Hutan dianggap "paru-paru hijau planet" tidak sia-sia. Apa itu fotosintesis dan bagaimana proses ini terjadi, kami akan pertimbangkan secara rinci.

Apa itu fotosintesis?

Fotosintesis - proses biokimiawi selama proses yang organik muncul dengan bantuan pigmen tanaman khusus dan energi cahaya dari zat anorganik (karbon dioksida, air). Ini adalah salah satu proses paling penting karena mayoritas organisme muncul dan terus ada di planet ini.

Fakta yang menarik: Tumbuhan darat, serta ganggang hijau, mampu melakukan fotosintesis. Dalam hal ini, ganggang (fitoplankton) menghasilkan 80% oksigen.

Pentingnya Fotosintesis untuk Kehidupan di Bumi

Tanpa fotosintesis, alih-alih banyak organisme hidup, hanya bakteri yang akan ada di planet kita. Energi yang diperoleh sebagai hasil dari proses kimia inilah yang memungkinkan bakteri berevolusi.

Setiap proses alami membutuhkan energi. Dia berasal dari matahari. Tetapi sinar matahari baru terbentuk setelah diubah oleh tanaman.

Tumbuhan hanya menggunakan sebagian energi, dan sisanya menumpuk di dalam dirinya sendiri. Mereka makan herbivora, yang merupakan makanan bagi predator. Selama rantai, setiap mata rantai menerima zat dan energi berharga yang diperlukan.

Oksigen yang dihasilkan selama reaksi diperlukan bagi semua makhluk untuk bernafas. Bernapas adalah kebalikan dari fotosintesis. Dalam hal ini, bahan organik dioksidasi, dihancurkan. Energi yang dihasilkan digunakan oleh organisme untuk melakukan berbagai tugas vital.

Selama keberadaan planet ini, ketika ada beberapa tanaman, oksigen praktis tidak ada. Bentuk kehidupan primitif menerima energi minimum dengan cara lain. Itu terlalu kecil untuk pengembangan. Karena itu, pernapasan karena oksigen telah membuka lebih banyak peluang.

Fungsi lain dari fotosintesis adalah perlindungan organisme dari paparan sinar ultraviolet. Ini adalah lapisan ozon yang terletak di stratosfer pada ketinggian sekitar 20-25 km. Ini terbentuk karena oksigen, yang berubah menjadi ozon di bawah sinar matahari. Tanpa perlindungan ini, kehidupan di Bumi hanya akan terbatas pada organisme bawah laut.

Organisme melepaskan karbon dioksida selama respirasi. Ini adalah elemen penting dari fotosintesis. Jika tidak, karbon dioksida hanya akan menumpuk di atmosfer bagian atas, sangat meningkatkan efek rumah kaca.

Ini adalah masalah lingkungan yang serius, yang intinya adalah meningkatkan suhu atmosfer dengan konsekuensi negatif. Ini termasuk perubahan iklim (pemanasan global), gletser yang mencair, naiknya permukaan laut, dll.

Fungsi Fotosintesis:

• evolusi oksigen;
• pembentukan energi;
• pembentukan nutrisi;
• penciptaan lapisan ozon.

Definisi dan formula fotosintesis

Istilah "fotosintesis" berasal dari kombinasi dua kata: foto dan sintesis. Diterjemahkan dari bahasa Yunani kuno, artinya masing-masing "ringan" dan "koneksi". Dengan demikian, energi cahaya diubah menjadi energi ikatan zat organik.

Skema:

Karbon dioksida + air + cahaya = karbohidrat + oksigen.

Formula ilmiah untuk fotosintesis:

6CO₂ + 6H₂O → C₆N₁₂TENTANG₆ + 6O_2.

Fotosintesis terjadi sehingga kontak langsung dengan air dan CO₂ tidak kelihatan.

Pentingnya fotosintesis bagi tanaman

Tanaman membutuhkan bahan organik, energi untuk tumbuh dan berkembang. Berkat fotosintesis, mereka menyediakan sendiri komponen-komponen ini. Penciptaan zat organik adalah tujuan utama fotosintesis untuk tanaman, dan pelepasan oksigen dianggap sebagai reaksi samping.

