Perbedaan Warna Daun yang Diakibatkan Oleh Proses Fotosintesis

Daun merupakan salah satu organ penting yang berperan dalam proses fotosintesis. Proses fotosintesis tidak dapat berlangsung manakala tidak adanya zat hijau daun dalam proses perombakan CO₂ dan H₂O menjadi asimilat. Asimilat merupakan konversi gizi ke dalam substansi padat atau cair dari tanaman tersebut, dengan proses penyerapan dan pengolahan lebih lanjut.

Warna hijau pada daun ini berasal dari pigmen warna daun yang disebut klorofil (chlorophyll).

Pigmen daun atau klorofil yang berwarna hijau dapat berubah warna. Klorofil menyerap cahaya merah dan biru dari sinar matahari yang jatuh ke daun. Akibatnya, cahaya dipantulkan oleh daun dengan warna komplementernya yaitu hijau.

Namun, di daerah beriklim sedang, daun beberapa jenis tanaman kerap berubah warna pada musim gugur. Pada beberapa jenis tanaman hias misalnya, warna hijau daun berubah menjadi kuning, sedangkan pada jenis tanaman lainnya daun tanaman berubah warna menjadi orange atau merah.

Perubahan warna yang terjadi di klorofil dapat disebabkan beberapa hal. Perubahan tersebut dipengaruhi oleh kandungan klorofil dibandingkan dengan pigmen warna lainnya. Misalnya, pada daun hijau menjadi kuning lalu kecoklatan, pigmen klorofilnya jaun lebih sedikit dibandingkan karoten (carotenes). Menurunnya kemampuan klorofil karena disfungsi daun tersebut menyerap cahaya untuk melakukan fotosintesis. Selain itu, karoten juga diketahui lebih stabil dibandingkan dengan klorofil. Sehingga, warna pigmen karoten tetap bertahan walaupun klorofil mulai menghilang (Anonim, 2005).

Selain faktor tersebut, pigmen daun klorofil yang berwarna hijau tersebut mempunyai sifat tidak stabil dan dapat mudah berubah menjadi coklat bila berhubungan dengan asam. Hal ini  disebabkan oleh atom Mg yang digantikan dengan atom H. Hal tersebut mengakibatkan terbentuknya senyawa yang disebut feofitin. Senyawa tersebut yang memacu perubahan warna pada daun dari kuning menjadi coklat. Degradasi pigmen klorofil tersebut terjadi jika pada pH rendah dan pemanasan 70⁰-100⁰C. Hal inilah yang memicu  terjadinya proses feofitinisasi. Proses feofitinisasi (dementasi) adalah proses pelepasan ion Mg₂. Klorofil juga dapat mengalami perubahan warna menjadi merah. Gugus fitol yang berperan besar dalam perubahan warna ini. Jika klorofil kehilangan gugus fitol-nya, klorofil akan membentuk klorofilid yaitu senyawa berwarna merah terang larut dalam air tetapi lebih stabil dibandingkan klorofil.

Zat kimia lain pada daun, auksin, juga berperan dalam warna suatu daun. Auksin memiliki peran mengontrol sekelompok sel tertentu pada dasar masing-masing batang daun, yang disebut lapisan absisi. Selama musim pertumbuhan, auksin mencegah lapisan ini terbentuk sempurna dan memblokir tabung-tabung internal kecil yang menghubungkan masing-masing daun dengan bagian sistem sirkulasi lainnya pada pepohonan.

Akan tetapi, pada musim gugur, hari-hari yang lebih dingin dan lebih singkat memicu terhentinya produksi auksin, sehingga memungkinkan lapisan absisi tumbuh dan menghambat sirkulasi air, nutrien dan gula ke daun. Ketika ini terjadi, klorofil mengalami disintegrasi dengan cepat, sehingga membiarkan carotenes menampakkan warnanya seperti warna kuning pada daun maple, pohon yang berdaun ringan (aspen), dan daun pohon birch. Sementara itu, anthocyanins memberikan warna oranye dan merah bagi pohon maple, pohon sumacs dan pohon ek. Jika sinar matahari kurang, antosianin tidak begitu aktif secara kimiawi dan daun lebih berwarna oranye atau kuning dibanding berwarna merah.

Umumnya sejumlah tanaman yang daunnya berubah warna ini juga akan diikuti dengan kerontokkan daun di musim gugur. Tanaman jenis ini sering disebut dengan tanaman deciduous. Pada tanaman lainnya–misalnya pohon pinus–daun tanaman tidak berubah warna dan tidak menggugurkan daunnya pada musim gugur. Tanaman jenis ini disebut dengan tanaman evergreens.

Gambar sel chromatophore

http://tolweb.org/tree/ToLimage 

 

gambar sel chromatophore bila dilihat di mikroskop 

http://ks.uiuc.edu/Gallery/Science

Di dalam sel tumbuhan terdapat bintik-bintik pigmen pembawa zat warna yang disebut dengan chromatophore. Selain mengandung chlorophyll, sel daun juga terdiri dari beberapa jenis pigmen lainnya. Pigmen ini umumnya menyebabkan perubahan warna daun tanaman pada musim gugur. Sejumlah pigmen penyusun warna daun, diantaranya xanthophylls (memberi pigmen warna kuning), carotenes (penyusun pigmen warna kuning orange), serta anthocyanins (penyusun warna merah dan violet). Selain itu, daun juga mengandung tannins yang memberikan warna kuning keemasan.

Seperti halnya chlorophyll, xanthophylls, carotenes dan juga anthocyanins tidaklah tersusun dari butiran halus yang ada di permukaan daun melainkan terlarut dalam cairan sel daun. Pada beberapa tanaman–seperti coleus (tanaman yang daunnya berwarna-warni) dan kubis merah–anthocyanins selalu muncul memberikan warna merah keunguan. Sedangkan untuk beberapa tanaman lainnya, anthocyanins tidak selalu terbentuk dan melewati siklus hidup daun, tetapi anthocyanins hanya dihasilkan pada kondisi tertentu. Pada daun pohon oak dan maple misalnya, gula terakumulasi pada musim gugur. Akumulasi ini diyakini sebagai hasil dari pembentukan anthocyanins dan produksi warna cerah pada daun.

gambar daun musim gugur

http://farm3.static.flickr.com

Bagaimana Perubahan Warna Daun Bisa Terjadi?

a.  Pengaruh Cuaca

Di daerah beriklim sedang, kondisi udara yang hangat (15⁰-20⁰ C) di siang hari saat musim gugur sangat mendukung bagi tanaman untuk melakukan aktifitasfotosintesis secara optimal. Timbunan gula asimilat yang dihasilkan pada siang hari tidak semuanya dapat ditransport ke jaringan tanaman pada malam harinya karena dinginnya cuaca di malam hari menyebabkan jaringan floem (jaringan pendukung transportasi asimilat) menutup secara perlahan sehingga timbunan gula di dalam jaringan daun meningkat sehingga memacu pula pembentukan anthocyanins.

b.  Lama Panjang Penyinaran

Setiap hari tanaman menggunakan klorofil dalam proses fotosintesis secara berkesinambungan dengan memanfaatkan energi matahari. Klorofil ini diproduksi dan diuraikan secara terus menerus dalam proses teresebut. Ketika panjang hari penyinaran menyusut dan malam hari bertambah panjang di musim gugur, produksi klorofil melambat sebagai konsekuensi dari menyusutnya reaksi terang dalam proses fotosintesis tersebut. Dengan berkurangnya produksi klorofil ini sejumlah pigmen daun lainnya seperti xanthophylls, carotenes dan juga anthocyanins mulai terbentuk sehingga merubah warna daun yang sebelumnya berwarna hijau menjadi berwarna-warni.

DAFTAR PUSTAKA

Microsoft Student With Encarta 2009

Anonim. 2006. The Chemistry Of Autumn Colors. www.scifun.chem.wisc.edu [18 Maret 2008]
Steer, James. 1999. Structure and Reactions of Chlorophyll. www.ch.ic.ac.uk [18 Maret 2008]

http://www.chem-is-try.org/tanya_pakar/mengapa-daun-berubah-warna-saat-musim-gugur/

http://rudiyanto.net/plant-biotechnology/

http://wikipedia.com

http://sciencedaily.com

Tugas Biologi VIII - 3 :)

FOTOSINTESIS

Tugas Biologi

Kelas VIII – 3

KELOMPOK 6 :

Yunistya Dwi Cahyani (ketua)

Ahmad Nurhasan Hilmi

Dhea Senna Oktaviananda

Hana Mufida Hadini

Riezqie Ayu Samodraningtyas

Satria Adhitama

Tirta Ramadhan

SMPN 2 Depok

2011

1.      FOTOSINTESIS

a)      Pengertian Fotosintesis

Fotosintesis adalah suatu proses biokimia pembentukan zat makanan atau energi yaitu glukosa yang dilakukan tumbuhan, alga, dan beberapa jenis bakteri dengan mengguna-kan zat hara, karbondioksida, dan air serta dibutuhkan bantuan dari sinar matahari. Fotosintesis juga merupakan proses kimia-fisika dengan menggunakan energi cahaya matahari yang berlangsung di dalam kloroplas.

Fotosintesis hanya dapat dilakukan oleh tumbuhan dan ganggang hijau yang bersifat autotrof. Artinya, keduanya mampu menangkap energi matahari untuk menyintesis molekul- molekul kaya energi dari precursor anorganik H₂O dan CO₂. Sementara itu, hewan dan manusia tergolong hetetrotof, yaitu memerlukan suplai senyawa- senyawa organik dari lingkungan (tumbuhan) karena hewan dan manusia tidak dapat menyintesis karbohidrat. Oleh karena itu, hewan dan manusia sangat bergantung pada organisme autotrof.

Fotosintesis terjadi di dalam kloroplas. Kloroplas merupakan organel plastida yang mengandung pigmen hijau daun (klorofil). Sel yang mengandung kloroplas terdapat pada mesofil daun tanaman, yaitu sel- sel jaringan tiang (palisade) dan sel- sel jaringan bunga karang (spons). Di dalam kloroplas terdapat klorofil pada protein integral membran tilakoid. Selain klorofil, di dalam kloroplas juga terdapat pigmen karotenoid, antosianin, dan fikobilin.

Karotenoid mampu menyerap cahaya biru kehijauan dan biru keunguan serta memantulkan cahaya merah, kuning, dan jingga. Antosianin dan fikobilin merupakan pigmen merah dan biru. Antosianin banyak ditemukan pada bunga, sedangkan fikobilin banyak ditemukan pada kelompok ganggang merah dan Cyanobacteria.

Fotosintesis juga berjasa menghasilkan sebagian besar oksigen yang terdapat di atmosfer bumi. Organisme yang menghasilkan energy melalui fotosintesis (photos berarti cahaya) disebut sebagai fototrof.

Dalam fotosintesis, dihasilkan karbohidrat dan oksigen. Oksigen sebagai hasil sampingan dari fotosintesis, volumenya dapat diukur, oleh sebab itu untuk mengetahui tingkat produksi fotosintesis adalah dengan mengatur volume oksigen yang dikeluarkan dari tumbuhan itu sendiri.

Sedangkan, karbohidrat digunakan sebagai sumber energi dan bahan untuk membuat senyawa lain yang dibutuhkan tumbuhan. Sebagian karbohidrat ini disimpan sebagai cadangan makanan. Jika tumbuhan dimakan hewan atau manusia, maka terjadi perpindahan energi dari energi matahari menjadi energi kimia dalam tumbuhan kemudian berpindah ke tubuh hewan atau manusia. Jika hewan itu dimakan hewan lain, maka akan disertai pula dengan perpindahan energi . Jadi, sumber energi utama bagi kehidupan di bumi ini adalah matahari.

