Fotosintesis adalah proses yang digunakan oleh tanaman, ganggang dan bakteri tertentu untuk memanfaatkan energi dari sinar matahari dan mengubahnya menjadi energi kimia. Di sini, kami menjelaskan prinsip-prinsip umum fotosintesis dan menyoroti bagaimana para ilmuwan mempelajari proses alami ini untuk membantu mengembangkan bahan bakar bersih dan sumber energi terbarukan.
Jenis fotosintesis
Ada dua jenis proses fotosintesis: fotosintesis oksigenik dan fotosintesis anoksigenik. Prinsip umum fotosintesis anoksigenik dan oksigenik sangat mirip, tetapi fotosintesis oksigenik adalah yang paling umum dan terlihat pada tanaman, ganggang dan cyanobacteria.
Selama fotosintesis oksigen, energi cahaya mentransfer elektron dari air (H2O) menjadi karbon dioksida (CO2), untuk menghasilkan karbohidrat. Dalam transfer ini, CO2 "berkurang", atau menerima elektron, dan air menjadi "teroksidasi," atau kehilangan elektron. Akhirnya, oksigen diproduksi bersama dengan karbohidrat.
Fotosintesis oksigen berfungsi sebagai penyeimbang respirasi dengan mengambil karbon dioksida yang dihasilkan oleh semua organisme yang bernapas dan memasukkan kembali oksigen ke atmosfer.
Di sisi lain, fotosintesis anoksigenik menggunakan donor elektron selain air. Proses ini biasanya terjadi pada bakteri seperti bakteri ungu dan bakteri sulfur hijau, yang terutama ditemukan di berbagai habitat air.
"Fotosintesis anoksigenik tidak menghasilkan oksigen - karena itulah namanya," kata David Baum, profesor botani di University of Wisconsin-Madison. "Apa yang dihasilkan tergantung pada donor elektron. Misalnya, banyak bakteri menggunakan gas hidrogen sulfida yang berbau telur-buruk, menghasilkan sulfur padat sebagai produk sampingan."
Meskipun kedua jenis fotosintesis itu kompleks, urusan multistep, keseluruhan proses dapat diringkas dengan rapi sebagai persamaan kimia.
Fotosintesis oksigen ditulis sebagai berikut:
6CO2 + 12H2O + Energi Ringan → C6H12HAI6 + 6O2 + 6H2HAI
Di sini, enam molekul karbon dioksida (CO2) bergabung dengan 12 molekul air (H2O) menggunakan energi cahaya. Hasil akhirnya adalah pembentukan molekul karbohidrat tunggal (C6H12HAI6, atau glukosa) bersama dengan enam molekul masing-masing oksigen dan air yang dapat bernapas.
Demikian pula, berbagai reaksi fotosintesis anoksigenik dapat direpresentasikan sebagai satu formula umum:
BERSAMA2 + 2H2A + Energi Ringan → + 2A + H2HAI
Huruf A dalam persamaan adalah variabel dan H2A mewakili donor elektron potensial. Sebagai contoh, A dapat mewakili belerang dalam donor elektron hidrogen sulfida (H2S), dijelaskan Govindjee dan John Whitmarsh, ahli biologi tanaman di University of Illinois di Urbana-Champaign, dalam buku "Konsep dalam Fotobiologi: Fotosintesis dan Fotomorfogenesis" (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).
Alat fotosintesis
Berikut ini adalah komponen seluler yang penting untuk fotosintesis.
Pigmen
Pigmen adalah molekul yang memberikan warna pada tanaman, ganggang dan bakteri, tetapi mereka juga bertanggung jawab untuk menjebak sinar matahari secara efektif. Pigmen warna yang berbeda menyerap panjang gelombang cahaya yang berbeda. Di bawah ini adalah tiga kelompok utama.
