Sejarah penemuan fotosintesis

Jika anda berdiri di dekat pohon yang rindang saat cuaca panas, apakah yang anda rasakan? tentunya, akan terasa sejuk. Tapi mengapa hal itu bisa terjadi? Inilah yang disebut proses fotosisintesis pada tumbuhan. Dalam proses fotosintesis akan menghasilkan oksigen yang berguna bagi mahluk hidup. Tapi apakah para ilmuwan langsung menemukan proses fotosintesis ini? Ternyata tidak. Penemuan fundamental ini bertahap dan berlangsung selama 100 tahun lebih!

Pada awalnya, orang menganggap bahwa akar “memakan” tanah, seperti yang dikemukakan Aristoteles. Tumbuhan hijau memperoleh zat-zat makanan dari dalam tanah, yang berasal dari hasil penguraian organisme yang telah mati.  Berikut ini adalah percobaan-percobaan yang mendasari penemuan fotosintesis

Pada abad ke-17 ketika Jan van Helmont, seorang dokter dan ahli kimia menyatakan bahwa pertumbuhan tumbuhan disebabkan adanya air dan bukan tanah.

Pada tahun 1772, Joseph Priestley, seorang ahli kimia dan pendeta, melakukan penelitian dan menyimpulkan bahwa tumbuhan mengubah udara yang dikeluarkan hewan menjadi udara segar. Priestley melakukan eksperimen bahwa jika di dalam tabung tertutup diletakkan tikus dan tumbuhan, tikus tetap hidup. Selanjutnya, kita mengetahui bahwa tumbuhan menggunakan karbondioksida yang dikeluarkan oleh hewan, dan hewan menyerap oksigen yang dihasilkan tumbuhan.

Pada tahun 1779, Jan Ingenhousz, dokter kerajaan Austria, dengan percobaan menggunakan tanaman air Hydrilla verticillata di bawah corong terbalik. Jika tanaman tersebut terkena cahaya, timbullah gelembung-gelembung udara yang akhirnya mengumpul di dasar tabung reaksi. Hal ini membuktikan bahwa pada fotosintesis dilepaskan oksigen.

Jean Senebier (1782), menyebutkan gas yang dibutuhkan oleh tumbuhan untuk fotosintesis adalah karbondioksida yang merupakan sumber karbon bagi tumbuhan hijau. Pada tahun 1482, Julius Robert Mayer menyatakan bahwa energi cahaya matahari yang diserap oleh tumbuhan hijau selanjutnya diubah menjadi energi kimia.

Julius Von Sachs (1860) membuktikan bahwa pada fotosintesis akan terbentuk karbohidrat (amilum). Frederick Blackman (1905) menunjukkan bahwa pada proses fotosintesis terjadi reaksi gelap yang tidak membutuhkan cahaya. Robert Hill (1937) berhasil mengikuti kegiatan kloroplas yang telah dipisahkan dari sel hidup. Kloroplas tersebut jika disinari mampu menghasilkan oksigen.

Fotosintesis Selayang Pandang

Fotosintesis adalah suatu proses yang hanya terjadi pada tumbuhan yang berklorofil dan bakteri fotosintetik, dimana energi matahari (dalam bentuk foton) ditangkap dan diubah menjadi energi kimia (ATP dan NADPH). Energi kimia ini akan digunakan untuk fotosintesa karbohidrat dari air dan karbon dioksida. Jadi, seluruh molekul organik lainnya dari tanaman disintesa dari energi dan adanya organisme hidup lainnya tergantung pada kemampuan tumbuhan atau bakteri fotosintetik untuk berfotosintesis. (Devlin, 1975).

Klorofil adalah pigmen hijau fotosintetis yang terdapat dalam tanaman, Algae dan Cynobacteria. nama "chlorophyll" berasal dari bahasa Yunani kuno : choloros = green (hijau), and phyllon= leaf (daun). Fungsi krolofil pada tanaman adalah menyerap energi dari sinar matahari untuk digunakan dalam proses fotosintetis yaitu suatu proses biokimia dimana tanaman mensintesis karbohidrat (gula menjadi pati), dari gas karbon dioksida dan air dengan bantuan sinar matahari. (Subandi, 2008).

Klorofil merupakan pigmen hijau tumbuhan dan merupakan pigmen yang paling penting dalam proses fotosintesis. Sekarang ini, klorofil dapat dibedakan dalam 9 tipe : klorofil a, b, c, d, dan e. Bakteri klorofil a dan b, klorofil chlorobium 650 dan 660. klorofil a biasanya untuk sinar hijau biru. Sementara klorofil b untuk sinar kuning dan hijau. Klorofil lain (c, d, e) ditemukan hanya pada alga dan dikombinasikan dengan klorofil a. bakteri klorofil a dan b dan klorofil chlorobium ditemukan pada bakteri fotosintesin. (Devlin, 1975).

Klorofil pada tumbuhan ada dua macam, yaitu klorofil a dan klorofil b.perbedaan kecil antara struktur kedua klorofil pada sel keduanya terikat pada protein.Sedangkan perbedaan utama antar klorofil dan heme ialah karena adanya atom magnesium (sebagai pengganti besi) di tengah cincin profirin, serta samping hidrokarbon yang panjang, yaitu rantai fitol. (Santoso, 2004).

Kloroplas berasal dari proplastid kecil (plastid yang belum dewasa, kecil dan hampir tak berwarna, dengan sedikit atau tanpa membran dalam). Pada umumnya proplastid berasal hanya dari sel telur yang tak terbuahi, sperma tak berperan disini.

Proplastid membelah pada saat embrio berkembang, dan berkembang menjadi kloroplas ketika daun dan batang terbentuk. Kloroplas muda juga aktif membelah, khususnya bila organ mengandung kloroplas terpajan pada cahaya. Jadi, tiap sel daun dewasa sering mengandung beberapa ratus kloroplas. Sebagian besar kloroplas mudah dilihat dengan mikroskop cahaya, tapi struktur rincinya hanya bias dilihat dengan mikroskop elektron. (Salisbury dan Ross, 1995).

Struktur klorofil berbeda-beda dari struktur karotenoid, masing-masing terdapat penataan selang-seling ikatan kovalen tunggal dan ganda. Pada klorofil,

sistem ikatan yang berseling mengitari cincin porfirin, sedangkan pada karotoid terdapat sepasang rantai hidrokarbon yang menghubungkan struktur cincin terminal.

Sifat inilah yang memungkinkan molekul-molekul menyerap cahaya tampak demikian kuatnya, yakni bertindak sebagai pigmen. Sifat ini pulalah yang memungkinkan molekul-molekul menyerap energi cahaya yang dapat digunakan untuk melakukan fotosintesis. (Santoso, 2004).

Klorofil akan memperlihatkan fluoresensi, berwarna merah yang berarti warna larutan tersebut tidak hijau pada cahaya yang diluruskan dan akan merah tua pada cahaya yang dipantulkan. (Noggle dan Fritz, 1979).

Spektrofotometri sesuai dengan namanya adalah alat yang terdiri dari spektrofotometer dan fotometer akan menghasilkan sinar dari spektrum dengan panjang gelombang energi secara relatif. Jika energi tersebut ditransmisikan maka kan ditangkap oleh klorofil yang terlarut tersebut. Pada fotometer filter sinar dari panjang gelombang yang diinginkan akan diperoleh dengan berbagai filter yang punya spesifikasi melewati banyaknya panjang gelombang tertentu. (Noggle dan Fritz, 1979).

Sel penutup memiliki klorofil di dalam selnya sehingga dengan bantuan cahaya matahari akan sangat berpengaruh buruk pada klorofil. Larutan klorofil yang dihadapkan pada sinar kuat akan tampak berkurang hijaunya. Daun-daun yang terkena langsung umumnya akan tampak kekuning-kuningan, salah satu cara untuk dapat menentukan kadar klorofil adalah dengan metoda spektofotometri (Dwijiseputro, 1981).

Cahaya hijau, kuning, jingga dan merah dipantulkan oleh kedua pigmen ini. Kombinasi panjang gelombang yang dipantulkan oleh kedua pigmen karotenoid ini tampak berwarna kuning. Ada bukti yang menunjukkan bahwa beta-karoten lebih efektif dalam mentransfer energi ke kedua pusat reaksi dibanding lutein atau pigmen xanthofil yang disebut fucoxanthofil adalah sangat efektif dalam mentrensfer energi.

Di samping berperan sebagai penyerap cahaya, karotenoid pada tilakoid juga berperan untuk melindungi klorofil dari kerusakan oksidatif oleh O2, jika intensitas cahaya sangat tinggi. (Lakitan, 2007).

Sejak tipe-tipe atom atau molekul yang sedikit berbeda pada tingkat energinya, yang substansi menyerap cahaya dengan suatu karakteristik panjang gelombang yang berbeda. Ini biasanya ditunjukkan selama penyerapan sinar pada tiap gelombangnya. Sebagai contoh, klorofil a sangat kuat pada panjang gelombang 660 nm pada sinar merah dan paling rendah pada panjang gelombang 430 nm pada sinar biru. Ketika gelombang itu berpindah maka sinar yang ada di sebelah kiri adalah sinar hijau yang bisa kita lihat. (Guiltmond and Hopkins, 1983).

Pada proses fotosintesa, terjadi penangkapan energi cahaya oleh zat hijau daun untuk pembentukan bahan organik. Fotosintesa hanya terjadi pada tanaman yang memiliki sel-sel hijau termasuk pada beberapa jenis bakteri. (Darmawan dan Baharsyah, 1983).

Aksi dari cahaya hijau dan kuning yang menyebabkan fotosistem pada tumbuhan tingkat tinggi dan penyerapan panjang gelombang ini oleh daun sebenarnya relatif tinggi, lebih tinggi dari yang ditampakkan pada spektrum serapan klorofil dan karotenoid. Tetapi, bukan berarti bahwaada pigmen lain yang berperan menyerap cahaya tersebut. Alasan utama mengapa spektrum aksi lebih tinggi dari spektrum serapan adalah karena cahaya hijau dan kuning yang tidak segera diserap akan dipantulkan berulang-ulang di dalam sel fotosintetik sampai akhirnya diserap oleh klorofil dan menyumbangkan energi untuk fotosintesis. (Lakitan, 2007).

Laju fotosintesis berbagai spesies tumbuhan yang tumbuh pada berbagai daerah yang berbeda seperti gurun kering, puncak gunung, dan hutan hujan tropika, sangat berbeda. Perbedaan ini sebagian disebabkan oleh adanya keragaman cahaya, suhu, dan ketersediaan air, tapi tiap spesies menunjukkan perbedaan yang besar pada  kondisi khusus yang optimum bagi mereka. Spesies yang tumbuh pada lingkungan yang kaya sumberdaya mempunyai kapasitas fotosintesis yang jauh lebih tinggi daripada spesies yang tumbuh pada lingkungan dengan persediaan air, hara, dan cahaya yang terbatas. (Salisbury dan Ross, 1995).

Laju fotosintesis ditingkatkan tidak hanya oleh naiknya tingkat radiasi, tapi juga oleh konsentrasi CO2 yang lebih tinggi, khususnya bila stomata tertutup sebagian karena kekeringan. (Salisbury dan Ross, 1995).

Semua klorofil atau karotenoid terbenam atau melekat pada molekul protein oleh ikatan nonkovalen. Secara keseluruhan, pigmen-pigmen kloroplas meliputi separuh dari kandungan kandungan lipida total pada membran tilakoid, sisanya adalah galaktolipida dan sedikit fosfolipida. Sterol sangat jarang dijumpai pada membran tilakoid. (Lakitan, 1993).

Di dalam kloroplas ditemukan DNA, RNA, ribosom, dan berbagai enzim. Semua molekul ini sebagian besar terdapat di stroma, tempat berlangsungnya transkripsi dan translasi. DNA kloroplas (genom) terdapat dalam 50 atau lebih lingkaran jalur ganda melilit dalam tiap plastid. Berbagai gen plastid menyandi semua molekul RNA-pemindahan (sekitar 30), dan molekul RNA-ribosom (empat) yang digunakan oleh plastid untuk translasi. Kira-kira 85 gen seperti ini menyandi protein yang terlibat dalam transkripsi, translasi, dan fotosintesis. Tapi, sebagian besar protein disandi oleh gen nukleus. (Salisbury dan Ross, 1995).

Warna daun berasal dari klorofil, pigmen warna hijau yang terdapat di dalam kloroplas. Energi cahaya yang diserap klorofil inilah yang menggerakkan sintesis molekul makanan dalam kloroplas. Kloroplas ditemukan terutama dalam sel mesofil, yaitu jaringan yang terdapat di bagian dalam daun. Karbon dioksida masuk ke dalam daun, dan oksigen keluar, melalui pori mikroskopik yang di sebut stomata. (Campbell, dkk, 2002). Fotosintesis hanya berlangsung pada sel yang memiliki pigmen fotosintetik. Di dalam daun terdapat jaringan pagar dan jaringan bunga karang, pada keduanya mengandung kloroplast yang mengandung klorofil/pigmen hijau yang merupakan salah satu pigmen fotosintetik yang mampu menyerap energi cahaya matahari. (Subandi, 2008).

Cahaya putih mengandung semua warna spektrum kasat mata dari merah-violet, tetapi seluruh panjang gelombang unsurnya tidak diserap dengan baik secara merata oleh klorofil. Adalah mungkin untuk menentukan bagaimana efektifnya setiap panjang gelombang (warna) diserap dengan menggunakan suatu larutan klorofil dengan cahaya monokromatik (cahaya berwarna satu). (Kimball, 2000).

Penambatan CO2 paling banyak terjadi sekitar tengah hari ketika tingkat cahaya paling tinggi. Cahaya sering membatasi fotosintesis terlihat juga dengan menurunnya laju penambatan CO2 ketika tumbuhan terkena bayangan awan sebentar. (Salisbury dan Ross, 1995).

Dilihat dari strukturnya, kloroplas terdiri atas membran ganda yang melingkupi ruangan yang berisi cairan yang disebut stroma. Membran tersebut membentak suatu sistem membran tilakoid yang berwujud sebagai suatu bangunan yang disebut kantung tilakoid. Kantung-kantung tilakoid tersebut dapat berlapis-lapis dan membentak apa yang disebut grana Klorofil terdapat pada membran tilakoid dan pengubahan energi cahaya menjadi energi kimia berlangsung dalam tilakoid, sedang pembentukan glukosa sebagai produk akhir fotosintetis berlangsung di stroma. (Subandi, 2008).

Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap pembentukan klorofil antara lain gen, bila gen untuk klorofil tidak ada maka tanaman tidak akan memiliki klorofil.

Cahaya, beberapa tanaman dalam pembentukan klorofil memerlukan cahaya, tanaman lain tidak memerlukan cahaya. Unsur N, Mg, Fe merupakan unsur-unsur pembentuk dan katalis dalam sintesis klorofil. Air, bila kekurangan air akan terjadi desintegrasi klorofil. (Subandi, 2008).

Antara klorofil a dan klorofil b mempunyai struktur dan fungsi yang berbeda, dimana klorofil a di samping bias menyerap energi cahaya, klorofil ini juga bias merubah energi cahaya dan tidak bisa merubahnya menjadi energi kimia dan energi itu akan ditransfer dari klorofil b ke klorofil a. Klorofil b ini tidak larut dalam etanol tai dapat larut dalam ester, dan kedua jenis klorofil ini larut dalam senyawa aseton (Devlin, 1975).

Semua tanaman hijau mengandung klorofil a dan krolofil b. Krolofil a terdapat sekitar 75 % dari total klorofil. Kandungan klorofil pada tanaman adalah sekitar 1% basis kering. Dalam daun klorofil banyak terdapat bersama-sama dengan protein dan lemak yang bergabung satu dengan yang lain. Dengan lipid, klorofil berikatan melalui gugus fitol-nya sedangkan dengan protein melalui gugus hidrofobik dari cincin porifin-nya. Rumus empiris klorofil adalah C55H72O5N4Mg (klorofil a) dan C55H70O6N4Mg (klorofil b). (Subandi, 2008).

Artikel keren lainnya: