Anabolisme (Fotosintesis dan Kemosintesis)

3.2.1. Fotosintesis

Lingkungan fisik menyediakan nutrien-nutrien anorganik. Semua zat anorganik yang diambil makhluk hidup akan dikembalikan lagi pada lingkungannya. Ada yang dikembalikan dalam bentuk ekskret yang dihasilkan oleh makhluk hidup waktu bereksresi, dan sisa-sisa makhluk hidup akan diuraikan (dekomposisi = demineralisasi) oleh makhluk pengurai (dekomposer) seperti cendawan dan bakteri kembali menjadi zat-zat anorganik.
Fotosintesis adalah peristiwa penyusunan zat organik (gula) dari zat anorganik (air, karbon dioksida) dengan pertolongan energi cahaya. Fotosintesis dilakukan oleh tumbuhan dan makhluk hidup yang mempunyai klorofil. Komponen-komponen yang diperlukan dalam fotosintesis adalah: CO2, H2O, cahaya dan klorofil. Karbon dioksida diambil dari udara, H2O diambil dari tanah. Peranan klorofil dalam fotosintesis adalah untuk menyerap cahaya dan sumber elektron. Cahaya yang paling efektif digunakan untuk mendapatkan hasil fotosintesis yang maksimum adalah cahaya merah dan biru. Proses pembentukan karbohidrat ini berlangsung secara bertingkat. Zat yang stabil yang mula-mula terbentuk adalah gula sederhana. Kelebihan molekul-molekul gula sederhana akan disimpan dalam bentuk zat tepung (pati). melalui proses biosintesis dengan melepaskan nH2O. Untuk pembentukan 1 gram gula ternyata sama dengan jumlah energi yang diperlukan dalam pembakaran 1 gram gula yaitu 675 kilo kalori. Inilah jumlah energi yang diperlukan dalam fotosintesis.
Menurut percobaan setiap 1 m2 luas daun/jam dapat menyerap ± 200 kilo kalori, sementara di dalam daun dapat terbentuk 1-2 gram gula. Jadi dapat dihitung bahwa energi yang jatuh pada daun hanya 2% yang digunakan untuk fotosintesis. Hasil lain fotosintesis, O2 dibebaskan ke udara dan ini berasal dari H2O. Ini dapat diketahui berdasarkan uji menggunakan isotop oksigen yang dilakukan oleh Ruben dan Van Niel. Bagian tubuh tumbuhan yang melakukan asimilasi C (karbon) adalah bagian yang mengandung zat hijau daun.
Secara singkat, persamaan reaksi fotosintesis yang terjadi di alam dituliskan sebagai berikut:

cahaya matahari
6CO2+12H2O ———> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
klorofil

Percobaan tentang Fotosintesis

Fotosintesis merupakan suatu proses yang penting bagi kehidupan makhluk hidup di bumi. Dengan fotosintesis, tumbuhan menyediakan makanan bagi makhluk hidup lain baik secara langsung maupun tidak langsung. Banyak ilmuwan yang melakukan penelitian tetang fotosintesis, diantaranya adalah:

3.2.1.1 Ingenhousz
Orang yang peatama sekali menemukan fotosintesis adalah Jan Ingenhousz (1730-1799). Beliau memasukkan tumbuhan air Hydrila verticilata ke dalam bejana yang diisi air. Bejana gelas itu ditutup dengan corong terbalik dan diatasnya diberi tabung reaksi yang berisi air hingga penuh. Bejana itu diletakkan di terik matahari. Tak lama kemudian muncul gelembung udara dari tumbuhan air. Setelah diuji, ternyata gelembung tersebut adalah oksigen. Ingenhousz menyimpulkan fotosintesisis menghasilkan oksigen.

3.2.1.2. T W Engelman
Pada tahun 1822, T W Engelmann melakuakn percobaan menggunakan gangang Spyrogyra. Ganggang ini mempunyai kloroplas seperti spiral. Hanya kloroplas yang terkena cahaya yang mengeluarkan oksigen. Kloroplas yang tidak kena cahaya tidak mengeluarkan oksigen. Hal ini dibuktikan dengan banyaknya bakteri
suka oksigen yang berkerumun di bagian kloroplas yang terkena cahaya. Kesimpulan akhirnya adalah:
a. Fotosintesis dilakukan oleh kloroplas
b. kloroplas hanya berfotosintesis jika terkena cahaya

3.2.1.3. Sachs
Pada tahun 1860, Sachs membuktikan bahwa proses fotosintesis menghasilkan amilum. Daun yang sebagian dibungkus kertas timah (kertas bungkus rokok) dipetik di sore hari, setelah terkena matahari sejak pagi hari, daun tersebut direbus untuk dimatikan sel-selnya. Selanjutnya daun tersebut dimasukkan ke dalam alkohol, agar klorofilnya larut sehingga daun tersebut menjadi pucat. Saat daun itu ditetesi dengan iodium, bagian yang tertutup oleh ketas timah tetap pucat, sedangkan bagian daun yang tidak tertutup warnanya menjadi biru kehitaman. Warna biru kehitaman menandakan bahwa di bagian daun tersebut terdapat amilum.

3.2.1.4 Hill dan FF Blackman
Hill pada tahun 1937 berhasil membuktikan bahwa energi sinar yang diterima digunakan untuk memecah molekul air menjadi H+ dan O2. Peristiwa ini dikenal sebagai fotolisis yang merupakan tahap awal dari fotosintesis. Fotolisis berlangsung dengan bantuan cahaya matahari sehingga disebut reaksi terang (lihat Gambar 3.3) Pada reaksi terang, molekul air (H2O) terurai menjadi molekul oksigen (O2), proton (H+) dan elektron. Elektron tersebut akan mengalami transport elektron melalui reaksi redoks. Pada akhir transport elektron elektron tersebut bersama dengan H+ akan ditangkap oleh NADP+ sehingga terbentuk NADPH. Selain NADPH, reaksi terang juga menghasilkan ATP.

Persamaan reaksi terang adalah sebagai berikut:
12 H2O + ATP + 24 NADP+ —–> 6 O2 + ATP + 24 NADPH

Gambar 3.3. Fotosintesis: Reaksi terang & Reaksi gelap.

Reaksi terang terjadi pada membran tilakoid di grana. Grana berupa tumpukan tilakoid, terdapat di dalam kloroplas,. Tilakoid adalah membran pipih berbentuk cakram yang membrannya mengandung klorofil, pigmen fotosntesis. Blackman mengemukakan adanya reaksi gelap yang terjadi di stroma, merupakan matriks kloroplas tak berwarna yang mengandung grana. Reaksi gelap tidak memerlukan cahaya. Dalam reaksi gelap, ATP dan NADPH yang terbentuk pada reaksi terang digunakan untuk pembentukan glukosa dari karbon dioksida (lihat Gambar 3.2).

Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:
6 O2 + ATP + NADPH —-> (CH2O)6 + 6 H2O

Jika reaksi terang dan reaksi gelap tersebut digabungkan akan menghasilkan persamaan reaksi sebagai berikut:
6 O2 + 12 H2O + energi —-> C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2

Jadi, reaksi gelap hanya berlangsung jika tersedia energi kimia (ATP dan NADPH) serta proton (H+) yang dihasilkan oleh reaksi
terang. Tanpa didahului reaksi terang, reaksi gelap tidak akan berlangsung.

Proses pembentukan karbohidrat terutama glukosa dilakukan melalui beberapa langkah. Di dalam stroma terdapat senyawa
ribulosa bifosfat, suatu senyawa dengan 5 atom C. ribulosa bifosfat mengikat CO2 sehingga terbentuk senyawa 6C, tetapi tidak stabil sehingga terpecah menjadi 2 molekul masing-masing dengan 3 atom (asam fosfogliserat). Asam fosfogliserat diubah nenjadi gliseraldehid.
Gliseraldehid mengikat fosfat membentuk gliseraldehid 3 fosfat, yang kemudian diubah menjadi dihidroksi aseton fosfat. Senyawa ini
berikatan dengan gliseraldehid 3 fosfat membentuk fruktosa 1.6 difosfat, kemudian akhirnya akan membentuk glukosa. Sebagian dari
gula triosa fosfat diubah kembali menjadi ribulose difosfat sehingga membentuk siklus yang dinamakan siklus Calvin (untuk menghargai
penemunya, yaitu Melvin Calvin)

3.2.2. Kemosintesis
Cahaya digunakan sebagai sumber energi untuk memecah molekul air. Elektron yang dihasilkan digunakan dalam proses
transport elektron yang menghasilkan NADPH dan ATP. Senyawa NADH dan ATP ini digunakan untuk sintesis gula (selanjutnya diubah
menjadi amilum) yang akan digunakan sebagai cadangan makanan oleh tumbuhan. Jadi, energi cahaya diubah menjadi energi yang
tersimpan dalam bentuk ikatan kimia.

