Fotosintesis adalah proses yang digunakan oleh tumbuhan, alga dan bakteria tertentu untuk memanfaatkan tenaga dari sinar matahari dan mengubahnya menjadi tenaga kimia. Di sini, kami menerangkan prinsip umum fotosintesis dan menyerlahkan bagaimana saintis mengkaji proses semulajadi ini untuk membantu membangunkan bahan bakar bersih dan sumber tenaga boleh diperbaharui.
Jenis fotosintesis
Terdapat dua jenis proses fotosintesis: fotosintesis oksigen dan fotosintesis anoksigenik. Prinsip umum fotosintesis anoksigenik dan oksigen sangat serupa, tetapi fotosintesis oksigen adalah yang paling biasa dan dilihat dalam tumbuhan, alga dan cyanobakteria.
Semasa fotosintesis oksigen, tenaga cahaya memindahkan elektron daripada air (H2O) kepada karbon dioksida (CO2), untuk menghasilkan karbohidrat. Dalam pemindahan ini, CO2 adalah "dikurangkan," atau menerima elektron, dan air menjadi "teroksidasi," atau kehilangan elektron. Akhirnya, oksigen dihasilkan bersama dengan karbohidrat.
Fotosintesis oksigenik berfungsi sebagai mengimbangi respirasi dengan mengambil karbon dioksida yang dihasilkan oleh semua organisma pernafasan dan memperkenalkan oksigen ke atmosfera.
Sebaliknya, fotosintesis anoksigenik menggunakan penderma elektron selain daripada air. Proses ini biasanya berlaku dalam bakteria seperti bakteria ungu dan bakteria sulfur hijau, yang kebanyakannya terdapat dalam pelbagai habitat akuatik.
"Fotosintesis anoxygenic tidak menghasilkan oksigen - maka nama itu," kata David Baum, profesor botani di University of Wisconsin-Madison. "Apa yang dihasilkan bergantung kepada penderma elektron, contohnya, banyak bakteria menggunakan hidrogen sulfida gas berbau telur yang tidak berbau, menghasilkan padat sulfur sebagai produk sampingan."
Walaupun kedua-dua jenis fotosintesis adalah kompleks, hal ehwal multistep, keseluruhan proses dapat dirumuskan secara rapi sebagai persamaan kimia.
Fotosintesis oksigenik ditulis seperti berikut:
6CO2 + 12H2O + Tenaga Cahaya → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Di sini, enam molekul karbon dioksida (CO2) menggabungkan dengan 12 molekul air (H2O) menggunakan tenaga cahaya. Hasil akhirnya ialah pembentukan molekul karbohidrat tunggal (C6H12O6, atau glukosa) bersama-sama dengan enam molekul setiap oksigen bernafas dan air.
Begitu juga, pelbagai tindak balas fotosintesis anoksigenik boleh diwakili sebagai satu formula umum:
CO2 + 2H2A + Energy Light → + 2A + H2O
Huruf A dalam persamaan adalah pemboleh ubah dan H2A mewakili pendonor elektron berpotensi. Sebagai contoh, A mungkin mewakili belerang dalam hidrogen sulfida penderma elektron (H2S, menjelaskan Govindjee dan John Whitmarsh, ahli biologi tumbuhan di University of Illinois di Urbana-Champaign, dalam buku "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis" (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).
Peralatan fotosintetik
Berikut adalah komponen sel yang penting untuk fotosintesis.
Pigmen
Pigmen adalah molekul yang memberikan warna pada tumbuhan, alga dan bakteria, tetapi mereka juga bertanggungjawab untuk menjebak cahaya matahari secara berkesan. Pigmen warna yang berbeza menyerap panjang cahaya yang berbeza. Berikut adalah tiga kumpulan utama.
- Chlorophylls: Pigmen berwarna hijau mampu menangkap cahaya biru dan merah. Klorofil mempunyai tiga subtipe, yang dikenali sebagai klorofil a, klorofil b dan klorofil c. Menurut Eugene Rabinowitch dan Govindjee dalam buku mereka "Photosynthesis" (Wiley, 1969), klorofil terdapat dalam semua tanaman fotosintesis. Terdapat juga bakteria bakteria yang bernama bacteriochlorophyll yang menyerap cahaya inframerah. Pigmen ini terutamanya dilihat dalam bakteria ungu dan hijau, yang melakukan fotosintesis anoksigenik.