Fakta yang menarik: Tumbuhan unik karena mereka tidak memerlukan organisme lain untuk menerima energi.Oleh karena itu, mereka membentuk kelompok yang terpisah - autotrof (diterjemahkan dari bahasa Yunani kuno "Saya makan sendiri").

Bagaimana fotosintesis terjadi?

Fotosintesis terjadi langsung di bagian hijau tanaman - kloroplas. Mereka adalah bagian dari sel tumbuhan. Kloroplas mengandung suatu zat - klorofil. Ini adalah pigmen fotosintesis utama, berkat itu seluruh reaksi terjadi. Selain itu, klorofil menentukan warna hijau vegetasi.

Pigmen ini ditandai dengan kemampuan menyerap cahaya. Dan di dalam sel tanaman, sebuah "laboratorium" biokimia nyata diluncurkan, di mana air dan CO₂ berubah menjadi oksigen, karbohidrat.

Air masuk melalui sistem akar tanaman, dan gas menembus langsung ke daun. Cahaya bertindak sebagai sumber energi. Ketika partikel cahaya bekerja pada molekul klorofil, aktivasi terjadi. Dalam molekul air H₂O oksigen (O) tetap tidak diklaim. Dengan demikian, itu menjadi produk sampingan untuk tanaman, tetapi sangat penting bagi kami, produk reaksi.

Fase Fotosintesis

Fotosintesis dibagi menjadi dua tahap: terang dan gelap. Mereka terjadi secara bersamaan, tetapi di berbagai bagian kloroplas. Nama setiap fase berbicara untuk dirinya sendiri. Fase cahaya atau tergantung cahaya hanya terjadi dengan partisipasi partikel cahaya. Dalam fase gelap atau tidak mudah menguap, cahaya tidak diperlukan.

Sebelum memeriksa setiap fase secara lebih rinci, ada baiknya untuk memahami struktur kloroplas, karena menentukan esensi dan tempat tahapan. Kloroplas adalah berbagai plastida dan terletak di dalam sel secara terpisah dari komponen lainnya. Ini memiliki bentuk biji.

Konstituen kloroplas yang terlibat dalam fotosintesis:

• 2 membran;
• stroma (cairan internal);
• thylakoids;
• lumens (celah di dalam tylakoids).

Fase cahaya fotosintesis

Mengalir pada thylakoids, lebih tepatnya, membrannya. Ketika cahaya mengenai mereka, elektron bermuatan negatif dilepaskan dan diakumulasikan. Dengan demikian, pigmen fotosintesis kehilangan semua elektron, setelah itu giliran molekul air membusuk:

H₂O → H + + OH-

Dalam hal ini, proton hidrogen yang terbentuk memiliki muatan positif dan terakumulasi pada membran tilakoid bagian dalam. Akibatnya, proton dengan muatan plus dan elektron dengan muatan minus hanya dipisahkan oleh membran.

Oksigen diproduksi sebagai produk sampingan:

4OH → O₂ + 2H₂HAI

Pada saat tertentu, fase elektron dan proton hidrogen menjadi terlalu banyak. Kemudian enzim ATP synthase memasuki pekerjaan. Tugasnya adalah mentransfer proton hidrogen dari membran tilakoid ke media cair kloroplas - stroma.

Pada tahap ini, hidrogen ditempatkan pada pembuangan pembawa lain - NADP (kependekan dari nikotinamidin nukleotida fosfat). Ini juga merupakan jenis enzim yang mempercepat reaksi oksidatif dalam sel. Dalam hal ini, tugasnya adalah mengangkut proton hidrogen dalam reaksi karbohidrat.

Pada tahap ini, proses fotofosfat terjadi, di mana sejumlah besar energi dihasilkan. Sumbernya adalah ATP - asam adenosin trifosfat.

Kerangka singkat:

1. Hit dari kuantum cahaya pada klorofil.
2. Pemilihan elektron.
3. Evolusi oksigen.
4. Pembentukan NADPH oksidase.
5. Produksi energi ATP.

Fakta yang menarik: Ada tanaman peninggalan bernama Velvichia yang tumbuh di pantai Afrika di Samudra Atlantik. Ini adalah satu-satunya perwakilan dari jenis dengan minimum daun yang mampu melakukan fotosintesis. Namun, usia Velvich mencapai sekitar 2000 tahun.

Fase gelap fotosintesis

Fase bebas cahaya terjadi langsung di stroma. Ini mewakili serangkaian reaksi enzimatik. Karbon dioksida diserap pada tahap cahaya yang dilarutkan dalam air, dan pada tahap ini direduksi menjadi glukosa. Zat organik kompleks juga diproduksi.

Reaksi fase gelap dibagi menjadi tiga jenis utama dan tergantung pada jenis tanaman (lebih tepatnya, metabolisme mereka), dalam sel-sel di mana fotosintesis terjadi:

• DENGAN₃-rencana;
• DENGAN₄-rencana;
• Tanaman CAM.

K C₃- Tanaman termasuk sebagian besar tanaman pertanian yang tumbuh di daerah beriklim sedang. Selama fotosintesis, karbon dioksida menjadi asam fosfogliserat.

Spesies subtropis dan tropis, terutama gulma, termasuk tanaman C4. Mereka dicirikan oleh transformasi karbon dioksida menjadi oksaloasetat. Tanaman CAM adalah kategori tanaman yang kurang lembab. Mereka berbeda dalam jenis fotosintesis khusus - CAM.

DENGAN3-fotosintesis

Yang paling umum adalah C₃-fotosintesis, yang juga disebut siklus Calvin - untuk menghormati ilmuwan Amerika Melvin Calvin, yang membuat kontribusi besar untuk mempelajari reaksi ini dan menerima Hadiah Nobel untuk ini.

Tumbuhan disebut C₃ karena fakta bahwa selama reaksi molekul 3-karbon fase 3 dari asam 3-fosfogliserat - 3-PGA terbentuk. Berbagai enzim terlibat langsung.

Agar molekul glukosa lengkap terbentuk, 6 siklus reaksi dari fase independen-cahaya harus berlalu. Karbohidrat adalah produk utama fotosintesis dalam siklus Calvin, tetapi selain itu, lemak dan asam amino, serta glikolipid, diproduksi. C₃ fotosintesis tanaman berlangsung secara eksklusif dalam sel mesofil.

Kerugian utama dari C3fotosintesis

Kelompok C tanaman₃ditandai dengan satu kelemahan signifikan. Jika kelembaban di lingkungan tidak mencukupi, kemampuan fotosintesis berkurang secara signifikan. Ini karena fotorespirasi.

Faktanya adalah bahwa dengan konsentrasi rendah karbon dioksida dalam kloroplas (kurang dari 50: 1 000 000), oksigen tetap bukan fiksasi karbon. Enzim khusus melambat secara signifikan dan membuang energi matahari.

Pada saat yang sama, pertumbuhan dan perkembangan tanaman melambat, karena tidak memiliki bahan organik. Juga, tidak ada pelepasan oksigen ke atmosfer.

Fakta yang menarik: Siput laut Elysia chlorotica adalah hewan unik yang berfotosintesis seperti tanaman. Ini memakan ganggang, kloroplas yang menembus sel-sel saluran pencernaan dan berfotosintesis di sana selama berbulan-bulan. Karbohidrat yang dihasilkan melayani siput sebagai makanan.

Fotosintesis C4

Tidak seperti C₃-sintesis, di sini reaksi fiksasi karbon dioksida dilakukan di berbagai sel tanaman. Jenis tanaman ini mampu mengatasi masalah fotorespirasi, dan mereka melakukan ini dengan siklus dua tahap.

Di satu sisi, tingkat karbon dioksida yang tinggi dipertahankan, dan di sisi lain, tingkat oksigen yang rendah di kloroplas dikontrol. Taktik ini memungkinkan tanaman C4 untuk menghindari pernapasan foto dan kesulitan yang terkait. Perwakilan tanaman dari kelompok ini adalah tebu, jagung, millet, dll.

Dibandingkan dengan tanaman C₃ mereka mampu melakukan proses fotosintesis jauh lebih intensif di bawah kondisi suhu tinggi dan kurangnya kelembaban. Pada tahap pertama, karbon dioksida difiksasi dalam sel mesofil, di mana asam 4-karbonat terbentuk. Kemudian asam melewati ke dalam cangkang dan terurai di sana menjadi senyawa 3-karbon dan karbon dioksida.

