2.4 - Organ Utama Fotosintesis

Keperluan Fotosintesis dalam Tumbuhan

Tumbuhan selalu dirujuk sebagai organisma autotrof kerana menghasilkan makanan sendiri daripda bahan mentah dan tenaga. Proses fotosintesis menghasilkan glukosa yang digunakan oleh tumbuhan untuk menjana tenaga dan menjalankan aktiviti lain seperti pertumbuhan dan pembiakan.

Sejarah penemuan fotosintesis

• Pada tahun 1640-an, Jan-Baptista van Helmont menguji idea bahawa tumbuhan memperoleh makanan daripada tanah. Hasil eksperimen beliau mendapati bahawa tumbuhan hanya menggunakan air yang disiram dan bukan air daripada tanah.
• Pada tahun 1772, Joseph Priestly telah berjaya menunjukkan bahawa tumbuhan membebaskan oksigen ke atmosfera.

Penyesuaian Struktur Dalaman Daun dengan Fotosintesis

Proses fotosintesis memerlukan pigmen klorofil yang terdapat dalam kloroplas. Pigmen ini akan menyerap cahaya matahari. Selain itu, tumbuhan juga memerlukan gas karbon dioksida daripada persekitaran luar dan air daripada tanah. Hasil fotosintesis ialah glukosa dan gas oksigen. Selain daun, batang muda dan bahagian lain yang berwarna hijau boleh menjalankan fotosintesis.

Struktur dalaman dan Hubungan dengan fotosintesis

• Epidermis atas dan Epidermis bawah

  • Kutikel berlilin , lut sinar membolehkan cahaya matahari menembusi ke mesofil palisad
  • Kehadiran stoma membenarkan pertukaran gas fotosintesis

• Mesofil palisad

  • Kepadatan kloroplas yang tinggi untuk menyerap cahaya matahari maksimum
  • Kloroplas mengandungi klorofil yang menyerap tenaga cahaya untuk fotosintesis

• Mesofil berspan

  • Kepadatan kloroplas kurang daripada mesofil palisad
  • Mempunyai banyak ruang udara untuk pertukaran gas fotosintesis yang efisien

• Berkas vaskular

  • Xilem mengangkut air dan garam mineral dari akar ke daun
  • Floem mengangkut sukrosa dari daun ke seluruh bahagian tumbuhan yang lain.

Struktur Kloroplas

Kloropas mengandungi klorofil yang mampu menyerap cahaya matahari dan menukarkannya kepada tenaga kimia semasa fotosintesis. Istilah klorofil berasal daripada perkataan Yunani chloros dan phyllos. Chloros bermaksud hijau manakala phyllos bermaksud daun. Terdapat beberapa komponen utama dalam kloroplas.

Granum

• Terdiri daripada timbunan cakera tilakoid
• Lapisan granum menyediakan luas permukaan yang tinggi untuk proses fotosintesis optimum

Tilakoid

• Berbentuk cakera
• Mengandungi klorofil
• Terdapat pigmen fotosintesis di membran tilakoid

Stroma

• Bendalir yang mengelilingi granum
• Tapak tindak balas tidak bersandarkan cahaya

Rajah 10 - Komponen-komponen yang terdapat dalam pigmen klorofil boleh dipisahkan melalui kaedah kromatografi.

Tindak Balas Bersandarkan Cahaya dan Tindak Balas Tidak Bersandarkan Cahaya

Proses fotosintesis boleh dibahagikan kepada 2 peringkat. Proses fotolisis merupakan proses penghuraian molekul air kepada ion hidrogen (H+) dan ion hidroksida (OH-) dengan kehadiran tenaga cahaya dan klorofil.

Tindak balas tidak bersandarkan cahaya

1. Proses ini berlaku di stroma.
2. Gas karbon dioksida yang diserap akan terikat kepada sebatian organik 5 karbon untuk membentuk sebatian organik 6 karbon.
3. Molekul NADPH dan ATP yang terhasil dari tindak balas cahaya akan menurunkan organik tersebut kepada monomer glukosa.
4. Monomer-monomer glukosa akan membentuk molekul kanji melalui proses kondensasi. Molekul kanji ini akan disimpan dalam stroma kloroplas.

Tindak balas bersandarkan cahaya

1. Proses ini berlaku di tilakoid.
2. Pigmen di permukaan tilakoid menyerap cahaya matahari.
3. Tenaga cahaya yang diserap akan menguja elektron ke aras yang lebih tinggi.
4. Elektron yang teruja akan mengalami satu siri pengangkut elektron. Tenaga yang dibebaskan akan digunakan untuk menghasilkan tenaga dalam bentuk ATP.
5. Elektron akhirnya diterima oleh NADP+ yang merupakan penerima elektron terakhir.
6. NADP+ kemudiannya akan bergabung dengan H+ daripada proses fotolisis untuk membentuk NADPH yang merupakan suatu agen penurunan.
7. Pigmen klorofil akan menarik elektron daripada air melalui proses fotolisis untuk mencapai kestabilan semula.
8. Ion hidroksida akan kehilangan elektron dan menghasilkan gas oksigen dan air.