Di dalam tumbuhan, karbohidrat juga protein, lemak, vitamin, atau senyawa lain. Senyawa-senyawa lain tersebut tidak hanya dimanfaatkan oleh tumbuhan itu sendiri, tapi juga dimanfaatkan oleh makhluk hidup lainnya. Fotosintesis melibatkan berbagai reaksi kimia yang kompleks.

b)      Syarat-syarat terjadinya fotosintesis

Dari reaksi di atas, dapat diketahui syarat-syarat berlangsungnya proses fotosintesis, yaitu :

-    Karbon dioksida (CO₂), diambil dari tumbuhan oleh udara bebas melalui stomata (mulut daun)

-    Air, diambil dari dalam tanah oleh akar dan diangkut ke daun melalui pembuluh kayu (xylem)

-    Cahaya matahari

-    Klorofil (zat hijau daun), sebagai penerima energi dari cahaya matahari untuk proses fotosintesis

c)      Faktor-faktor yang Mempengaruhi Fotosintesis

Fotosintesis dipengaruhi oleh faktor internal dan eksternal, sebagai berikut.

-    Konsentrasi karbondioksida (CO₂) di udara. Semakin tinggi konsentrasinya, maka laju fotosintesisnya semakin meningkat juga

-    Klorofil, semakin banyak jumlah klorofil dalam daun maka proses fotosintesis berjalan lebih cepat. Pembentukan klorofil memerlukan cahaya matahari. Kecambah yang ditumbuhkan di tempat gelap tidak dapat membuat klorofil dengan sempurna. Kecambah ini dikatakan mengalami etiolasi, yaitu tumbuh sangat cepat (lebih tinggi atau panjang dari seharusnya), batang dan daunnya kelihatan pucat karena tidak mengandung klorofil. Umur daun juga mempengaruhi laju fotosintesis. Semakin tua daunnya, kemampuan fotosintesis semakin berkurang dengan adanya perombakan klorofil dan berkurangnya fungsi kloroplas.

-    Cahaya, intesitas cahaya yang cukup diperlukan agar fotosintesis berlangsung dengan efisien

-    Air, ketersediaan air mempengaruhi laju fotosintesis karena air merupakan bahan baku dalam proses fotosintesis

-    Suhu, umumnya semakin tinggi suhunya, laju fotosintesis akan meningkat, demikian juga sebaliknya. Namun bila suhunya terlalu tinggi, fotosintesis akan berhenti karena enzim-enzim yang berperan dalam fotosintesis rusak. Oleh karena itu, tumbuhan mengkehendaki suhu optimum (tidak terlalu rendah atau tinggi) agar fotosintesis berjalan secara efisien.

d)      Proses Fotosintesis

Proses fotosintesis dibagi menjadi dua tahap, yaitu :

1.      Reaksi terang

Pada tahap reaksi terang, diperlukan cahaya. Reaksi terang berlangsung di membran tilakoid. Cahaya matahari yang ditangkap oleh klorofil digunakan untuk memecah molekul air. Pemecahan ini disebut fotolisis yang dapat mengakibatkan molekul air pecah menjadi oksigen (O₂), ion hidrogen (H⁺), dan melepaskan elektron. Elektron akan berjalan pada sistem transport elektron dengan mengaktifkan enzim ATP-sintase untuk menghasilkan ATP. Ion hidrogen ditangkap oleh NADP menjadi NADPH₂. Keseluruhan reaksi ini terjadi jika ada terdapat sinar matahari sehingga disebut reaksi terang. Hasil reaksi terang adalah ATP, NADPH₂, dan oksigen (O₂). Oksigen dikeluarkan melalui stomata di epidermis daun.

2.      Reaksi gelap

Pada tahap ini, fotosintesis berlangsung tanpa cahaya. Reaksi gelap berlangsung di stroma. Pada reaksi gelap diperlukan karbondioksida (CO₂). ATP dan NADPH yang dihasilkan dalam proses fotosintesis memicu terjadinya reaksi gelap (siklus Calvin). Pada proses ini, terjadi pengikatan karbondioksida (CO₂) di dalam daun. Karbon dioksida ini akan bergabung dengan ion hydrogen yang dihasilkan dari reaksi terang, membentuk glukosa. Reaksi ini disebut reaksi gelap karena tidak bergantung pada ada tidaknya cahaya sehingga dapat terjadi meskipun dalam keadaan gelap (tanpa cahaya)

2.      SEJARAH FOTOSINTESIS

Para ilmuwan tidak langsung saja menemukan reaksi fotosintesis seperti berikut.

6 H₂O + 6 CO₂ + cahaya → C₆H₁₂O₆ (glukosa) + 6 O₂

Penemuan ini bertahap dan berlangsung selama lebih dari 100 tahun lebih!

Berawal dari teori Aristoteles dan para filsuf dari Yunani 2000 tahun lalu yang menyatakan bahwa tumbuhan mengabsorsi senyawa organik langsung dari tanah. Itu menyebabkan orang- orang beranggapan bahwa bahwa akar seperti “memakan” tanah. Tumbuhan hijau memeperoleh zat-zat makanan dari dalam tanah, yang berasal dari hasil penguraian organisme yang telah mati. Penguraian organisme tersebut menjadi bahan yang dapat diserap oleh akar tumbuhan hijau dilakukan oleh mikroorganisme.

Konsep fotosintesis dimulai pada abad ke-17 ketika Jan van Helmont menyatakan bahwa pertumbuhan tumbuhan disebabkan adanya air dan bukan tanah. Selain itu, pada tahun 1727, seorang pastur dan naturalis yang dipanggil Bapak Fisiologi Tumbuhan, Stephen Hales, menduga bahwa tumbuhan mendapatkan nutrisi dari udara dan mungkin sebuah cahaya yang masuk ke dalamnya.

Tahun 1776, pencarian tentang fotosintesis dimulai. Joseph Priestly mempublikasikan tentang eksperimen dan observasi perbedaan macam-macam udara. Beliau salah satu perintis yang melakukan eksperimen tentang gas dan mungkin juga mempunyai peran dalam penemuan oksigen. Priestly memulai eksperimen pada tahun 1771, salah satunya adalah tentang “kontaminasi” udara dari nyala lilin  terhadap keberlangsungan hidup tikus. Beliau juga menemukan bahwa udara yang terkontaminasi dapat diubah oleh tanaman. Tetapi, Priestly gagal mengungkapkan peran cahaya dalam eksperimennya.

Eksperimen Priestly mendapat perhatian Jan Ingenhousz, seorang fisikawan yang telah berhasil mempublikasikan 500 eksperimen tentang pemurnian udara. Beliau menemukan bahwa tumbuhan dapat memurnikan udara dalam hitungan jam, tetapi dengan syarat tumbuhan tersebut berwarna hijau dan harus didukung oleh cahaya matahari. Lalu pada tahun 1779, Jan Ingenhousz membuktikan bahwa pada fotosintesis dilepaskan oksigen. Hal ini dibuktikan percobaan menggunakan tanaman air Hydrilla Verticillata di bawah corong oksigen terbalik. Jika tanaman tersebut terkena cahaya, timbulah gelembung- gelembung udara yang akhirnya mengumpul di dasar tabung reaksi. Ternyata gelembung itu berisi oksigen. Beliau juga membuktikan bahwa cahaya berperan penting dalam proses fotosintesis dan hanya tumbuhan hijau yang dapat melepaskan oksigen.

Priestly sependapat dengan Ingenhousz dan pada tahun 1781 beliau melanjutkan eksperimennya lagi tentang cahaya dan tumbuhan hijau.  Bersama Ingenhousz, Priestly menkonfirmasi dugaan Hales yang dibuat pada lebih dari 52 tahun lalu. Akhirnya melalui eksperimen- eksperimen itu berhasil mengungkapkan bahwa udara yang dimurnikan oleh tanaman itu adalah karbondioksida (CO₂). Dari hasil penemuan tersebut, banyak ilmuwan, baik fisikawan ataupun kimiawan, sedikit demi sedikit mengungkap misteri proses fotosintesis. Di tahun 1782 Jean Senebier mempublikasikan tentang pemurnian udara oleh tumbuhan hijau, tahun 1785 Lavoisier dari Prancis mengidentifikasi CO_2, dan tahun 1796 Ingenhousz mengungkapkan bahwa CO₂ adalah sumber karbon untuk tumbuhan. Yang menarik dari eksperimen ini adalah bukan “nutrisi tanaman’ sebagai topic utama, akan tetapi tujuannya adalah pemurnian udara yang berkaitan tentang keberlangsungan makhluk hidup.

Penemuan lain yang tak kalah pentingnya adalah seorang ahli kimia dari Geneva, N. T. de Saussure, pertama kalinya mengungkapkan komponen yang mendekati fotosintesis. Beliau menyimpulkan bahwa air (H₂O) dibutuhkan dalam proses pemurnian udara. Sehingga terbentuk proses : CO₂ + H₂O →  O₂ + senyawa organic

Saat itu belum diketahui bahwa senyawa organic itu ialah C₆H₁₂O₆ (glukosa). Akhirnya seorang ahli bedah asal Jerman, Julius Robert Mayer mengklarifikasi energi yang berhubungan dengan fotosintesis. Pada tahun 1842, beliau mengungkapkan bahwa energi yang digunakan oleh tumbuhan dan hewan dalam metabolisme mereka adalah turunan dari energi matahari yang ditransformasi ke dalam fotosintesis (dari radiasi ke bentuk kimia).

Lalu, berbagai eksperimen yang menguak tentang misteri proses fotosintesis semakin berkembang. Pada tahun 1822, Engelmann berhasil membuktikan bahwa klorofil merupakan faktor yang harus ada dalam proses fotosintesis. Beliau melakukan percobaan dengan ganggang hijau Spirogyra dan kloroplasnya berbentuk pita melingkar seperti spiral. Dalam percobaan tersebut, beliau mengamati bahwa hanya kloroplas yang terkena cahaya mataharilah yang mengeluarkan oksigen. Hal itu terbukti dari banyaknya bakteri aerob yang bergerombol di sekitar kloroplas yang terkena cahaya matahari.

Di tahun 1860, seorang ahli botani Jerman bernama Julius von Sachs berhasil membuktikan bahwa proses fotosintesis menghasilkan amilum (zat tepung). Adanya amilum ini dapat dibuktikan dengan uji yodium,  sehingga percobaan Sachs ini juga disebut uji yodium.

Theodore de Smussure, seorang ahli kimi dan fisiologi tumbuhan dari Swiss menunjukan bahwa air diperlukan dalam proses fotosintesis. Penemuan ini diteliti lebih lanjut sehingga pada tahun 1937, seorang dokter berkebangsaan Inggris bernama Robert Hill berhasil membuktikan bahwa cahaya matahari diperlukan untuk memecah air (H₂O) menjadi hydrogen (H) dan oksigen (O₂). Pemecahan ini disebut fotolisis.

Pada tahun 1905, seorang fisiologis berkebangsaan Inggris, F. F. Blackman membuktikan bahwa perubahan karbondioksida (CO₂) menjadi glukosa (C₆H₁₂O₆) berlangsung tanpa cahaya matahari. Peristiwa ini sering disebut sebagai reduksi karbondioksida. Dengan demikian dalam fotosintesis, ada dua macam reaksi, yaitu reaksi terang dan reaksi gelap. Yang merupakan reaksi terang (reaksi Hill) adalah fotolisis, yang merupakan reaksi gelap (reaksi Blackman) adalah reduksi karbondioksida. Gabungan antara reaksi terang dan gelap itulah yang kita kenal sebagai reaksi fotosintesis.

Blackman juga berteori bahwa pada intensitas cahaya sedang, reaksi terang membatasi atau melajukan seluruh proses. Dengan kata lain, pada intensitas ini reaksi gelap mampu menangani semua substansi intermediate yang dihasilkan reaksi cahaya. Akan tetapi, dengan meningkatnya intensitas cahaya pada akhirnya akan tercapai suatu titik dimana reaksi gelap berlangsung pada kapasitas maksimum. Pada tahun 1940, Melvin Calvin dan timnya berhasil menemukan urutan reaksi atau proses yang berlangsung pada reaksi gelap. Rangkaian reaksi itu selalu berulang terus menerus disebut siklus Calvin.

Daftar Pustaka :

- Hopkin, W.G., Huner, N.P.A. (2004). Introduction to Plant Physiology. Third Edition. John Wiley and Sons, Inc. United State of America

- http://www.crayonpedia.org/mw/BERBAGAI_SISTEM_DALAM_KEHIDUPAN_TUMBUHAN_8.1_WASIS 

- http://waonderfulllife.blogspot.com/2009/10/sejarah-penemuan-fotosintesis.html