Pada tahap kedua, karbon dioksida yang dihasilkan mulai bekerja dalam siklus Calvin, di mana gliseraldehida-3-fosfat dan karbohidrat diproduksi, yang diperlukan untuk metabolisme energi.

Karena fotosintesis dua langkah pada tanaman C4, jumlah karbon dioksida yang cukup terbentuk untuk siklus Kelvin. Karena itu, enzim bekerja dengan kekuatan penuh dan tidak membuang energi dengan sia-sia.

Tetapi sistem ini memiliki kekurangan. Secara khusus, sejumlah besar energi ATP dikonsumsi - perlu untuk transformasi asam 4-karbon menjadi asam 3-karbon dan dalam arah yang berlawanan. Jadi c₃-Fotosintesis selalu lebih produktif daripada C4 dengan jumlah air dan cahaya yang tepat.

Apa yang mempengaruhi laju fotosintesis?

Fotosintesis dapat terjadi pada kecepatan yang berbeda. Proses ini tergantung pada kondisi lingkungan:

• air;
• panjang gelombang cahaya;
• karbon dioksida;
• suhu.

Air adalah faktor fundamental, jadi ketika kurang, reaksi melambat. Untuk fotosintesis, yang paling disukai adalah gelombang spektrum merah dan biru-ungu. Tingkat iluminasi yang tinggi juga lebih disukai, tetapi hanya pada nilai tertentu - ketika tercapai, hubungan antara iluminasi dan laju reaksi menghilang.

Konsentrasi tinggi karbon dioksida memberikan proses fotosintesis yang cepat dan sebaliknya. Suhu tertentu penting untuk enzim yang mempercepat reaksi. Kondisi ideal untuk mereka adalah sekitar 25-30 ℃.

Foto napas

Semua makhluk hidup perlu bernafas, dan tanaman tidak terkecuali. Namun, proses ini di dalamnya terjadi sedikit berbeda dari pada manusia dan hewan, itulah sebabnya disebut fotorespirasi.

Umumnya, nafas - proses fisik di mana organisme hidup dan gas-gas lingkungannya bertukar. Seperti semua makhluk hidup, tanaman membutuhkan oksigen untuk bernafas. Tetapi mereka mengonsumsinya jauh lebih sedikit daripada yang mereka hasilkan.

Selama fotosintesis, yang hanya terjadi di bawah sinar matahari, tanaman menciptakan makanan untuk diri mereka sendiri. Selama pernapasan foto, yang dilakukan sepanjang waktu, nutrisi ini diserap oleh mereka untuk mendukung metabolisme dalam sel.

Fakta yang menarik: selama hari yang cerah, sebidang hutan seluas 1 hektar mengkonsumsi 120-280 kg karbon dioksida dan mengeluarkan 180 hingga 200 kg oksigen.

Oksigen (seperti karbon dioksida) menembus sel-sel tumbuhan melalui lubang khusus - stomata. Mereka berada di bagian bawah daun. Sekitar 1000 stomata dapat ditemukan di satu lembar.

Pertukaran gas tanaman tergantung pada iluminasi

Proses pertukaran gas di berbagai pencahayaan disajikan sebagai berikut:

1. Cahaya terang. Karbon dioksida digunakan selama fotosintesis. Tumbuhan menghasilkan lebih banyak oksigen daripada yang mereka konsumsi. Surplusnya memasuki atmosfer. Karbon dioksida dikonsumsi lebih cepat daripada yang dikeluarkan oleh respirasi. Karbohidrat yang tidak digunakan disimpan oleh pabrik untuk digunakan di masa depan.
2. Cahaya redup. Pertukaran gas dengan lingkungan tidak terjadi, karena pabrik mengkonsumsi semua oksigen yang dihasilkannya.
3. Kurang cahaya. Hanya proses respirasi yang terjadi. Karbon dioksida dilepaskan dan oksigen dikonsumsi.

Kemosintesis

Beberapa organisme hidup juga mampu membentuk monokarbohidrat dari air dan karbon dioksida, sementara mereka tidak membutuhkan sinar matahari. Ini termasuk bakteri, dan proses konversi energi disebut kemosintesis.

Kemosintesis Ini adalah proses di mana glukosa disintesis, tetapi bahan kimia digunakan sebagai pengganti energi matahari. Itu mengalir di daerah dengan suhu yang cukup tinggi, cocok untuk operasi enzim, dan tanpa cahaya. Ini mungkin area dekat mata air hidrotermal, kebocoran metana di kedalaman laut, dll.

Sejarah penemuan fotosintesis

Sejarah penemuan dan studi fotosintesis berawal tahun 1600, ketika Jan Baptiste van Helmont memutuskan untuk memahami pertanyaan mendesak pada waktu itu: apa yang dimakan tumbuhan dan dari mana mereka mendapatkan zat yang bermanfaat?

Pada saat itu, diyakini bahwa tanah adalah sumber elemen berharga. Ilmuwan menempatkan ranting willow dalam wadah dengan tanah, tetapi sebelumnya diukur beratnya. Selama 5 tahun, ia merawat pohon itu, menyiraminya, setelah itu ia kembali melakukan prosedur pengukuran.

Ternyata berat bumi berkurang 56 g, tetapi pohon itu menjadi 30 kali lebih berat. Penemuan ini membantah pandangan bahwa tanaman memakan tanah dan memunculkan teori baru - nutrisi air.

Di masa depan, banyak ilmuwan mencoba membantahnya.Sebagai contoh, Lomonosov percaya bahwa sebagian komponen struktural memasuki tanaman melalui daun. Ia dibimbing oleh tanaman yang berhasil tumbuh di daerah kering. Namun, itu tidak mungkin untuk membuktikan versi ini.

Hal yang paling dekat dengan situasi sebenarnya adalah Joseph Priestley, seorang ilmuwan kimia dan pendeta paruh waktu. Suatu ketika ia menemukan seekor tikus mati dalam stoples terbalik, dan kejadian ini memaksanya untuk melakukan serangkaian percobaan dengan tikus, lilin, dan wadah di tahun 1770-an.

Priestley mendapati lilin selalu padam dengan cepat jika Anda menutupinya dengan toples di atasnya. Juga, organisme hidup tidak dapat bertahan hidup. Ilmuwan sampai pada kesimpulan bahwa ada kekuatan tertentu yang membuat udara cocok untuk kehidupan, dan mencoba menghubungkan fenomena ini dengan tanaman.

Dia terus melakukan eksperimen, tetapi kali ini dia mencoba menempatkan pot dengan permen yang tumbuh di bawah wadah gelas. Yang mengejutkan, pabrik itu terus berkembang secara aktif. Kemudian Priestley meletakkan tanaman dan tikus di bawah satu stoples, dan hanya seekor binatang di bawah yang kedua. Hasilnya jelas - di bawah tangki pertama, hewan pengerat tetap tidak terluka.

Pencapaian ahli kimia menjadi motivasi bagi ilmuwan lain di seluruh dunia untuk mengulangi percobaan. Tetapi yang menarik adalah bahwa imam melakukan percobaan di siang hari. Dan, misalnya, apoteker Karl Scheele - pada malam hari, ketika ada waktu luang. Akibatnya, ilmuwan menuduh Priestley menipu, karena subjek eksperimennya tidak tahan dengan eksperimen pada tanaman.

Konfrontasi ilmiah yang sebenarnya meletus di antara ahli kimia, yang membawa manfaat signifikan dan memungkinkan untuk membuat penemuan lain - bahwa tanaman perlu memulihkan udara, mereka membutuhkan sinar matahari.

Tentu saja, maka tidak ada yang menyebut fenomena ini fotosintesis, dan masih ada banyak pertanyaan. Namun, pada 1782, ahli botani Jean Senebier mampu membuktikan bahwa di hadapan sinar matahari, tanaman mampu memecah karbon dioksida pada tingkat sel. Dan pada tahun 1864, akhirnya, bukti eksperimental muncul bahwa tanaman menyerap karbon dioksida dan menghasilkan oksigen. Ini adalah kelebihan ilmuwan dari Jerman - Julius Sachs.

Tonton videonya: Bahas Lengkap Glikolisis. Respirasi Aerob (November 2024).