- Karotenoid: Pigmen berwarna merah, oren atau berwarna kuning menyerap cahaya hijau kebiruan. Contoh karotenoid adalah xanthophyll (kuning) dan karotena (oren) dari mana wortel mendapatkan warna mereka.
- Phycobilins: Pigmen merah atau biru ini menyerap panjang gelombang cahaya yang tidak diserap oleh klorofil dan karotenoid. Mereka dilihat dalam sianobakteria dan alga merah.
Plastids
Organisme eukariotik fotosintesis mengandungi organel yang dipanggil plastid dalam sitoplasma mereka. Plastid berbuih dua dalam tumbuh-tumbuhan dan alga dirujuk sebagai plastid utama, sementara pelbagai membran yang terdapat di plankton disebut plastid sekunder, menurut artikel Pendidikan Jurnal Nature oleh Cheong Xin Chan dan Debashish Bhattacharya, penyelidik di Rutgers University di New Jersey.
Plastids umumnya mengandungi pigmen atau boleh menyimpan nutrien. Leucoplasts yang tidak berwarna dan tidak berwarna menyimpan lemak dan kanji, manakala kromoplas mengandungi karotenoid dan kloroplas mengandungi klorofil, seperti yang dijelaskan dalam buku Geoffrey Cooper, "Sel: Pendekatan Molekul" (Sinauer Associates, 2000).
Fotosintesis berlaku dalam kloroplas; khususnya, di kawasan grana dan stroma. Grana adalah bahagian paling dalam organelle; sekumpulan membran berbentuk cakera, disusun dalam lajur seperti plat. Disc individu dipanggil thylakoids. Di sinilah pemindahan elektron berlaku. Ruang kosong antara tiang grana membentuk stroma.
Chloroplasts serupa dengan mitokondria, pusat-pusat tenaga sel, kerana mereka mempunyai genom mereka sendiri, atau koleksi gen, yang terdapat dalam DNA pekeliling. Gen ini menyandikan protein yang penting kepada organelle dan fotosintesis. Seperti mitokondria, kloroplas juga dianggap telah berasal dari sel-sel bakteria primitif melalui proses endosymbiosis.
"Plastids berasal dari bakteris fotosintesis yang ditelan oleh sel eukariotik bersel tunggal satu bilion tahun yang lalu," kata Baum kepada Live Science. Baum menjelaskan bahawa analisis gen chloroplast menunjukkan bahawa ia pernah menjadi anggota kumpulan cyanobacteria, "satu kumpulan bakteria yang dapat mencapai fotosintesis oksigen."
Dalam artikel 2010 mereka, Chan dan Bhattacharya membuat titik bahawa pembentukan plastid sekunder tidak boleh dijelaskan dengan baik oleh endosymbiosis cyanobacteria, dan asal-usul kelas plastid ini masih menjadi perdebatan.
Antena
Molekul pigmen dikaitkan dengan protein, yang membolehkan mereka fleksibiliti untuk bergerak ke arah cahaya dan ke arah yang lain. Satu koleksi besar 100 hingga 5,000 molekul pigmen membentuk "antena," menurut satu artikel oleh Wim Vermaas, seorang profesor di Arizona State University. Struktur ini secara berkesan menangkap tenaga cahaya dari matahari, dalam bentuk foton.
Akhirnya, tenaga cahaya mesti dipindahkan ke kompleks protein-pigmen yang dapat mengubahnya menjadi tenaga kimia, dalam bentuk elektron. Dalam tumbuhan, contohnya, tenaga cahaya dipindahkan ke pigmen klorofil. Penukaran kepada tenaga kimia dicapai apabila pigmen klorofil mengeluarkan elektron, yang kemudiannya boleh beralih kepada penerima yang sesuai.
Pusat reaksi
Pigmen dan protein, yang menukar tenaga cahaya kepada tenaga kimia dan memulakan proses pemindahan elektron, dikenali sebagai pusat tindak balas.
Proses fotosintesis
Reaksi fotosintesis tumbuhan dibahagikan kepada mereka yang memerlukan kehadiran cahaya matahari dan yang tidak. Kedua-dua jenis tindak balas berlaku di kloroplas: tindak balas cahaya yang bergantung kepada reaksi thakakoid dan cahaya bebas dalam stroma.
