Fotosintesis: Dari Cahaya kepada Gula

Setiap kali cahaya mengenai daun, proses yang tidak kelihatan pada mata kasar sedang berlaku. Tenaga cahaya ditangkap dan ditukarkan kepada tenaga kimia yang kemudiannya digunakan untuk membina molekul organik. Proses ini disebut fotosintesis. Fotosintesis ialah sumber asal bagi sebahagian besar tenaga kimia yang mengalir melalui ekosistem di Bumi, termasuk tenaga yang akhirnya kita peroleh daripada makanan seperti nasi, sayur dan buah.

Satu salah faham yang lazim ialah menganggap cahaya matahari itu sendiri menjadi bahan tumbuhan. Sebenarnya, cahaya membekalkan tenaga untuk menggerakkan tindak balas fotosintesis. Karbon yang menjadi rangka kepada gula dan pelbagai sebatian organik tumbuhan pula berasal daripada karbon dioksida (CO₂) di udara. Tenaga dan bahan mentah datang daripada sumber yang berbeza, walaupun kedua-duanya diperlukan dalam proses yang sama.

Keratan rentas sehelai daun: mesofil palisad (padat dengan kloroplas) menghadap cahaya, mesofil span di bawahnya membenarkan pertukaran gas melalui stoma.

Persamaan keseluruhan fotosintesis

Dalam bentuk ringkas, fotosintesis boleh ditulis sebagai 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂, dengan cahaya sebagai sumber tenaga dan klorofil sebagai pigmen yang menyerapnya. Persamaan ini ialah ringkasan keseluruhan. Sebenarnya, fotosintesis berlaku dalam banyak langkah dan hasil awalnya ialah molekul tiga karbon yang kemudian digunakan untuk membina glukosa, sukrosa, kanji dan selulosa. Alga dan sianobakteria turut melakukan fotosintesis, dan fitoplankton di lautan menyumbang bahagian yang besar kepada oksigen yang dibebaskan ke atmosfera.

Di dalam kloroplas: tempat tenaga cahaya ditukar kepada tenaga kimia

Di dalam kloroplas, iaitu organel tempat berlangsungnya fotosintesis pada sel tumbuhan, molekul klorofil menyerap cahaya dengan kuat terutama pada bahagian merah dan biru spektrum tampak. Cahaya hijau kurang diserap dan lebih banyak dipantulkan atau dihantar, dan inilah sebab utama daun kelihatan hijau kepada mata kita. Klorofil terletak pada membran tilakoid, iaitu kantung leper di dalam kloroplas, manakala cecair di sekelilingnya dipanggil stroma.

Struktur kloroplas dan lokasi tindak balas fotosintesis di dalam sel daun.

SkalaKloroplas tumbuhan tinggi lazimnya hanya berukuran beberapa mikrometer, terlalu kecil untuk dilihat dengan mata kasar dan biasanya memerlukan mikroskop untuk diperhatikan dengan jelas.

Dua peringkat dalam kloroplas

Fotosintesis berlaku dalam dua peringkat yang saling bersambung. Pada peringkat pertama, iaitu tindak balas bergantung cahaya pada membran tilakoid, klorofil menyerap cahaya dan tenaga itu digunakan untuk memecahkan molekul air. Pemecahan air membebaskan oksigen serta membekalkan elektron dan proton. Tenaga cahaya memacu aliran elektron yang membantu membina kecerunan proton untuk menghasilkan ATP, manakala elektron akhirnya digunakan untuk membentuk NADPH.

Pada peringkat kedua, ATP dan NADPH digunakan dalam stroma untuk menjalankan Kitaran Calvin. Dalam kitaran ini, enzim yang dipanggil rubisco melakukan fiksasi karbon, iaitu memasukkan karbon daripada CO₂ ke dalam sebatian organik. Hasilnya ialah gula tiga karbon yang kemudian dijadikan glukosa, sukrosa atau kanji. Peringkat kedua tidak menggunakan cahaya secara langsung, tetapi ia bergantung pada ATP dan NADPH yang dihasilkan oleh peringkat pertama, jadi kedua-dua peringkat tidak dapat berfungsi sendirian.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?

Bagaimana kita tahu?

