendiri.

Pada tumbuhan, organ utama tempat berlangsungnya fotosintesis adalah daun.

Namun secara umum, semua sel yang memiliki kloroplas berpotensi untuk melangsungkan reaksi ini. Di organel inilah tempat berlangsungnya fotosintesis, tepatnya pada bagian stroma.

Hasil fotosintesis (disebut fotosintat) biasanya dikirim ke jaringan-jaringan terdekat terlebih dahulu.

Reaksi gelap

ATP dan NADPH yang dihasilkan dalam proses fotosintesis memicu berbagai proses biokimia.

Pada tumbuhan proses biokimia yang terpicu adalah siklus Calvin yang mengikat karbon dioksida untuk membentuk ribulosa (dan kemudian menjadi gula seperti glukosa).

Reaksi ini disebut reaksi gelap karena tidak bergantung pada ada tidaknya cahaya sehingga dapat terjadi meskipun dalam keadaan gelap (tanpa cahaya).

Fotosintesis pada alga dan bakteri

Alga terdiri dari alga multiseluler seperti ganggang hingga alga mikroskopik yang hanya terdiri dari satu sel.

Meskipun alga tidak memiliki struktur sekompleks tumbuhan darat, fotosintesis pada keduanya terjadi dengan cara yang sama. Hanya saja karena alga memiliki berbagai jenis pigmen dalam kloroplasnya, maka panjang gelombang cahaya yang diserapnya pun lebih bervariasi.

Semua alga menghasilkan oksigen dan kebanyakan bersifat autotrof. Hanya sebagian kecil saja yang bersifat heterotrof yang berarti bergantung pada materi yang dihasilkan oleh organisme lain.

Faktor-faktor yang menentukan laju fotosintesis

Secara umum, semua sel yang memiliki kloroplas berpotensi untuk dapat melangsungkan reaksi fotositesis.

Berikut adalah beberapa faktor utama yang menentukan laju fotosintesis:

1. Intensitas cahaya.

Laju fotosintesis akan meningkat sampai tingkat kompensasi cahaya, yaitu tingkat cahaya pada saat pengambilan CO2 sama dengan pengeluaran CO2 (laju pertukaran karbón=0). Apabila tingkat cahaya terus meningkat, akan berkuranglah kenaikan laju penyerapan CO2 untuk setiap

2. Konsentrasi karbóndioksida.

Semakin banyak karbondioksida di udara, maka semakin banyak juga jumlah bahan yang dapat digunakan tumbuhan untuk melangsungkan fotosintesis.

3. Suhu

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.

4. Kadar air

Kekurangan air atau cekaman kekeringan menyebabkan stomata tertutup, menghambat masuknya karbondioksida sehingga dapat mengurangi laju fotosintesis.

5. Kadar fotosintat (hasil fotosintesis).

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

6. 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.

Penggunaan dan Penyimpanan hasil fotosintesis

Hasil fotosintesis dapat digunakan tanaman untuk beberapa pemeliharaan, perbaikan bagian- bagian yang rusak, sebagai bahan dasar pembentukan senyawa- senyawa bermanfaat lainnya, bahan baku untuk pembakaran, pertumbuhan/perkembangan serta aktivitas tubuh lainnya, dan disimpan dalam bentuk cadangan makanan.

Penyimpanan cadangan makanan tanaman dapat dalam bentuk:
  1. Buah, misalnya mangga, pepaya, rambutan, duku, dan sebagainya
  2. Biji, misalnya gandum, padi, jagung dan sebagainya
  3. Batang, misalnya tebu
  4. Umbi, yang dapat dibagi atas umbi akar (singkong dan bunga dahlia) , batang (kentang) dan lapis (bawang).

Respirasi dan faktor yang menentukan laju respirasi

Peristiwa respirasi atau pernafasan akan menghasilkan sejumlah karbondioksida yang dilepas ke udara,

Laju respirasi ini tidak tetap akan tetapi berfluktuasi dari waktu ke waktu sebagai akibat pengaruh berbagai faktor baik faktor dalam maupun faktor luar.

Beberapa faktor yang yang mempengaruhinya adalah:

1. Suhu

Seluruh reaksi kimia yang terjadi pada makhluk hidup sangat dipengaruhi suhu. Perubahan suhu akan menimbulkan perubahan dalam reaksi biokimia tanaman, begitu juga dengan respirasi,

Hubungan antara kenaikan suhu dengan reaksi biokimia pada pada tanaman secara kuantitatif dapat dinyatakan dengan persamaan berikut ini.
Q10 = laju pada (t + 10 derajat C) / laju pada t derajat C
Q10 untuk reaksi respirasi adalah 2- 3, ini berarti bahwa peningkatan suhu sebesar 100C, akan meningkatkan laju reaksi 2 -3 kali lipat. Oleh karena itu pada daerah panas, umbi kentang tidak dapat menjadi lebih besar karena fotosintesisnya rendah sedangkan respirasinya tinggi.

2. Ketersediaan oksigen dan karbondioksida

Ketersediaan oksigen ditempat terjadinya respirasi aerob sangat penting. Apabila oksigen tidak tersedia maka respirasi tidak berlangsung, dan seluruh proses respirasi terhenti dan bahan-bahan racun tertimbun sehingga tanaman menjadi mati.

Karbondioksida

Kadar karbondioksida yang tinggi (mencapai 10%) juga akan menghambat laju respirasi semakin rendah. Kondisi inilah yang selalu dimanfaatkan oleh pedagang hortikultura agar produk hortikulturanya tetap segar.

3. Cahaya

Cahaya meningkatkan respirasi secara tidak langsung yaitu melalui pengaruh cahaya terhadap fotosintesa.

Dengan meningkatnya laju fotosintesa maka persediaan subtrat bahan baku meningkat, yang berarti juga meningkatkan respirasi.

Ada 3 ciri dari cahaya yang mempengaruhi fotosintesis, yaitu intensitaa cahaya, kualitas cahaya , dan lamanya penyinaran.
  • Intensitas cahaya. makin rendah intensiyas cahaya, makin rendah laju fotosintesis karena produksi ATP dan NADPH tidak cukup tinggi. Intensitas cahaya pada siang terik pada musim kemarau di Indonesia berada sekitar 10.000 kaki-lilin ( 1 kaki-lilin = intensiyas cahaya 1 lilin jarak 1 kaki), tetapi hanya 25-30% yang dipergunakan untuk fotosíntesis oleh tanaman. Pada bagian-bagian teduh bahkan hanya 10% saja. Oleh karena itu pada siang hari intensitas cahaya tidak merupakan faktor penghambat.
  • Kualitas cahaya. Kualitas cahaya ditentukan oleh proporsi dari warna- warna cahaya seperti merah, kuning, hijau, biru, dan sebagainya. klorofil menyerap warna didaerah biru dan merah, yaitu panjang gelombang yang paling banyak digunakan dalm proses fotosintesis. Sedangkan penyerapan yang terendah adalah warna hijau. warna hijau dari daun menujukkan bahwa sinar hijau banyak dipantulkan. oleh karena itu sinar hijau kecil sekali pengaruhnya terhadap fototsintesis.
  • Lama penyinaran. Apabila CO2 serta faktor-faktor lain tidak terbatas, maka penyinaran secara terus- menerus akan menyebabkan terjadinya fotosintesis secara terus- menerus pula.
4. Pengurangan atau penambahan air

Biji kering mempunyai tingkat respirasi yang rendah, jika dilakukan penambahan air akan mengaktifkan enzim dan hal ini berarti respirasi meningkat.

5. Pengaruh mekanis dan zat kimia

Pelukaan, gosong terbakar, merupakan contoh-contoh yang dapat meningkatkan laju respirasi. Senyawa racun seperti sianida, arsenit sebagainya juga dapat membunuh tanaman yang berakibat pada penghambatan enzim respirasi.

6. Umur serta macam jaringan

Setiap macam jaringan memiliki laju respirasi yang berbeda satu sama lain. Laju respirasi dari jaringan muda lebih cepat dibandingkan dengan jaringan tua.

Jaringan yang sedang aktif tumbuh juga memiliki laju respirasi yang tinggi.

7. Kandungan hara dalam tanah.

Mg dan N merupakan dari bagian klorofil, jadi langsung berpengaruh pada fotosintesis. Unsur besi (Fe) adalah bagian dari sitokrom, jadi penting bagi reaksi terang.

Sedangkan unsur P penting bagi fotosintesis karena merupakan bagian ATP/ADP. Mn peenting karena merupakan bagian dari enzim.

Penemuan

Meskipun masih ada langkah- langkah dalam fotosintesis yang belum dipahami, persamaan umum fotosintesis telah diketahui sejak tahun 1800-an.

Pada awal tahun 1600-an, seorang dokter dan ahli kimia, Jan van Helmont, seorang Filandria (sekarang bagian dari Belgia), melakukan percobaan untuk mengetahui faktor apa yang menyebabkan massa tumbuhan bertambah dari waktu ke waktu. Dari penelitiannya, Helmont menyimpulkan bahwa massa tumbuhan bertambah hanya karena pemberian air.

Tapi pada tahun 1720, ahli botani Inggris, Stephen Hales berhipotesis bahwa pasti ada faktor lain selain air yang berperan. Ia berpendapat faktor itu adalah udara.

Joseph Priestley, seorang ahli kimia dan pendeta, menemukan bahwa ketika ia menutup sebuah lilin menyala dengan sebuah toples terbalik, nyalanya akan mati sebelum lilinnya habis terbakar. Ia kemudian menemukan bila ia meletakkan tikus dalam toples terbalik bersama lilin, tikus itu akan mati lemas.

Dari kedua percobaan itu, Priestley menyimpulkan bahwa nyala lilin telah "merusak" udara dalam toples itu dan menyebabkan matinya tikus.

Ia kemudian menunjukkan bahwa udara yang telah “dirusak” oleh lilin tersebut dapat “dipulihkan” oleh

tumbuhan. Ia juga menunjukkan bahwa tikus dapat tetap hidup dalam toples tertutup asalkan di dalamnya juga terdapat tumbuhan.

Pada tahun 1778, Jan Ingenhousz, dokter kerajaan Austria, mengulangi eksperimen Priestley. Ia menemukan bahwa cahaya matahari berpengaruh pada tumbuhan sehingga dapat "memulihkan" udara yang "rusak".

Akhirnya di tahun 1796, Jean Senebier, seorang pastor Perancis, menunjukkan bahwa udara yang “dipulihkan” dan “merusak” itu adalah karbon dioksida yang diserap oleh tumbuhan dalam fotosintesis.

Tidak lama kemudian, Theodore de Saussure berhasil menunjukkan hubungan antara hipotesis Stephen Hale dengan percobaan-percobaan "pemulihan" udara. Ia menemukan bahwa peningkatan massa tumbuhan bukan hanya karena penyerapan karbon dioksida, tetapi juga oleh pemberian air.

Melalui serangkaian eksperimen inilah akhirnya para ahli berhasil menggambarkan persamaan umum dari fotosintesis yang menghasilkan makanan (seperti glukosa).