Reaksi yang bergantung kepada cahaya (juga dikenali sebagai tindak balas cahaya): Apabila foton cahaya menyentuh pusat reaksi, molekul pigmen seperti klorofil mengeluarkan elektron.
"Caranya untuk melakukan kerja yang berguna adalah untuk menghalang elektron daripada mencari jalan pulang ke rumah asalnya," kata Baum kepada Live Science. "Ini tidak mudah dielakkan, kerana klorofil kini mempunyai 'lubang elektron' yang cenderung menarik elektron berhampiran."
Elektron yang dilepaskan dapat melarikan diri melalui perjalanan melalui rantai pengangkutan elektron, yang menghasilkan tenaga yang diperlukan untuk menghasilkan ATP (adenosine triphosphate, sumber tenaga kimia untuk sel) dan NADPH. "Lubang elektron" dalam pigmen klorofil asal diisi dengan mengambil elektron dari air. Akibatnya, oksigen dilepaskan ke atmosfera.
Reaksi bebas cahaya (juga dikenali sebagai tindak balas gelap dan dikenali sebagai kitaran Calvin): Reaksi cahaya menghasilkan ATP dan NADPH, yang merupakan sumber tenaga kaya yang mendorong reaksi gelap. Tiga langkah reaksi kimia membentuk kitaran Calvin: penetapan karbon, pengurangan dan regenerasi. Reaksi ini menggunakan air dan pemangkin. Atom karbon dari karbon dioksida adalah "tetap," apabila ia dibina menjadi molekul organik yang akhirnya membentuk gula tiga-karbon. Gula ini kemudian digunakan untuk membuat glukosa atau dikitar semula untuk memulakan kitaran Calvin sekali lagi.
Fotosintesis pada masa akan datang
Organisma fotosintesis adalah cara yang mungkin untuk menghasilkan bahan api pembakaran bersih seperti hidrogen atau metana. Baru-baru ini, kumpulan penyelidikan di University of Turku di Finland, mengetuk keupayaan alga hijau untuk menghasilkan hidrogen. Ganggang hijau boleh menghasilkan hidrogen selama beberapa saat jika terdedah kepada keadaan gelap, anaerobik (bebas oksigen) dan kemudian terdedah kepada cahaya. Pasukan ini menghasilkan satu cara untuk memperluaskan pengeluaran hidrogen alga hijau sehingga tiga hari, seperti yang dilaporkan dalam Kajian 2018 yang diterbitkan dalam jurnal Tenaga & Sains Alam Sekitar.
Para saintis juga telah membuat kemajuan dalam bidang fotosintesis buatan. Sebagai contoh, sekumpulan penyelidik dari University of California, Berkeley, telah membangunkan sistem tiruan untuk menangkap karbon dioksida menggunakan nanowires, atau wayar yang diameter beberapa bilion meter. Kawat menyumbat ke dalam sistem mikroba yang mengurangkan karbon dioksida menjadi bahan api atau polimer dengan menggunakan tenaga dari cahaya matahari. Pasukan itu menerbitkan reka bentuknya pada tahun 2015 dalam jurnal Nano Letters.
Pada tahun 2016, ahli-ahli kumpulan yang sama menerbitkan satu kajian di dalam jurnal Science yang menggambarkan satu lagi sistem fotosintesis buatan di mana bakteria yang direka bentuk khusus digunakan untuk mencipta bahan api cecair menggunakan sinar matahari, air dan karbon dioksida. Secara umum, tumbuh-tumbuhan hanya dapat memanfaatkan kira-kira satu peratus tenaga solar dan menggunakannya untuk menghasilkan sebatian organik semasa fotosintesis. Sebaliknya, sistem tiruan penyelidik mampu memanfaatkan 10 peratus tenaga solar untuk menghasilkan sebatian organik.
Penyelidikan mengenai proses semulajadi yang berterusan, seperti fotosintesis, membantu saintis dalam membangunkan cara baru untuk menggunakan pelbagai sumber tenaga boleh diperbaharui. Melihat seperti sinar matahari, tumbuh-tumbuhan dan bakteria yang ada di mana-mana, menorehkan kuasa fotosintesis adalah langkah logik untuk mencipta bahan bakar bersih dan karbon neutral.
Sumber tambahan:
