Sejarah studi fotosintesis. Secara singkat. Proses fotosintesis dalam biologi Bagaimana tumbuhan menyerap energi matahari

Bagaimana menjelaskan proses kompleks seperti fotosintesis secara singkat dan jelas? Tumbuhan adalah satu-satunya organisme hidup yang dapat menghasilkan makanannya sendiri. Bagaimana mereka melakukannya? Untuk pertumbuhannya, mereka menerima semua zat yang diperlukan dari lingkungan: karbon dioksida dari udara, air, dan dari tanah. Mereka juga membutuhkan energi yang didapat dari sinar matahari. Energi ini memicu reaksi kimia tertentu di mana karbon dioksida dan air diubah menjadi glukosa (makanan) dan fotosintesis. Inti dari proses tersebut dapat dijelaskan secara singkat dan jelas bahkan kepada anak usia sekolah.

"Bersama Cahaya"

Kata "fotosintesis" berasal dari dua kata Yunani - "foto" dan "sintesis", yang kombinasinya berarti "bersama dengan cahaya". Energi matahari diubah menjadi energi kimia. Persamaan kimia fotosintesis:

6CO 2 + 12H 2 O + cahaya = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

Ini berarti bahwa 6 molekul karbon dioksida dan dua belas molekul air digunakan (bersama dengan sinar matahari) untuk menghasilkan glukosa, menghasilkan enam molekul oksigen dan enam molekul air. Jika Anda merepresentasikannya sebagai persamaan verbal, Anda mendapatkan yang berikut:

Air + matahari => glukosa + oksigen + air.

Matahari merupakan sumber energi yang sangat kuat. Masyarakat selalu berusaha memanfaatkannya untuk menghasilkan listrik, menyekat rumah, memanaskan air, dan sebagainya. Tumbuhan “menemukan” cara menggunakan energi matahari jutaan tahun yang lalu karena hal itu penting untuk kelangsungan hidup mereka. Fotosintesis dapat dijelaskan secara singkat dan jelas sebagai berikut: tumbuhan menggunakan energi cahaya matahari dan mengubahnya menjadi energi kimia, yang hasilnya adalah gula (glukosa), yang kelebihannya disimpan sebagai pati di daun, akar, batang. dan benih tanaman. Energi matahari ditransfer ke tumbuhan, serta hewan yang memakan tumbuhan tersebut. Ketika tanaman membutuhkan unsur hara untuk pertumbuhan dan proses kehidupan lainnya, cadangan tersebut sangat berguna.

Bagaimana tumbuhan menyerap energi matahari?

Berbicara tentang fotosintesis secara singkat dan jelas, ada baiknya menjawab pertanyaan tentang bagaimana tumbuhan bisa menyerap energi matahari. Hal ini terjadi karena struktur khusus daun, yang meliputi sel-sel hijau - kloroplas, yang mengandung zat khusus yang disebut klorofil. Hal inilah yang memberi warna hijau pada daun dan bertugas menyerap energi sinar matahari.

Mengapa sebagian besar daunnya lebar dan rata?

Fotosintesis terjadi pada daun tumbuhan. Fakta yang menakjubkan adalah tanaman beradaptasi dengan sangat baik dalam menangkap sinar matahari dan menyerap karbon dioksida. Berkat permukaannya yang lebar, lebih banyak cahaya yang ditangkap. Oleh karena itu, panel surya yang terkadang dipasang di atap rumah juga berukuran lebar dan datar. Semakin besar permukaannya, semakin baik daya serapnya.

Apa lagi yang penting bagi tanaman?

Seperti halnya manusia, tanaman juga membutuhkan unsur hara yang bermanfaat agar tetap sehat, tumbuh, dan menjalankan fungsi vitalnya dengan baik. Mereka memperoleh mineral yang terlarut dalam air dari tanah melalui akarnya. Jika tanah kekurangan unsur hara mineral, tanaman tidak akan berkembang secara normal. Petani sering kali menguji tanah untuk memastikan tanah tersebut memiliki cukup nutrisi bagi tanaman untuk tumbuh. Jika tidak, gunakanlah pupuk yang mengandung mineral penting untuk nutrisi dan pertumbuhan tanaman.

Mengapa fotosintesis begitu penting?

Untuk menjelaskan fotosintesis secara singkat dan jelas kepada anak-anak, perlu disebutkan bahwa proses ini adalah salah satu reaksi kimia terpenting di dunia. Apa alasan untuk pernyataan keras seperti itu? Pertama, fotosintesis memberi makan tanaman, yang pada gilirannya memberi makan semua makhluk hidup di planet ini, termasuk hewan dan manusia. Kedua, sebagai hasil fotosintesis, oksigen yang diperlukan untuk respirasi dilepaskan ke atmosfer. Semua makhluk hidup menghirup oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida. Untungnya, tumbuhan melakukan hal sebaliknya, sehingga sangat penting bagi manusia dan hewan karena memberi mereka kemampuan untuk bernapas.