Pemerhatian
Dalam eksperimen yang diterbitkannya pada 1779, Jan Ingenhousz menunjukkan bahawa bahagian hijau tumbuhan yang terdedah kepada cahaya menghasilkan gas. Pada tumbuhan yang terendam, penghasilan itu dapat dilihat sebagai gelembung. Apabila tumbuhan diletakkan dalam teduh atau gelap, penghasilan gas tersebut berkurang atau terhenti.
Bukti
Gas yang dihasilkan oleh bahagian hijau tumbuhan dalam cahaya menyokong pembakaran dengan lebih baik daripada udara biasa yang tercemar oleh respirasi. Pada awal 1940-an, penyelidik yang menggunakan air berlabel isotop oksigen mendapati bahawa oksigen yang dibebaskan datang daripada air. Pada penghujung 1940-an dan awal 1950-an, Melvin Calvin bersama rakan penyelidiknya menggunakan karbon-14 untuk menjejaki bagaimana karbon daripada CO₂ bergerak melalui siri tindak balas hingga membentuk molekul organik.
Inferens
Hasil ini konsisten dengan model bahawa penghasilan oksigen bergantung pada cahaya dan berbeza daripada respirasi selular yang berlangsung dalam cahaya mahupun gelap, dan bahawa oksigen berasal daripada air manakala karbon gula berasal daripada CO₂.
Model
Penyelidikan Calvin membantu menghuraikan laluan yang kini disebut Kitaran Calvin, atau dengan lebih lengkap, Kitaran Calvin-Benson-Bassham. Calvin dianugerahi Hadiah Nobel Kimia 1961 atas penyelidikannya tentang asimilasi karbon dioksida dalam tumbuhan.
Batasan
Kitaran Calvin menerangkan laluan utama fiksasi karbon, tetapi ia tidak dengan sendirinya menerangkan semua cara tumbuhan mengurus CO₂ dalam keadaan berbeza. Tumbuhan C₄ dan CAM, misalnya, mempunyai mekanisme tambahan yang membantu meningkatkan kecekapan penggunaan CO₂ atau air dalam persekitaran tertentu.

Mengapa fotosintesis penting kepada hampir semua hidupan?

Karbon yang difiksasi melalui fotosintesis akhirnya digunakan untuk membina pelbagai molekul organik, termasuk kanji dalam bijirin padi dan selulosa dalam kayu. Oksigen pula terbebas sebagai hasil sampingan tindak balas bergantung cahaya. Hubungan inilah yang menjadikan fotosintesis antara proses utama yang menghubungkan tumbuhan, atmosfera dan kehidupan aerobik di Bumi.

TadabburAyat berikut, yang menyebut pertumbuhan tanaman dan buah-buahan, berakhir dengan ajakan kepada tafakur. Ia bukan pengganti kepada huraian empirikal tentang mekanisme fotosintesis di atas, tetapi mengundang renungan terhadap kekuasaan dan hikmah Allah pada proses alam yang kini dapat kita fahami dengan lebih terperinci.

يُنۢبِتُ لَكُم بِهِ ٱلزَّرْعَ وَٱلزَّيْتُونَ وَٱلنَّخِيلَ وَٱلْأَعْنَـٰبَ وَمِن كُلِّ ٱلثَّمَرَٰتِ ۗ إِنَّ فِى ذَٰلِكَ لَـَٔايَةًۭ لِّقَوْمٍۢ يَتَفَكَّرُونَ

Ia juga menumbuhkan bagi kamu dengan sebab hujan itu tanaman-tanaman dan pokok-pokok zaitun dan tamar (kurma) serta anggur, dan juga dari segala jenis buah-buahan. Sesungguhnya yang demikian mengandungi satu tanda (yang membuktikan kekuasaan Allah) bagi kaum yang mahu berfikir.

Surah An-Nahl 16:11 (teks Arab: mushaf Uthmani, Quran.com), terjemahan Abdullah Basmeih (Tafsir Pimpinan Ar-Rahman)

Aktiviti

Bahan

Satu rumpun hidrila atau tumbuhan akuarium lain yang segar (daripada kedai ikan hiasan)
Dua balang kaca atau bekas lutsinar yang sama saiz
Air akuarium atau air paip yang dibiarkan semalaman
Sedikit serbuk penaik, iaitu natrium bikarbonat, sebagai sumber karbon dioksida terlarut
Satu lampu meja LED
Pembaris, jam atau telefon untuk mengira masa

Langkah

Isi kedua-dua balang dengan air yang sama banyak dan tambah sedikit serbuk penaik yang sama banyak. Masukkan satu keratan hidrila yang sama saiz ke dalam setiap balang.
Letakkan lampu LED kira-kira 10 sentimeter daripada balang pertama dan kira-kira 40 sentimeter daripada balang kedua. Biarkan selama lima minit supaya tumbuhan menyesuaikan diri.
Kira bilangan gelembung yang keluar daripada hujung batang dalam satu minit untuk setiap balang. Ulang tiga kali dan catat setiap kiraan.
Cari purata bagi setiap balang dan bandingkan keputusan.

Perhatikan

Bandingkan sama ada balang yang lebih dekat dengan lampu menghasilkan lebih banyak gelembung. Jika gelembung sangat sedikit atau tiada, tumbuhan mungkin kurang segar atau cahaya kurang terang, dan keputusan boleh berbeza antara satu tumbuhan dengan yang lain. Aktiviti ini tidak mengenal pasti gas dalam gelembung dan tidak mengukur jumlah oksigen. Ia hanya menunjukkan sama ada kadar penghasilan gelembung berubah apabila jarak lampu berubah.

Keselamatan

Jauhkan lampu, palam dan kabel daripada air, dan hanya orang dewasa yang menyambung kepada bekalan elektrik. Gunakan lampu LED supaya suhu air tidak meningkat dengan ketara. Basuh tangan selepas memegang tumbuhan dan air.

Uji KefahamanSoalan 1 daripada 3

Dari manakah karbon yang membina gula dan bahagian organik tumbuhan sebenarnya berasal?