Tindak balas fotosintesis: 12H2O (air) + 6CO2 (karbon dioksida) --------> C6H12O6 (glukosa) + 6O2 (oksigen) + 6H2O (air)

Persamaan dan Perbezaan antara Tindak Balas Bersandarkan Cahaya dengan Tindak Balas Tidak Bersandarkan Cahaya

• Persamaan

  • Kedua-dua proses dimangkin oleh enzim
  • Kedua-duanya berlaku di dalam kloroplas

• Perbezaan

  • Tindak balas bersandarkan cahaya

    • Tapak tindak balas: Tilakoid
    • Proses yang terlibat: Fotolisis air
    • Bahan tindak balas: Air
    • Hasil tindak balas: Oksigen dan molekul air
    • Molekul ATP: Terhasil

  • Tindak balas tidak bersandarkan cahaya

    • Tapak tindak balas: Stroma
    • Proses yang terlibat: Penurunan gas karbon dioksida
    • Bahan tindak balas: Karbon dioksida
    • Hasil tindak balas: Glukosa
    • Molekul ATP: Digunakan

Faktor-faktor Persekitaran yang Mempengaruhi Kadar Fotosintesis

1. Kepekatan gas karbon dioksida

Rajah 11 - Secara umumnya, kadar fotosintesis akan meningkat apabila kepekatan karbon dioksida bertambah, selagi tiada faktor pengehad seperti suhu dan keamatan cahaya. Pada titik X, kadar fotosintesis menjadi malar. Ini bermaksud kadar fotosintesis tidak akan bertambah lagi walaupun kepekatan karbon dioksida terus meningkat. Ini kerana keamatan cahaya telah menjadi faktor pengehad dalam kes ini.

2. Keamatan cahaya

Rajah 12 - Tenaga cahaya diperlukan untuk tindak balas bersandarkan cahaya. Kadar fotosintesis akan meningkat dan mencapai satu tahap maksimum jika kepekatan karbon dioksida dan suhu persekitaran adalah malar. Graf A di atas menunjukkan bahawa kadar fotosintesis telah mencapai tahap maksimum pada titik X. Sebarang peningkatan keamatan cahaya tidak akan meningkatkan kadar fotosintesis lagi. Ini kerana faktor-faktor lain telah mengehadkan proses fotosintesis seperti kepekatan karbon dioksida atau suhu. Apabila kepekatan karbon dioksida bertambah ke 0.13% seperti di Graf B, kadar fotosintesis telah pun meningkat.

3. Suhu

Rajah 13 - Proses fotosintesis dimangkin oleh enzim. Oleh itu, perubahan suhu akan memberi kesan kepada aktiviti enzim dan seterusnya kadar fotosintesis. Adakah anda masih ingat bagaimana suhu menjejaskan aktiviti enzim dari Bab 5 Tingkatan 4? Suhu yang tinggi akan menyahaslikan enzim dan menjejaskan tindak balas fotosintesis. Dalam tumbuhan yang berbeza, suhu optimum untuk fotsintesis juga adalah berlainan. Secara umumnya, suhu optimum terletak adalah di antara 25°C hingga 30°C.

Kesan Perubahan Keamatan Cahaya dan Warna Cahaya terhadap Kadar Fotosintesis

Selain keamatan cahaya, kadar fotosintesis juga dipengaruhi oleh warna cahaya. Warna cahaya yang berlainan mempunyai panjang gelombang yang berbeza. Spektrum cahaya terdiri daripada 7 warna dalam susunan tertentu (ungu, indigo, biru, hijau, kuning, jingga, merah). Warna ini adalah sama dengan warna pelangi. Kadar fotosintesis adalah paling tinggi dalam cahaya merah dan biru. Ini kerana klorofil akan menyerap semua cahaya merah manakala pigmen karotenoid akan menyerap cahaya biru sebelum berpindahnya kepada klorofil. Kedua-dua cahaya mempunyai tenaga yang mencukupi untuk menguja elektron dalam tindak balas bersandarkan cahaya.

Rajah 14 - Penyerapan cahaya melawan panjang gelombang. Kedua-dua klorofil a dan klorofil b tidak menyerap cahaya berwarna hijau. Oleh itu, klorofil memberi warna hijau.