Proses yang luar biasa

Tumbuhan ternyata juga bisa bernapas, tetapi tidak seperti manusia dan hewan, mereka menyerap karbon dioksida dari udara, bukan oksigen. Tumbuhan juga minum. Itu sebabnya Anda perlu menyiraminya, kalau tidak mereka akan mati. Dengan bantuan sistem perakaran, air dan unsur hara diangkut ke seluruh bagian tubuh tumbuhan, dan karbon dioksida diserap melalui lubang-lubang kecil di daun. Pemicu dimulainya reaksi kimia adalah sinar matahari. Semua produk metabolisme yang diperoleh digunakan tanaman untuk nutrisi, oksigen dilepaskan ke atmosfer. Demikianlah penjelasan singkat dan jelas bagaimana proses fotosintesis terjadi.

Fotosintesis: fase fotosintesis terang dan gelap

Proses yang dipertimbangkan terdiri dari dua bagian utama. Ada dua fase fotosintesis (deskripsi dan tabel di bawah). Yang pertama disebut fase cahaya. Ini hanya terjadi dengan adanya cahaya di membran tilakoid dengan partisipasi klorofil, protein transpor elektron dan enzim ATP sintetase. Apa lagi yang disembunyikan fotosintesis? Menyalakan dan menggantikan satu sama lain seiring berjalannya siang dan malam (siklus Calvin). Selama fase gelap, produksi glukosa yang sama, makanan bagi tanaman, terjadi. Proses ini juga disebut reaksi tidak tergantung cahaya.

Kesimpulan

Dari uraian di atas, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

• Fotosintesis adalah proses yang menghasilkan energi dari matahari.
• Energi cahaya matahari diubah menjadi energi kimia oleh klorofil.
• Klorofil memberi warna hijau pada tumbuhan.
• Fotosintesis terjadi di kloroplas sel daun tumbuhan.
• Karbon dioksida dan air diperlukan untuk fotosintesis.
• Karbon dioksida memasuki tanaman melalui lubang kecil, stomata, dan oksigen keluar melalui lubang tersebut.
• Air diserap ke dalam tanaman melalui akarnya.
• Tanpa fotosintesis tidak akan ada makanan di dunia.

Sesuai dengan namanya, fotosintesis pada dasarnya adalah sintesis alami zat organik, mengubah CO2 dari atmosfer dan air menjadi glukosa dan oksigen bebas.

Hal ini memerlukan kehadiran energi matahari.

Persamaan kimia untuk proses fotosintesis secara umum dapat direpresentasikan sebagai berikut:

Fotosintesis memiliki dua fase: gelap dan terang. Reaksi kimia fotosintesis fase gelap berbeda secara signifikan dengan reaksi fase terang, tetapi fase fotosintesis gelap dan terang bergantung satu sama lain.

Fase terang dapat terjadi pada daun tanaman secara eksklusif di bawah sinar matahari. Untuk kegelapan, keberadaan karbon dioksida diperlukan, itulah sebabnya tanaman harus terus-menerus menyerapnya dari atmosfer. Semua karakteristik komparatif fase gelap dan terang fotosintesis akan diberikan di bawah ini. Untuk tujuan ini, tabel perbandingan “Fase Fotosintesis” telah dibuat.

Fase terang fotosintesis

Proses utama pada fase cahaya fotosintesis terjadi di membran tilakoid. Ini melibatkan klorofil, protein transpor elektron, ATP sintetase (enzim yang mempercepat reaksi) dan sinar matahari.

Lebih lanjut, mekanisme reaksi dapat digambarkan sebagai berikut: ketika sinar matahari mengenai daun hijau tanaman, elektron klorofil (muatan negatif) tereksitasi dalam strukturnya, yang, setelah masuk ke keadaan aktif, meninggalkan molekul pigmen dan berakhir di di luar tilakoid, yang membrannya juga bermuatan negatif. Pada saat yang sama, molekul klorofil teroksidasi dan molekul yang sudah teroksidasi tereduksi, sehingga mengambil elektron dari air yang ada pada struktur daun.

Proses ini mengarah pada fakta bahwa molekul air terurai, dan ion-ion yang tercipta sebagai hasil fotolisis air melepaskan elektronnya dan berubah menjadi radikal OH yang mampu melakukan reaksi lebih lanjut. Radikal OH reaktif ini kemudian bergabung untuk menciptakan molekul air dan oksigen yang lengkap. Dalam hal ini, oksigen bebas keluar ke lingkungan luar.

Akibat semua reaksi dan transformasi ini, membran tilakoid daun di satu sisi bermuatan positif (akibat ion H+), dan di sisi lain bermuatan negatif (akibat elektron). Ketika perbedaan antara muatan di kedua sisi membran mencapai lebih dari 200 mV, proton melewati saluran khusus enzim ATP sintetase dan karena ini, ADP diubah menjadi ATP (sebagai hasil dari proses fosforilasi). Dan atom hidrogen, yang dilepaskan dari air, mengembalikan pembawa spesifik NADP+ menjadi NADP H2. Seperti yang dapat kita lihat, sebagai hasil dari fase cahaya fotosintesis, terjadi tiga proses utama:

1. sintesis ATP;
2. pembuatan NADP H2;
3. pembentukan oksigen bebas.

Yang terakhir dilepaskan ke atmosfer, dan NADP H2 dan ATP mengambil bagian dalam fase gelap fotosintesis.

Fase gelap fotosintesis

Fase gelap dan terang fotosintesis ditandai dengan pengeluaran energi yang besar pada tumbuhan, tetapi fase gelap berlangsung lebih cepat dan membutuhkan lebih sedikit energi. Reaksi fase gelap tidak memerlukan sinar matahari, sehingga dapat terjadi siang dan malam.

Semua proses utama fase ini terjadi di stroma kloroplas tanaman dan mewakili rantai unik transformasi karbon dioksida dari atmosfer. Reaksi pertama dalam rantai tersebut adalah fiksasi karbon dioksida. Untuk mewujudkannya lebih lancar dan cepat, alam menyediakan enzim RiBP-karboksilase, yang mengkatalisis fiksasi CO2.

Selanjutnya terjadi seluruh siklus reaksi, yang penyelesaiannya adalah konversi asam fosfogliserat menjadi glukosa (gula alami). Semua reaksi ini menggunakan energi ATP dan NADP H2, yang diciptakan dalam fase cahaya fotosintesis. Selain glukosa, fotosintesis juga menghasilkan zat lain. Diantaranya berbagai asam amino, asam lemak, gliserol, dan nukleotida.

Fase fotosintesis: tabel perbandingan

Fotosintesis - video

Fotosintesis adalah proses yang digunakan oleh tumbuhan, alga, dan beberapa bakteri untuk menggunakan energi dari sinar matahari dan mengubahnya menjadi energi kimia. Artikel ini menjelaskan prinsip umum fotosintesis dan penerapan fotosintesis pada pengembangan bahan bakar ramah lingkungan dan sumber energi terbarukan.

Ada dua jenis proses fotosintesis: oksigenik fotosintesis Dan anoksigenik fotosintesis. Prinsip umum fotosintesis anoksigenik dan oksigenik sangat mirip, tetapi yang paling umum adalah fotosintesis oksigenik, yang diamati pada tumbuhan, alga, dan cyanobacteria.

Selama fotosintesis oksigenik, energi cahaya memfasilitasi transfer elektron dari air (H 2 O) ke karbon dioksida (CO 2). Sebagai hasil dari reaksi, oksigen dan hidrokarbon terbentuk.

Fotosintesis oksigenik dapat disebut proses yang berlawanan dengan respirasi di mana karbon dioksida, yang dihasilkan oleh semua organisme yang bernapas, diserap dan oksigen dilepaskan ke atmosfer.

Sebaliknya, dalam fotosintesis anoksigenik, air tidak digunakan sebagai donor elektron. Proses ini umumnya diamati pada bakteri seperti bakteri ungu dan bakteri belerang hijau, yang terutama ditemukan di berbagai lingkungan perairan.

Dalam fotosintesis anoksigenik, tidak ada oksigen yang dihasilkan, itulah namanya. Hasil reaksi bergantung pada donor elektron. Misalnya, banyak bakteri menggunakan hidrogen sulfida sebagai donor, dan sebagai hasil fotosintesis, belerang padat terbentuk.

Meskipun kedua jenis fotosintesis ini merupakan proses yang kompleks dan bertingkat, keduanya dapat direpresentasikan secara kasar melalui persamaan kimia di bawah ini.

Fotosintesis oksigenik ditulis sebagai berikut:

6CO 2 + 12H 2 O + Energi cahaya → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O

Di sini, enam molekul karbon dioksida (CO2) digabungkan dengan 12 molekul air (H2O) menggunakan energi cahaya. Sebagai hasil reaksi, terbentuk satu molekul karbohidrat (C6H12O6 atau glukosa) dan enam molekul oksigen dan enam molekul air.

Reaksi yang berbeda pula fotosintesis anoksigenik dapat disajikan dalam bentuk satu rumus umum:

CO 2 + 2H 2 A + Energi cahaya → + 2A + H 2 O

Huruf A dalam persamaan tersebut adalah variabel, dan H 2 A melambangkan donor elektron potensial. Misalnya, A mungkin belerang dalam hidrogen sulfida (H 2 S).

Peralatan fotosintesis

Di bawah ini adalah komponen seluler yang diperlukan untuk fotosintesis.

Pigmen

Pigmen adalah molekul yang memberi warna pada tumbuhan, alga, dan bakteri, namun juga bertanggung jawab menangkap sinar matahari secara efektif. Pigmen dengan warna berbeda menyerap panjang gelombang cahaya berbeda. Di bawah ini adalah tiga kelompok utama.

• Klorofil- Ini adalah pigmen hijau yang mampu menangkap cahaya biru dan merah. Klorofil memiliki tiga subtipe yang disebut klorofil a, klorofil b, dan klorofil c. Klorofil a ditemukan pada semua tanaman fotosintetik. Ada juga varian bakteri, bacteriochlorophyll, yang menyerap cahaya infra merah. Pigmen ini terutama ditemukan pada bakteri belerang ungu dan hijau yang melakukan fotosintesis anoksigenik.
• Karotenoid adalah pigmen merah, oranye atau kuning yang menyerap cahaya biru-hijau. Contoh karotenoid adalah xantofil (kuning) dan karoten (oranye) yang memberi warna pada wortel.
• fikobilin adalah pigmen merah atau biru yang menyerap cahaya dengan panjang gelombang panjang yang tidak diserap dengan baik oleh klorofil dan karotenoid. Mereka dapat diamati pada cyanobacteria dan ganggang merah.

plastida

Organisme eukariotik fotosintesis mengandung organel yang disebut plastida. Plastida dengan dua membran pada tumbuhan dan alga dianggap plastida primer, sedangkan plastida dengan banyak membran yang ditemukan di plankton disebut plastida sekunder, menurut makalah di jurnal Nature Education oleh Chong Xin Chang dan Debashish Bhattacharya, peneliti di Rutgers University di New Jersey .

Plastida biasanya mengandung pigmen atau dapat menyimpan nutrisi. Leukoplas yang tidak berwarna dan tidak berpigmen menyimpan lemak dan pati, sedangkan kromoplas mengandung karotenoid dan kloroplas mengandung klorofil.

Fotosintesis terjadi di kloroplas; khususnya di daerah grana dan stroma. Grana adalah tumpukan vesikel datar atau membran yang disebut tilakoid. Semua struktur fotosintesis terletak di grana. Di sinilah terjadi perpindahan elektron. Ruang kosong di antara kolom grana membentuk stroma.

Kloroplas mirip dengan mitokondria, pusat energi sel, karena mereka memiliki genom sendiri, atau kumpulan gen, yang terkandung dalam DNA sirkular. Gen-gen ini mengkode protein yang diperlukan untuk organel dan fotosintesis. Seperti mitokondria, kloroplas diperkirakan berevolusi dari sel bakteri primitif melalui proses endosimbiosis.

Antena

Molekul pigmen dihubungkan oleh protein, yang memungkinkan mereka bergerak searah cahaya dan satu sama lain. Menurut publikasi Wim Vermaas, seorang profesor di Arizona State University, satu set 100-5000 molekul pigmen mewakili " antena" Struktur ini menangkap energi cahaya dari matahari dalam bentuk foton.

Pada akhirnya, energi cahaya harus ditransfer ke kompleks pigmen-protein yang dapat mengubahnya menjadi energi kimia dalam bentuk elektron. Pada tumbuhan, misalnya, energi cahaya ditransfer ke pigmen klorofil. Transisi ke energi kimia terjadi ketika pigmen klorofil menggantikan elektron, yang kemudian dapat menuju ke penerima yang sesuai.

Pusat reaksi

Pigmen dan protein yang mengubah energi cahaya menjadi energi kimia dan memulai proses transfer elektron disebut pusat reaksi.

Proses fotosintesis

Reaksi fotosintesis tumbuhan dibedakan menjadi reaksi yang memerlukan sinar matahari dan tidak memerlukan sinar matahari. Kedua jenis reaksi terjadi di kloroplas: reaksi bergantung cahaya di tilakoid dan reaksi tidak bergantung cahaya di stroma.

Reaksi bergantung cahaya (reaksi terang), ketika foton cahaya mengenai pusat reaksi dan molekul pigmen seperti klorofil melepaskan elektron. Dalam hal ini, elektron tidak boleh kembali ke posisi semula, dan hal ini tidak mudah untuk dihindari, karena klorofil sekarang memiliki “lubang elektron” yang menarik elektron di dekatnya.

Elektron yang dibebaskan mampu “melarikan diri” dengan bergerak sepanjang rantai transpor elektron, yang menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan ATP (adenosin trifosfat, sumber energi kimia untuk sel) dan NADP. “Lubang elektron” pada pigmen klorofil asli diisi dengan elektron dari air. Akibatnya, oksigen dilepaskan ke atmosfer.

Reaksi gelap(yang tidak bergantung pada kehadiran cahaya dan juga dikenal sebagai siklus Calvin). Selama reaksi gelap, ATP dan NADP diproduksi, yang merupakan sumber energi. Siklus Calvin terdiri dari tiga tahap reaksi kimia: fiksasi karbon, reduksi dan regenerasi. Reaksi ini menggunakan air dan katalis. Atom karbon dari karbon dioksida "tetap" ketika mereka dimasukkan ke dalam molekul organik yang pada akhirnya membentuk karbohidrat tiga karbon (gula ringan). Gula ini kemudian digunakan untuk menghasilkan glukosa atau didaur ulang untuk memulai kembali siklus Calvin.

Fotosintesis di masa depan. Penerapan fotosintesis

Organisme fotosintesis merupakan cara potensial untuk menghasilkan bahan bakar bersih seperti hidrogen atau bahkan metana. Baru-baru ini, tim peneliti di Universitas Turku di Finlandia memanfaatkan kemampuan ganggang hijau untuk menghasilkan hidrogen. Ganggang hijau dapat menghasilkan hidrogen dalam hitungan detik jika pertama kali terkena cahaya dan kondisi bebas oksigen, lalu kemudian terkena cahaya. Tim tersebut mengembangkan cara untuk memperpanjang produksi hidrogen alga hingga tiga hari, seperti yang dilaporkan dalam publikasi tahun 2018 di jurnal Energy & Environmental Science.

Para ilmuwan juga telah membuat kemajuan dalam bidang fotosintesis buatan. Misalnya, tim peneliti di Universitas California, Berkeley, telah mengembangkan sistem buatan untuk menangkap karbon dioksida menggunakan kawat nano semikonduktor dan bakteri. Menggabungkan satu set kawat nano penyerap cahaya biokompatibel dengan populasi bakteri tertentu, menggunakan energi sinar matahari, mengubah karbon dioksida menjadi bahan bakar atau polimer. Tim menerbitkan proyek mereka pada tahun 2015 di jurnal Nano Letters.

Pada tahun 2016, para ilmuwan dari kelompok yang sama menerbitkan sebuah penelitian di jurnal Science, yang menggambarkan sistem fotosintesis buatan lainnya di mana bakteri yang direkayasa secara khusus digunakan untuk menghasilkan bahan bakar cair menggunakan sinar matahari, air, dan karbon dioksida. Secara umum tumbuhan hanya dapat menggunakan 1% energi matahari dan menggunakannya selama fotosintesis untuk menghasilkan senyawa organik. Sebaliknya, sistem fotosintesis buatan mampu menggunakan 10% energi matahari untuk menghasilkan senyawa organik.

Mempelajari proses alam seperti fotosintesis membantu para ilmuwan mengembangkan cara baru untuk menggunakan berbagai sumber energi terbarukan. Sinar matahari banyak digunakan oleh tumbuhan dan bakteri dalam fotosintesis, sehingga fotosintesis buatan merupakan langkah logis untuk menciptakan bahan bakar ramah lingkungan.

Artikel tersebut menggunakan bahan dari livescience.com

(Dilihat oleh 1.663 | Dilihat oleh 1 hari ini)

Tanaman Hias Pemurni Udara Terbaik

Fotosintesis adalah sintesis senyawa organik pada daun tumbuhan hijau dari air dan karbon dioksida atmosfer menggunakan energi matahari (cahaya) yang diserap oleh klorofil dalam kloroplas.

Berkat fotosintesis, energi cahaya tampak ditangkap dan diubah menjadi energi kimia, yang disimpan (disimpan) dalam zat organik yang terbentuk selama fotosintesis.

Tanggal penemuan proses fotosintesis dapat dianggap tahun 1771. Ilmuwan Inggris J. Priestley menarik perhatian pada perubahan komposisi udara akibat aktivitas vital hewan. Dengan adanya tumbuhan hijau, udara kembali menjadi cocok untuk pernafasan dan pembakaran. Selanjutnya, karya sejumlah ilmuwan (Y. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J.B. Boussingault) menemukan bahwa tumbuhan hijau menyerap CO 2 dari udara, dari mana bahan organik terbentuk dengan partisipasi air dalam cahaya. . Proses inilah yang pada tahun 1877 ilmuwan Jerman W. Pfeffer menyebut fotosintesis. Hukum kekekalan energi yang dirumuskan oleh R. Mayer sangat penting untuk mengungkap esensi fotosintesis. Pada tahun 1845, R. Mayer mengusulkan bahwa energi yang digunakan tumbuhan adalah energi Matahari, yang diubah tumbuhan menjadi energi kimia melalui proses fotosintesis. Posisi ini dikembangkan dan dikonfirmasi secara eksperimental dalam penelitian ilmuwan luar biasa Rusia K.A. Timiryazev.

Peran utama organisme fotosintetik:

1) transformasi energi sinar matahari menjadi energi ikatan kimia senyawa organik;

2) kejenuhan atmosfer dengan oksigen;

Sebagai hasil fotosintesis, 150 miliar ton bahan organik terbentuk di Bumi dan sekitar 200 miliar ton oksigen bebas dilepaskan setiap tahunnya. Mencegah peningkatan konsentrasi CO2 di atmosfer, mencegah pemanasan berlebih di bumi (efek rumah kaca).

Atmosfer yang diciptakan oleh fotosintesis melindungi makhluk hidup dari radiasi UV gelombang pendek yang berbahaya (pelindung oksigen-ozon di atmosfer).

Hanya 1-2% energi matahari yang ditransfer ke hasil panen tanaman pertanian; kerugian tersebut disebabkan oleh penyerapan cahaya yang tidak sempurna. Oleh karena itu, terdapat prospek besar untuk meningkatkan produktivitas melalui pemilihan varietas dengan efisiensi fotosintesis tinggi dan penciptaan struktur tanaman yang mendukung penyerapan cahaya. Dalam hal ini, pengembangan landasan teoritis untuk mengendalikan fotosintesis menjadi sangat relevan.

Pentingnya fotosintesis sangat besar. Mari kita perhatikan saja bahwa ia memasok bahan bakar (energi) dan oksigen atmosfer yang diperlukan untuk keberadaan semua makhluk hidup. Oleh karena itu, peran fotosintesis bersifat planet.

Keplanetan fotosintesis juga ditentukan oleh fakta bahwa berkat siklus oksigen dan karbon (terutama) komposisi atmosfer saat ini dipertahankan, yang pada gilirannya menentukan kelangsungan kehidupan lebih lanjut di Bumi. Lebih lanjut dapat dikatakan bahwa energi yang tersimpan dalam produk fotosintesis pada dasarnya adalah sumber energi utama yang dimiliki umat manusia saat ini.

Reaksi total fotosintesis

BERSAMA 2 +H 2 HAI = (CH 2 HAI) + HAI 2 .

Kimia fotosintesis dijelaskan dengan persamaan berikut:

Fotosintesis – 2 kelompok reaksi:

panggung ringan (tergantung pada penerangan)

panggung gelap (tergantung suhu).

Kedua kelompok reaksi tersebut terjadi secara bersamaan

Fotosintesis terjadi di kloroplas tumbuhan hijau.

Fotosintesis dimulai dengan penangkapan dan penyerapan cahaya oleh pigmen klorofil yang terdapat pada kloroplas sel tumbuhan hijau.

Hal ini ternyata cukup untuk menggeser spektrum serapan molekul.

Molekul klorofil menyerap foton pada spektrum ungu dan biru, lalu pada spektrum bagian merah, dan tidak berinteraksi dengan foton pada spektrum bagian hijau dan kuning.

Itu sebabnya klorofil dan tumbuhan tampak hijau - mereka tidak bisa memanfaatkan sinar hijau dan membiarkannya berkeliaran di seluruh dunia (sehingga menjadikannya lebih hijau).

Pigmen fotosintetik terletak di sisi dalam membran tilakoid.

Pigmen disusun menjadi fotosistem(bidang antena untuk menangkap cahaya) - mengandung 250–400 molekul pigmen berbeda.

Fotosistem terdiri dari:

pusat reaksi fotosistem (molekul klorofil A),

molekul antena

Semua pigmen dalam fotosistem mampu mentransfer energi keadaan tereksitasi satu sama lain. Energi foton yang diserap oleh satu atau beberapa molekul pigmen ditransfer ke molekul tetangga hingga mencapai pusat reaksi. Ketika sistem resonansi pusat reaksi masuk ke keadaan tereksitasi, ia mentransfer dua elektron tereksitasi ke molekul akseptor dan dengan demikian menjadi teroksidasi dan memperoleh muatan positif.

Pada tumbuhan:

fotosistem 1(penyerapan cahaya maksimum pada panjang gelombang 700 nm - P700)

fotosistem 2(penyerapan cahaya maksimum pada panjang gelombang 680 nm - P680

Perbedaan penyerapan optima disebabkan oleh sedikit perbedaan struktur pigmen.

Kedua sistem tersebut bekerja secara tandem, seperti disebut konveyor dua bagian fotofosforilasi non-siklik .

Persamaan ringkasan untuk fotofosforilasi non-siklik:

Ф - simbol residu asam fosfat

Siklusnya dimulai dengan fotosistem 2.

1) molekul antena menangkap foton dan mengirimkan eksitasi ke pusat aktif molekul P680;

2) molekul P680 yang tereksitasi menyumbangkan dua elektron ke kofaktor Q, sementara itu teroksidasi dan memperoleh muatan positif;

Kofaktor(kofaktor). Koenzim atau zat lain yang diperlukan enzim untuk menjalankan fungsinya

Koenzim (koenzim)[dari lat. co (cum) - bersama-sama dan enzim], senyawa organik yang bersifat non-protein yang berpartisipasi dalam reaksi enzimatik sebagai akseptor atom individu atau kelompok atom yang dibelah oleh enzim dari molekul substrat, mis. untuk melakukan aksi katalitik enzim. Zat-zat ini, berbeda dengan komponen protein enzim (apoenzim), memiliki berat molekul yang relatif kecil dan, biasanya, bersifat termostabil. Kadang-kadang koenzim berarti zat dengan berat molekul rendah, yang partisipasinya diperlukan agar aksi katalitik enzim terjadi, termasuk ion, misalnya. K + , Mg 2+ dan Mn 2+ . Enzim berada. di pusat aktif enzim dan, bersama dengan substrat dan gugus fungsi pusat aktif, membentuk kompleks teraktivasi.

Kebanyakan enzim memerlukan kehadiran koenzim untuk menunjukkan aktivitas katalitik. Pengecualian adalah enzim hidrolitik (misalnya, protease, lipase, ribonuklease), yang menjalankan fungsinya tanpa adanya koenzim.

Molekulnya direduksi sebesar P680 (di bawah aksi enzim). Dalam hal ini, air terdisosiasi menjadi proton dan oksigen molekuler, itu. air adalah donor elektron, yang menjamin pengisian elektron di P 680.

FOTOLISIS AIR- pemisahan molekul air, khususnya selama fotosintesis. Karena fotolisis air, oksigen dihasilkan, yang dilepaskan oleh tanaman hijau ke dalam cahaya.

Sejarah penemuan fenomena menakjubkan dan sangat penting seperti fotosintesis berakar kuat di masa lalu. Lebih dari empat abad yang lalu, pada tahun 1600, ilmuwan Belgia Jan Van Helmont melakukan eksperimen sederhana. Dia menempatkan ranting willow ke dalam tas berisi 80 kg tanah. Ilmuwan mencatat berat awal pohon willow, dan kemudian menyirami tanaman secara eksklusif dengan air hujan selama lima tahun. Bayangkan keterkejutan Jan Van Helmont ketika dia menimbang kembali pohon willow tersebut. Berat tanaman bertambah 65 kg, dan massa bumi berkurang hanya 50 gram! Dari mana tanaman mendapat 64 kg 950 gram nutrisi masih menjadi misteri bagi ilmuwan!

Eksperimen penting berikutnya dalam perjalanan menuju penemuan fotosintesis dilakukan oleh ahli kimia Inggris Joseph Priestley. Ilmuwan itu meletakkan seekor tikus di bawah tenda, dan lima jam kemudian hewan pengerat itu mati. Ketika Priestley meletakkan setangkai mint pada tikus dan juga menutupi hewan pengerat itu dengan topi, tikus itu tetap hidup. Eksperimen ini mengarahkan ilmuwan pada gagasan bahwa ada proses yang berlawanan dengan pernapasan. Jan Ingenhouse pada tahun 1779 menetapkan fakta bahwa hanya bagian tanaman yang hijau yang mampu melepaskan oksigen. Tiga tahun kemudian, ilmuwan Swiss Jean Senebier membuktikan bahwa karbon dioksida, di bawah pengaruh sinar matahari, terurai dalam organel tumbuhan hijau. Lima tahun kemudian, ilmuwan Perancis Jacques Boussingault, yang melakukan penelitian laboratorium, menemukan fakta bahwa penyerapan air oleh tanaman juga terjadi selama sintesis zat organik. Penemuan penting ini dilakukan pada tahun 1864 oleh ahli botani Jerman Julius Sachs. Ia mampu membuktikan bahwa volume karbon dioksida yang dikonsumsi dan oksigen yang dilepaskan terjadi dengan perbandingan 1:1.

Fotosintesis adalah salah satu proses biologis yang paling signifikan

Dalam istilah ilmiah, fotosintesis (dari bahasa Yunani kuno φῶς - cahaya dan σύνθεσις - koneksi, pengikatan) adalah proses di mana zat organik terbentuk dari karbon dioksida dan air dalam cahaya. Peran utama dalam proses ini adalah milik segmen fotosintesis.

Secara kiasan, daun tanaman dapat diibaratkan seperti laboratorium, yang jendelanya menghadap ke sisi cerah. Di situlah pembentukan zat organik terjadi. Proses inilah yang menjadi dasar keberadaan seluruh kehidupan di Bumi.

Banyak orang akan bertanya-tanya: apa yang dihirup oleh orang-orang yang tinggal di kota, di mana Anda bahkan tidak dapat menemukan pohon atau sehelai rumput pun di siang hari dengan api? Jawabannya sangat sederhana. Faktanya adalah tumbuhan darat hanya menyumbang 20% ​​dari oksigen yang dilepaskan oleh tumbuhan. Rumput laut memainkan peran utama dalam produksi oksigen ke atmosfer. Mereka menyumbang 80% dari oksigen yang dihasilkan. Berbicara dalam bahasa angka, baik tumbuhan maupun alga setiap tahunnya melepaskan 145 miliar ton (!) oksigen ke atmosfer! Bukan tanpa alasan bahwa lautan di dunia disebut sebagai “paru-paru planet ini”.

Rumus umum fotosintesis adalah sebagai berikut:

Air + Karbon dioksida + Cahaya → Karbohidrat + Oksigen

Mengapa tumbuhan memerlukan fotosintesis?

Seperti yang telah kita pelajari, fotosintesis merupakan syarat penting bagi keberadaan manusia di Bumi. Namun, ini bukan satu-satunya alasan mengapa organisme fotosintetik secara aktif menghasilkan oksigen ke atmosfer. Faktanya adalah baik alga maupun tumbuhan setiap tahunnya membentuk lebih dari 100 miliar zat organik (!), yang menjadi dasar aktivitas kehidupan mereka. Mengingat eksperimen Jan Van Helmont, kita memahami bahwa fotosintesis adalah dasar nutrisi tanaman. Telah dibuktikan secara ilmiah bahwa 95% hasil panen ditentukan oleh bahan organik yang diperoleh tanaman selama proses fotosintesis, dan 5% oleh pupuk mineral yang diterapkan oleh tukang kebun ke dalam tanah.

Penghuni musim panas modern memberikan perhatian utama pada nutrisi tanah tanaman, melupakan nutrisi udaranya. Tidak diketahui hasil panen seperti apa yang bisa diperoleh para tukang kebun jika mereka berhati-hati dalam proses fotosintesis.

Namun, baik tumbuhan maupun ganggang tidak dapat menghasilkan oksigen dan karbohidrat secara aktif jika mereka tidak memiliki pigmen hijau yang menakjubkan - klorofil.

Misteri Pigmen Hijau

Perbedaan utama antara sel tumbuhan dan sel organisme hidup lainnya adalah adanya klorofil. Ngomong-ngomong, dialah yang bertanggung jawab atas fakta bahwa daun tanaman berwarna hijau. Senyawa organik kompleks ini memiliki satu khasiat luar biasa: dapat menyerap sinar matahari! Berkat klorofil, proses fotosintesis juga menjadi mungkin.

Dua tahap fotosintesis

Secara sederhana, fotosintesis adalah proses di mana air dan karbon dioksida diserap oleh tanaman dalam cahaya dengan bantuan klorofil membentuk gula dan oksigen. Dengan cara ini, zat anorganik secara mengejutkan diubah menjadi zat organik. Gula yang diperoleh dari hasil konversi merupakan sumber energi bagi tanaman.

Fotosintesis memiliki dua tahap: terang dan gelap.

Fase terang fotosintesis

Itu dilakukan pada membran tilakoid.

Tilakoid adalah struktur yang dibatasi membran. Mereka terletak di stroma kloroplas.

Urutan kejadian pada tahap cahaya fotosintesis adalah:

1. Cahaya mengenai molekul klorofil, yang kemudian diserap oleh pigmen hijau dan menyebabkannya tereksitasi. Elektron yang termasuk dalam molekul berpindah ke tingkat yang lebih tinggi dan berpartisipasi dalam proses sintesis.
2. Air terpecah, di mana proton diubah menjadi atom hidrogen di bawah pengaruh elektron. Selanjutnya, mereka digunakan untuk sintesis karbohidrat.
3. Pada tahap akhir tahap cahaya, ATP (Adenosin trifosfat) disintesis. Ini adalah zat organik yang berperan sebagai akumulator energi universal dalam sistem biologis.

Fase gelap fotosintesis

Tempat terjadinya fase gelap adalah stroma kloroplas. Selama fase gelap inilah oksigen dilepaskan dan glukosa disintesis. Banyak yang mengira bahwa fase ini mendapat nama ini karena proses yang terjadi dalam tahap ini terjadi secara eksklusif pada malam hari. Faktanya, hal ini tidak sepenuhnya benar. Sintesis glukosa terjadi sepanjang waktu. Faktanya adalah pada tahap inilah energi cahaya tidak lagi dikonsumsi, yang berarti tidak diperlukan lagi.

Pentingnya fotosintesis bagi tumbuhan

Kita telah mengetahui fakta bahwa tumbuhan membutuhkan fotosintesis sama seperti kita. Sangat mudah untuk membicarakan skala fotosintesis dalam kaitannya dengan angka. Para ilmuwan telah menghitung bahwa tumbuhan di darat saja menyimpan energi matahari sebanyak yang dapat dikonsumsi oleh 100 kota besar dalam waktu 100 tahun!

Respirasi tumbuhan adalah kebalikan dari proses fotosintesis. Arti dari respirasi tumbuhan adalah melepaskan energi selama proses fotosintesis dan mengarahkannya untuk kebutuhan tumbuhan. Secara sederhana, hasil adalah perbedaan antara fotosintesis dan respirasi. Semakin banyak fotosintesis dan semakin rendah respirasi, semakin besar hasil panennya, dan sebaliknya!

Fotosintesis adalah proses menakjubkan yang memungkinkan adanya kehidupan di Bumi!