Sumber energi tidak hanya cahaya. Beberapa mikroorganisme ada yang dapat memperoleh energi dengan jalan mengoksidasi
senyawa kimia. Misalnya bakteri belerang (Begiota, Thiotrix), bakteri nitrit (Nitrosomonas), bakteri nitrat (Nitrosobacter), dan bakteri besi
(Cladotrix).

Bakteri belerang mengoksidasikan H2S untuk memperoleh energi. Selanjutnya energi yang diperoleh digunakan untuk melakukan
asimilasi C. Proses penyusunan bahan organik itu menggunakan energi pemecahan senyawa kimia, maka disebut kemosintesis.

Perhatikan reaksinya:
2H2S + O2—-> 2 H2O + 2 S + energi

Energi yang diperoleh lebih kecil jumlahnya daripada yang dihasilkan dari cahaya. Energi tersebut digunakan untuk fiksasi CO2
menjadi karbohidrat. Dengan demikian, reaksi selengkapnya adalah:
CO2 + 2 H2S —-> CH2O + 2S + H2O

Bakteri besi memperoleh energi kimia dengan cara mengoksidasi

Fe2
+ menjadi Fe3
+. Bakteri Nitrosomonas dan Nitrosococcus

mengoksidasi NH4
+ untuk memperoleh energi dengan reaksi berikut ini:
(NH4)2 CO3 + 3 O2 —-> 2 HNO2 + CO2 + 3H2O + Energi

Demikian pula bakteri Nitrobacter melakukan kemosintesis untuk menghasilkan energi dengan reaksi sebagai berikut:
Ca (NO2)2 + O2 Ca (NO3)2 + Energi Bakteri di atas dapat melakukan asimilasi C. Kemampuan ini dapat dibuktikan dengan memelihara bakteri tersebut dan memberikan zat-zat anorganik saja, ternyata bakteri tersebut dapat hidup dan berkembang. Apakah CO2 di alam akan habis karena dipakai tumbuhan untuk asimilasi C? Tentu saja jawabannya tidak. CO2 yang terpakai untuk asimilasi tumbuhan dan makhluk hidup fotosintetik lainnya diganti dengan CO2 dari pernapasan semua makhluk hidup, hasil pembakaran bahan- bahan organik, kegiatan gunung api, dan aktivitas makhluk hidup lainnya.

Proses anabolisme dan katabolisme terjadi silih berganti. Reaksi– reaksi kimia yang terjadi dalam dunia kehidupan, melibatkan lingkungan fisik di sekitarnya sehingga terjadi daur materi seperti: daur nitrogen, daur karbon dan oksigen, daur air, daur belerang dan daur fosfor.

Daur nitrogen
Nitrogen atau zat lemas merupakan unsur yang diperlukan oleh setiap makhluk hidup. Nitrogen tidak diperlukan dalam bentuk unsur, melainkan dalam bentuk persenyawaan. Atmosfer bumi mengandung 79% gas nitrogen. Gas ini sulit bereaksi dan karenanya tidak dapat dimanfaatkan secara langsung oleh makhluk hidup. Apa fungsi nitrogen bagi tubuh makhluk hidup? Nitrogen merupakan salah satu pembentuk asam amino. Asam amino merupakan persenyawaan pembentuk protein. Protein merupakan senyawa yang berguna sebagai penyusun tubuh, misalnya otot, daging, dan sebagai penggiat reaksi-reaksi metabolisme tubuh, misalnya enzim pencernaan untuk mencernakan makanan.

Karena petir, nitrogen di atmosfer bersenyawa dengan oksigen membentuk nitrat (NO3). Tumbuhan menyerap nitrat dari tanah untuk dijadikan protein. Ketika tumbuhan dimakan konsumer, nitrogen berpindah ke tubuh hewan. Urin, bangkai hewan, dan tumbuhan yang mati akan diuraikan oleh makhluk hidup pengurai menjadi amonium dan amoniak. Bakteri nitrit Nitrosomonas mengubah amonium menjadi nitrit. Selanjutnya bakteri nitrat Nitrosobacter akan mengubah nitrit menjadi nitrat. Peristiwa pengubahan amonium menjadi nitrit dan nitrat disebut sebagai nitrifikasi. Nitrat akan diserap lagi oleh tumbuhan.

Ada pula bakteri yang mampu mengubah nitrat atau nitrit menjadi nitrogen bebas di udara. Proses ini disebut sebagai denitrifikasi. Pada umumnya makhluk hidup tidak mampu memanfaatkan nitrogen secara langsung dari udara. Akan tetapi ada pula yang dapat memanfaatkannya. Contohnya bakteri Rhizobium yang bersimbiosis dengan kacang-kacangan (kelompok Leguminosae) membentuk bintil akar dan mampu mengikat nitrogen dari udara. Bakteri tersebut sangat menguntungkan para petani, karena dapat menyediakan nitrogen bagi tumbuhan inangnya dan juga dapat menyuburkan tanah. Tanah yang kekurangan bakteri Rhizobium dapat ditaburi dengan legin, yaitu biakan bakteri pengikat nitrogen yang saat ini sudah banyak dijualbelikan. Jika tanah tersebut pernah ditanami
tanaman kacang-kacangan berarti tanah tersebut sudah mengandung Rhizobium. Bila kalian menanam kedelai, tidak perlu memupuk (ZA, urea) dalam jumlah banyak, karena sebagian dari N tersebut akan dipenuhi oleh Rhizobium yang ada dalam bintil akar.

Daur karbon dan oksigen
Unsur C (karbon) diserap tumbuhan dalam bentuk CO 2. Tumbuhan tidak dapat menyerapnya dalam bentuk gula atau zat tepung. Sebaliknya, hewan hanya dapat memanfaatkan karbon dalam bentuk persenyawaan organik. Unsur C dan O selalu terlibat dalam proses respirasi dan fotosintesis, yaitu dalam bentuk CO 2 dan O 2. Oleh karena itu, membahas daur karbon pada dasarnya juga melibatkan pembahasan daur oksigen.

Daur karbon ini diawali oleh penyerapan CO 2 oleh tumbuhan, dan dijadikan persenyawaan organik, seperti glukosa, melalui proses fotosintesis. Selanjutnya, glukosa disusun menjadi amilum, kemudian amilum diubah menjadi senyawa organik lainnya seperti, lemak, protein, dan vitamin. Pada proses pernafasan tumbuhan, dihasilkan lagi CO2. Dengan demikian, daur karbon terpendek terjadi pada tumbuhan-lingkungan-tumbuhan. Demikian pula daur oksigen.

Hewan mendapatkan karbon setelah memakan tumbuhan baik secara langsung maupun tak langsung. Tubuh hewan dan tumbuhan yang mati diuraikan menjadi karbon dioksida, air, dan mineral oleh makhluk hidup pengurai. Karbon dioksida yang terbentuk dilepaskan ke udara. Demikian seterusnya daur karbon ini berlangsung. Daur karbon ini merupakan daur karbon terpanjang yang berlangsung melalui tumbuhan-hewan-pengurai-karbon dioksida di udaratumbuhan. Dalam ekosistem normal, terjadi keseimbangan antara daur karbon dan oksigen. Oksigen diserap hewan dan tumbuhan untuk respirasi dan hasilnya berupa karbon dioksida akan dilepaskan ke udara. Karbon dioksida ini digunakan oleh tumbuhan untuk fotosintesis.

Daur air
Air sangat penting artinya bagi makhluk hidup karena air berfungsi sebagi pelarut kation dan anion, pengatur suhu tubuh, pengatur tekanan osmotik sel, dan bahan baku untuk fotosintesis. Bagi manusia, air bermanfaat untuk minum, mandi, mencuci, irigasi, pariwisata, dan pembangkit tenaga listrik. Di alam terjadi daur air yang dapat diuraikan sebagai berikut.

Air laut, danau, dan sungai yang terkena cahaya matahari akan menguap. Tumbuhan dan hewan juga mengeluarkan uap air. Uap air akan membumbung ke atmosfer dan berkumpul membentuk awan. Karen tiupan angin, awan akan bergerak menuju ke permukaan daratan. Pengaruh suhu yang rendah mengakibatkan terjadinya kondensasi uap air menjadi titik-titik air hujan. Air hujan yang turun di permukaan, sebagian meresap kedalam tanah, sebagian dimanfaatkan tumbuhan dan hewan, sebagian yang lain mengalir di permukaan tanah menjadi sungai-sungai, dan sebagian lagi menguap menjadi uap air yang akan turun kembali bersama air hujan. Air yang meresap kedalam tanah bergerak menuju tempat-tempat yang rendah karena gravitasi bumi. Pada tempat tertentu muncul
sebagai mata air yang akan mengalir sebagai sungai. Di sungai, air dimanfaatkan lagi oleh biota sungai. Sungai yang menampung air, baik dari air tanah, air hujan, maupun kelebihan air telah dimanfaatkan manusia akhirnya mengalir menuju laut.

Indonesia merupakan negara di daerah khatulistiwa memilki daur air alami. Secara kuantitatif Indonesia seharusnya tidak kekurangan air. Akan tetapi, karena gangguan terhadap daur air alami, misalnya akibat penebangan hutan secara liar, proses peresapan air terganggu sehingga timbul banjir. Demikian juga, kuantitas air tidak terdistribusi sebagaimana mestinya. Akibatnya, pada musim hujan terjadi banjir, sedangkan pada musim kemarau terjadi kekeringan. Selain ini, air bersih menjadi semakin langka karena pencemaran.

Daur belerang
Belerang (sulfur) merupakan unsur penyusun protein. Tumbuhan mendapatkan belerang dari dalam tanah dalam bentuk sulfat (SO4 2-). Di dalam tubuh tumbuhan, belerang digunakan sebagai penyusun protein. Hewan dan manusia mendapatkan belerang dengan jalan memakan tumbuhan. Jika tumbuhan dan hewan mati, mikroorganisme akan menguraikannya menjadi gas berbau busuk yaitu H2S atau menjadi SO2 dan SO4 2-.

Secara alami, belerang terkandung di dalam tanah dalam bnetuk mineral tanah. Beberapa gunung berapi, misalnya Gunung Arjuno di Jawa Timur, mengeluarkan belerang yang kemudian ditambang menjadi belerang batangan. Gas belerang dihembuskan ke udara. Selain itu, belerang di udara juga berasal dari sisa pembakaran minyak bumi dan batubara, dalam bentuk SO2. Gas demikian banyak dihasilkan oleh asap kenderaan dan pabrik. Karena uap air hujan, gas tersebut berubah menjadi sulfat, yang jatuh di tanah, sungai, atau lautan. Selanjutnya sulfat dapat dimanfaatkan oleh tumbuhan atau ganggang.

Daur fosfor
Fosfor merupakan bahan pembentuk tulang pada hewan. Semua makhluk hidup memerlukan fosfor karena digunakan sebagai pembentuk DNA, RNA, protein, energi (ATP), dan senyawa organik lainnya. Daur fosfor terjadi melalui proses berikut.

Di dalam tanah, terkandung fosfat anorganik yang dapat diserap tumbuhan. Hewan mendapatkan fosfor setelah memakan tumbuhan. Tumbuhan dan hewan yang mati, feses, dan urinnya akan terurai menghasilkan fosfat organik. Oleh bakteri, fosfat organik akan di ubah menjadi fosfat anorganik yang dapat diserap  tumbuhan.

Di dalam ekosistem air, juga terjadi daur fosfor, yakni tumbuhan hewan air –> bakteri –> fosfat anorganik. Bagian tumbuhan yang jatuh ke dasar danau yang dalam atau lautan dalam akan membentuk endapan fosfor (batuan fosfor) yang tiak dapat dimanfaatkan kembali. Inilah salah satu alasan semakin kecilnya ekosistem air dalam yang tidak mempunyai arus air. Lautan yang memiliki arus air mengakibatkan endapan fosfor teraduk dan menyuburkan ekosistem laut. Pada tempat-tempat tertentu terjadi penimbunan fosfor karena pemupukan kotoran burung. Kotoran burung ini dijadikan sebagai pupuk organo.

Daur materi sangat penting artinya bagi kelestarian makhluk hidup dan ekosistem. Ini berarti kelestarian ekosistem akan terancam jika daur materi itu terganggu. Suatu contoh, di dalam ekosistem hutan, semua predator mati. Karena tidak ada pemangsa, daur materi terhenti. Makanan tertimbun di dalam tubuh herbivor yang kemudian digunakan untuk berkembang biak tanpa kendali. Akibatnya, bahan makanan berkurang dan terjadilah kompetisi dalam memperebutkan makanan. Apa yang terjadi kemudian, sangat sulit untuk diramalkan.