Pengertian fotosintesis adalah suatu proses biokimia pembentukan zat makanan seperti karbohidrat yang dilakukan oleh tumbuhan, terutama tumbuhan yang mengandung zat hijau daun atau klorofil. Selain tumbuhan berkalori tinggi, makhluk hidup non-klorofil lain yang berfotosintesis adalah alga dan beberapa jenis bakteri. Organisme ini berfotosintesis dengan menggunakan zat hara, karbon dioksida, dan air serta bantuan energi cahaya matahari.
Organisme fotosintesis disebut fotoautotrof karena mereka dapat membuat makanannya sendiri. Pada tanaman, alga, dan cyanobacteria, fotosintesis dilakukan dengan memanfaatkan karbondioksida dan air serta menghasilkan produk buangan oksigen.
Fotosintesis sangat penting bagi semua kehidupan aerobik di Bumi karena selain untuk menjaga tingkat normal oksigen di atmosfer, fotosintesis juga merupakan sumber energi bagi hampir semua kehidupan di Bumi, baik secara langsung (melalui produksi primer) maupun tidak langsung (sebagai sumber utama energi dalam makanan mereka), kecuali pada organisme kemoautotrof yang hidup di bebatuan atau di lubang angin hidrotermal di laut yang dalam.
Tingkat penyerapan energi oleh fotosintesis sangat tinggi, yaitu sekitar 100 terawatt, atau kira-kira enam kali lebih besar daripada konsumsi energi peradaban manusia. Selain energi, fotosintesis juga menjadi sumber karbon bagi semua senyawa organik dalam tubuh organisme. Fotosintesis mengubah sekitar 100–115 petagram karbon menjadi biomassa setiap tahunnya.
Meskipun fotosintesis dapat berlangsung dalam berbagai cara pada berbagai spesies, beberapa cirinya selalu sama. Misalnya, prosesnya selalu dimulai dengan energi cahaya diserap oleh protein berklorofil yang disebut pusat reaksi fotosintesis. Pada tumbuhan, protein ini tersimpan di dalam organel yang disebut kloroplas, sedangkan pada bakteri, protein ini tersimpan pada membran plasma.
Sebagian dari energi cahaya yang dikumpulkan oleh klorofil disimpan dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP). Sisa energinya digunakan untuk memisahkan elektron dari zat seperti air. Elektron ini digunakan dalam reaksi yang mengubah karbondioksia menjadi senyawa organik.
Pada tumbuhan, alga, dan cyanobacteria, dilakukan dalam suatu rangkaian reaksi yang disebut siklus Calvin, namun rangkaian reaksi yang berbeda ditemukan pada beberapa bakteri, misalnya siklus Krebs terbalik pada Chlorobium. Banyak organisme fotosintesis memiliki adaptasi yang mengonsentrasikan atau menyimpan karbondioksida. Ini membantu mengurangi proses boros yang disebut fotorespirasi yang dapat menghabiskan sebagian dari gula yang dihasilkan selama fotosintesis.
Organisme fotosintesis pertama kemungkinan berevolusi sekitar 3.500 juta tahun silam, pada masa awal sejarah evolusi kehidupan ketika semua bentuk kehidupan di Bumi merupakan mikroorganisme dan atmosfer memiliki sejumlah besar karbondioksida.
Makhluk hidup ketika itu sangat mungkin memanfaatkan hidrogen atau hidrogen sulfida—bukan air—sebagai sumber elektron. Cyanobacteria muncul kemudian, sekitar 3.000 juta tahun silam, dan secara drastis mengubah Bumi ketika mereka mulai mengoksigenkan atmosfer pada sekitar 2.400 juta tahun silam. Atmosfer baru ini memungkinkan evolusi kehidupan kompleks seperi protista.
Pada akhirnya, tidak kurang dari satu miliar tahun silam, salah satu protista membentuk hubungan simbiosis dengan satu cyanobacteria dan menghasilkan nenek moyang dari seluruh tumbuhan dan alga. Kloroplas pada Tumbuhan modern merupakan keturunan dari cyanobacteria yang bersimbiosis ini.
Proses Fotosintesis Pada Tumbuhan
Tumbuhan bersifat autotrof. Autotrof artinya dapat mensintesis makanan langsung dari senyawa anorganik. Tumbuhan menggunakan karbon dioksida dan air untuk menghasilkan gula dan oksigen yang diperlukan sebagai makanannya. Energi untuk menjalankan proses ini berasal dari fotosintesis. Berikut ini adalah persamaan reaksi fotosintesis yang menghasilkan glukosa:
6H2O + 6CO2 + cahaya → C6H12O6 (glukosa) + 6O2
Glukosa dapat digunakan untuk membentuk senyawa organik lain seperti selulosa dan dapat pula digunakan sebagai bahan bakar. Proses ini berlangsung melalui respirasi seluler yang terjadi baik pada hewan maupun tumbuhan. Secara umum reaksi yang terjadi pada respirasi seluler berkebalikan dengan persamaan di atas. Pada respirasi, gula (glukosa) dan senyawa lain akan bereaksi dengan oksigen untuk menghasilkan karbon dioksida, air, dan energi kimia.
Tumbuhan menangkap cahaya menggunakan pigmen yang disebut klorofil. Pigmen inilah yang memberi warna hijau pada tumbuhan. Klorofil terdapat dalam organel yang disebut kloroplas. klorofil menyerap cahaya yang akan digunakan dalam fotosintesis. Meskipun seluruh bagian tubuh tumbuhan yang berwarna hijau mengandung kloroplas, namun sebagian besar energi dihasilkan di daun.
Di dalam daun terdapat lapisan sel yang disebut mesofil yang mengandung setengah juta kloroplas setiap milimeter perseginya. Cahaya akan melewati lapisan epidermis tanpa warna dan yang transparan, menuju mesofil, tempat terjadinya sebagian besar proses fotosintesis. Permukaan daun biasanya dilapisi oleh kutikula dari lilin yang bersifat anti air untuk mencegah terjadinya penyerapan sinar Matahari ataupun penguapan air yang berlebihan.
Menurut definisi, fotosintesis adalah proses dimana fotoautotrof mengubah energi yang berasal dari Matahari menjadi energi kimia yang dapat digunakan. Cahaya, air, klorofil, dan karbon dioksida adalah persyaratan dasar untuk proses ini. Proses fotosintesis melalui tahap-tahap berikut ini:
Karbon dioksida di atmosfer memasuki daun tanaman melalui stomata, yaitu, pori-pori epidermis di daun dan batang tanaman yang memfasilitasi transfer berbagai gas dan uap air. Kemudian air masuk ke daun, terutama melalui akar. Akar ini dirancang khusus untuk menarik air tanah dan memindahkannya ke daun melalui batang.
Langkah selanjutnya ketika sinar matahari jatuh ke permukaan daun, klorofil, yaitu, pigmen hijau yang ada di daun tanaman, memerangkap energi di dalamnya. Menariknya, warna hijau daun juga dikaitkan dengan keberadaan klorofil.
Kemudian hidrogen dan oksigen diproduksi dengan mengubah air menggunakan energi yang berasal dari Matahari. Hidrogen dikombinasikan dengan karbon dioksida untuk membuat makanan bagi tanaman, sementara oksigen dilepaskan melalui stomata. Demikian pula, bahkan ganggang dan bakteri menggunakan karbon dioksida dan hidrogen untuk menyiapkan makanan, sementara oksigen dikeluarkan sebagai produk limbah.
Elektron dari molekul klorofil dan proton dari molekul air memfasilitasi reaksi kimia di dalam sel. Reaksi-reaksi ini menghasilkan ATP (adenosine triphosphate), yang menyediakan energi untuk reaksi seluler, dan NADP (nikotinamida adenin dinukleotida difosfat), penting dalam metabolisme tanaman.
Sementara kita mengambil oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida untuk menghasilkan energi, tanaman mengambil karbon dioksida dan memberikan oksigen untuk menghasilkan energi. Fotosintesis memiliki beberapa manfaat, tidak hanya untuk fotoautotrof, tetapi juga untuk manusia dan hewan.
Energi kimia yang tersimpan dalam tanaman ditransfer ke hewan dan manusia ketika mereka mengkonsumsi materi tanaman. Ini juga membantu dalam menjaga kadar normal oksigen dan karbon dioksida di atmosfer. Hampir semua oksigen yang ada di atmosfer dapat dikaitkan dengan proses ini, yang juga berarti bahwa respirasi dan fotosintesis berjalan bersama.