- Klorofil: Pigmen berwarna hijau ini mampu menjebak cahaya biru dan merah. Klorofil memiliki tiga subtipe, dijuluki klorofil a, klorofil b dan klorofil c. Menurut Eugene Rabinowitch dan Govindjee dalam buku mereka "Fotosintesis" (Wiley, 1969), klorofil a ditemukan di semua tanaman fotosintesis. Ada juga varian bakteri yang dinamai bacteriochlorophyll, yang menyerap cahaya inframerah. Pigmen ini terutama terlihat pada bakteri ungu dan hijau, yang melakukan fotosintesis anoksigenik.
- Karoten: Pigmen merah, oranye, atau kuning ini menyerap cahaya kebiruan. Contoh-contoh karoten adalah xanthophyll (kuning) dan karoten (oranye) dari mana wortel mendapatkan warnanya.
- Phycobilins: Pigmen merah atau biru ini menyerap panjang gelombang cahaya yang tidak diserap dengan baik oleh klorofil dan karotenoid. Mereka terlihat di cyanobacteria dan ganggang merah.
Plastid
Organisme eukariotik fotosintesis mengandung organel yang disebut plastid dalam sitoplasma mereka. Plastid berlapisan ganda pada tumbuhan dan alga disebut sebagai plastid primer, sedangkan varietas multipel yang ditemukan di plankton disebut plastid sekunder, menurut sebuah artikel di jurnal Nature Education oleh Cheong Xin Chan dan Debashish Bhattacharya, para peneliti di Rutgers University. di New Jersey.
Plastid umumnya mengandung pigmen atau dapat menyimpan nutrisi. Leucoplasts yang tidak berwarna dan tidak berpigmen menyimpan lemak dan pati, sedangkan kromoplas mengandung karotenoid dan kloroplas mengandung klorofil, seperti yang dijelaskan dalam buku Geoffrey Cooper, "Sel: Pendekatan Molekuler" (Sinauer Associates, 2000).
Fotosintesis terjadi pada kloroplas; khususnya, di daerah grana dan stroma. Grana adalah bagian paling dalam dari organel; koleksi membran berbentuk cakram, ditumpuk menjadi kolom seperti piring. Cakram individu disebut thylakoids. Di sinilah transfer elektron berlangsung. 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 menyandikan protein yang penting bagi organel dan fotosintesis. Seperti mitokondria, kloroplas juga diduga berasal dari sel bakteri primitif melalui proses endosimbiosis.
"Plastid berasal dari bakteri fotosintesis yang ditelan oleh sel eukariotik bersel tunggal lebih dari satu miliar tahun yang lalu," kata Baum kepada Live Science. Baum menjelaskan bahwa analisis gen kloroplas menunjukkan bahwa ia pernah menjadi anggota kelompok cyanobacteria, "satu kelompok bakteri yang dapat mencapai fotosintesis oksigenik."
Dalam artikel 2010 mereka, Chan dan Bhattacharya menyatakan bahwa pembentukan plastid sekunder tidak dapat dijelaskan dengan baik oleh endosimbiosis cyanobacteria, dan bahwa asal-usul kelas plastid ini masih menjadi bahan perdebatan.
Antena
Molekul pigmen dikaitkan dengan protein, yang memungkinkan mereka fleksibilitas untuk bergerak menuju cahaya dan menuju satu sama lain. Sebuah koleksi besar dari 100 hingga 5.000 molekul pigmen merupakan "antena," menurut sebuah artikel oleh Wim Vermaas, seorang profesor di Arizona State University. Struktur ini secara efektif 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 tanaman, misalnya, energi cahaya ditransfer ke pigmen klorofil. Konversi menjadi energi kimia tercapai ketika pigmen klorofil mengeluarkan elektron, yang kemudian dapat beralih ke penerima yang sesuai.
Pusat reaksi
Pigmen dan protein, yang mengubah energi cahaya menjadi energi kimia dan memulai proses transfer elektron, dikenal sebagai pusat reaksi.
Proses fotosintesis
Reaksi fotosintesis tanaman dibagi menjadi reaksi yang membutuhkan kehadiran sinar matahari dan yang tidak. Kedua jenis reaksi ini terjadi di kloroplas: reaksi bergantung cahaya pada tilakoid dan reaksi bebas-cahaya dalam stroma.
Reaksi tergantung cahaya (juga disebut reaksi cahaya): Ketika foton cahaya mengenai pusat reaksi, molekul pigmen seperti klorofil melepaskan elektron.
"Trik untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat, adalah mencegah elektron itu menemukan jalan kembali ke rumah aslinya," kata Baum kepada Live Science. "Ini tidak mudah dihindari, karena klorofil sekarang memiliki 'lubang elektron' yang cenderung menarik elektron di dekatnya."
Elektron yang dirilis berhasil melarikan diri dengan melakukan perjalanan melalui rantai transpor elektron, yang menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan ATP (adenosin trifosfat, sumber energi kimia untuk sel) dan NADPH. "Lubang elektron" dalam pigmen klorofil asli diisi dengan mengambil elektron dari air. Akibatnya, oksigen dilepaskan ke atmosfer.
Reaksi independen cahaya (Juga disebut reaksi gelap dan dikenal sebagai siklus Calvin): Reaksi cahaya menghasilkan ATP dan NADPH, yang merupakan sumber energi kaya yang mendorong reaksi gelap. Tiga langkah reaksi kimia membentuk siklus Calvin: fiksasi karbon, reduksi, dan regenerasi. Reaksi ini menggunakan air dan katalis. Atom karbon dari karbon dioksida adalah "tetap," ketika mereka dibangun menjadi molekul organik yang akhirnya membentuk gula tiga karbon. Gula ini kemudian digunakan untuk membuat glukosa atau didaur ulang untuk memulai siklus Calvin lagi.
Fotosintesis di masa depan
Organisme fotosintetik adalah cara yang memungkinkan untuk menghasilkan bahan bakar pembakaran bersih seperti hidrogen atau bahkan metana. Baru-baru ini, sebuah kelompok penelitian di Universitas Turku di Finlandia, memanfaatkan kemampuan ganggang hijau untuk menghasilkan hidrogen. Ganggang hijau dapat menghasilkan hidrogen selama beberapa detik jika mereka pertama kali terpapar pada kondisi gelap, anaerob (bebas oksigen) dan kemudian terpapar cahaya. Tim menemukan cara untuk memperluas produksi hidrogen ganggang hijau hingga tiga hari, seperti yang dilaporkan dalam laporan mereka. Studi 2018 diterbitkan dalam jurnal Energy & Environmental Science.
Para ilmuwan juga telah membuat kemajuan di bidang fotosintesis buatan. Misalnya, sekelompok peneliti dari University of California, Berkeley, mengembangkan sistem buatan untuk menangkap karbon dioksida menggunakan kawat nano, atau kabel yang berdiameter beberapa miliar meter. Kabel memberi makan ke dalam sistem mikroba yang mengurangi karbon dioksida menjadi bahan bakar atau polimer dengan menggunakan energi dari sinar matahari. Tim menerbitkan desainnya pada tahun 2015 di jurnal Nano Letters.
Pada tahun 2016, anggota kelompok yang sama ini menerbitkan sebuah studi di jurnal Science yang menggambarkan sistem fotosintesis buatan lainnya di mana bakteri yang direkayasa khusus digunakan untuk membuat bahan bakar cair menggunakan sinar matahari, air, dan karbon dioksida. Secara umum, tanaman hanya mampu memanfaatkan sekitar satu persen energi matahari dan menggunakannya untuk menghasilkan senyawa organik selama fotosintesis. Sebaliknya, sistem buatan para peneliti mampu memanfaatkan 10 persen energi matahari untuk menghasilkan senyawa organik.
Penelitian lanjutan dari proses alami, seperti fotosintesis, membantu para ilmuwan dalam mengembangkan cara-cara baru untuk memanfaatkan berbagai sumber energi terbarukan. Melihat sinar matahari, tanaman dan bakteri semuanya ada di mana-mana, memanfaatkan kekuatan fotosintesis adalah langkah logis untuk menciptakan bahan bakar bersih pembakaran dan karbon netral.
Sumber daya tambahan:
