Pengantar Ilmu Pertanian Pandangan kuno tentang kosmos Kuliah 7 : FOTOSINTESIS DAN ENERGI KEHIDUPAN TIK : Setelah mengikuti kuliah ini, anda dapat menjelaskan Fotosintesis dan energi kehidupan. Firaun Akhnaton menyembah Aten (Dewa Matahari) Firaun Akhnaton Firaun Akhnaton menganggap semua hal berkenaan dengan kehidupan diatur oleh Sumber Tenaga Tunggal  Dewa Matahari, Aten Pengantar Ilmu Pertanian 2 Contoh: PLTA Air yang terbendung : Untuk irigasi Pengantar Ilmu Pertanian Energi  Energi Surya / Energi Elektromagnetik  Energi Mekanik  Energi Panas Matahari  Energi Geotermal / Panas Bumi  Energi Gravitasi  Energi Nuklir  Terjadi konversi bentuk 1 Pengantar Ilmu Pertanian 3 Pengantar Ilmu Pertanian 4  Pentingnya fotosintesis bagi makhluk hidup adalah : Energi Sintesis Kimia - Mengikat energi surya mjd energi dlm bentuk bahan kimia kaya energi sbg sumber makanan  Tidak semua makhluk hidup mendapatkan energi dari fotosintesis  sintesis kimia Bakteri nitrit var. nitrosamine mengubah amoniak menjadi nitrit selanjutnya nitrat dan mendapatkan energi nitrifikasi  2NH3 + 3O2  2HNO2 + 2H2O + + 158 kcal - Menyegarkan udara dg menghasilkan oksigen  Hal-hal yg mengakibatkan proses perubahan karbondioksida mjd oksigen menurun antara lain : - Menurunnya potensi tumbuhan di dunia  2HNO2 + O2  2HNO3 + 36 kcal - Meningkatnya kadar CO2 di bumi akibat pembakaran  Bakteri pengoksid belerang mendapat energi dari:  2H2S + O2  S2 + 2H2 + energi  Bakteri pengoksid besi mendapat energi dari:  4Fe++ + 4H+ + O2  4Fe+++ + 2H2O + energi  kemo-ototrofik - Green house effect, suhu bumi meningkat  Fotosintesis berpusat pada kloroplast (ditemukan oleh Julius van Sachs, 1865)  Bagian dalam kloroplast disekat dinding lamella, yg memisahkan zat dlm kloroplast yg disebut stroma Pengantar Ilmu Pertanian 5 Pengantar Ilmu Pertanian 6 1

Pengantar Ilmu Pertanian Pengantar Ilmu Pertanian  Langkah dalam fotosintesis : Fotosintesis Tumbuhan Hijau  Reaksi terang di lamella Reaksi gelap di stroma H2O CO2  Penghasil utama energi kimia melalui sinar surya adalah tumbuhan hijau  6CO2 + 6H2O ADP ATP NADPH + H+ - Energi surya/ klorofil C6H12O6 + 6O2 + 6H2O surya Energi Reaksi terang Reaksi gelap KH berenergi  Setiap tahun tumbuhan hijau menghasilkan 400 000 jt ton NADP O2, mengikat 150 000 jt ton CO2 dan 25 000 jt ton H2O Peningkatan kadar karbondioksida di lapisan atmosfir akan O2 Denah proses fotosintesis H2O  menghambat pengembalian energi panas dari bumi dan akan meningkatkan suhu atmosfir bumi  greenhouse effect Julius von Sachs (1865): proses fotosintesis terjadi dalam zarah kecil dalam tumbuhan yang berwarna hijau (kloroplast)  Dr. Melvin Calvin (1961 menerima nobel) menjelaskan daur pembentukan karbohidrat  Daur Calvin  Bakteri merah membuat fotosintesis dengan mengikat H2S  6CO2 + 12H2S - C6H12O6 + 12S + 6H2O surya Energi   fotoototrofik Pengantar Ilmu Pertanian Pemanenan enargi surya Energi Kimia 7 Pengantar Ilmu Pertanian Sejarah Fotosintesis 8 Matahari Oksigen Bahan organik Obat Makanan Pakaian Perumahan PengantarBahan bakar dll. 9 Kosmetik Ilmu Pertanian Pengantar Ilmu Pertanian 10 Percobaan awal Fotosintesis: Priestley (1770-an) Ingenhousz (1780-an) Priestly: Batang dan daun mint dapat membersihkan udara yang telah dikotori oleh nyala lilin Ingenhousz: Fotosintesis memerlukan cahaya Fotosintesis Fotosintesis melibatkan tumbuh-tumbuhan yang ada di darat, perairan air tawar maupun lautan Pengantar Ilmu Pertanian 11 Pengantar Ilmu Pertanian 12 2

Pengantar Ilmu Pertanian Pengantar Ilmu Pertanian Pada tumbuhan tinggi Fotosintesis terjadi di dalam kloroplas Stroma Tilakoid Granum Ruang antar membran Fotosintesis: proses oksidasi reduksi Cahaya Matahari Membran dalam 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 Potongan melintang daun jagung Membran luar Model struktur kloroplas Reduksi Oksidasi Pengantar Ilmu Pertanian Fotosintesis menghasilkan gas oksigen dari pemecahan air 13 Pengantar Ilmu Pertanian Reaksi terang 14 a Cahay 6CO2* + 12H2O C6H12O6 + 6H2O + 6O2 H2O Reaksi terang (Dalam Grana) O2 6CO2 + 12H2O* C6H12O6 + 6H2O +6O2* 6CO2 6H2O* Fotosintesis ATP NADPH ADP+Pi NADP+ Penggunaan oksigen CO2 berlabel  O2 berasal dari H2O Reaksi gelap Reaksi Gelap (dalam stroma) C6H12O6 6H2O 6O2* Gul Pengantar Ilmu Pertanian 15 Pengantar Ilmu Pertanian 16 a Reaksi terang Prosesnya digerakkan oleh cahaya Cahaya matahari: gelombang elektromagnetik ATP dan Cahaya matahari Gamma sinar sinar X UV infra merah mikro Gelombang radio Gelombang Klorofil NADPH Cahaya Tampak Energi CAHAYA Energi KIMIA 380 450 500 550 600 650 700 750 nm Peningkatan  Reaksi terjadi di dalam grana khususnya pada membran tilakoid kloroplas Pengantar Ilmu Pertanian Peningkatan Energi 17 Pengantar Ilmu Pertanian 18 3

Panjang gelombang ATP Kompleks 500 600 H+ e Cyt e H2O Reaksi gelap Spektrum cahaya merah dan biru adalah yang efektif diserap oleh pigmen tumbuhan dalam proses fotosintesis, cahaya hijau sebagian besar dipantulkan  daun berwarna hijau Konsep dasar reaksi terang Panjang gelombang efektif untuk fotosintesis Bagian dalam tilakoid H+ H+ H + H+ ATP sintase Absorbsi cahaya oleh klorofil a NADP reduktase H+ H + Kompleks sitokrom Sistem cahaya II (PSII) 400 500 600 Panjang Gelombang (nm) Pengantar Ilmu Pertanian 700 H+ Sistem cahaya I Pengantar Ilmu Pertanian (PSI) H+ NADPH 19 H+ 20 ATP Tahap-tahap reaksi terang  Teori kemiosmosis Teori Zigzag  Air dipecah sebagai sumber elektron di sistem cahaya II Sistem cahaya II (PSII) Rantai Reaksi redoks Sistem cahaya I (PSI)  Elektron yang tereksitasi mentransfer energinya ke rangkaian pembawa elektron dengan tingkat energi yang lebih rendah untuk memompa proton (H+) dari stroma ke ruang dalam tilakoid (matriks) - e - e Chl* I Chl* P Q Fd  Terjadi perbedaan konsentrasi ion H+ antar dua permukaan membran (matriks dan stroma)  Beda potensial ini digunakan ion H+ kembali ke stroma melewati enzim ATP sintase untuk membentuk ATP dari ADP  Elektron akhirnya diterima oleh penerima elektron terakhir yaitu NADP+ sehingga berubah menjadi NADPH Pengantar Ilmu Pertanian 21 e - Chl Foton Cyt P C ADP + Pi ATP Pengantar Ilmu Pertanian e - Chl Foton NADP+ + H+ H2O O +2 H H + + NADP H 22 - e Reaksi gelap  Tidak berhubungan langsung dengan cahaya  memanfaatkan ATP dan NADPH dari reaksi terang untuk mereduksi CO2 menjadi gula Ribulosa-1,5- bisfosfat CO2 + H2O Enzim Rubisco Karboksilasi ADP Gula CO2 + H2O Regenerasi SIKLUS CALVIN 3-Fosfogliserat NADP+ NADPH Siklus Calvin ATP ADP ATP ATP + NADP Gliseraldehid- 3-fosfat Reduksi  Tetap terjadi pada saat ada cahaya/siang hari  Jadi input reaksiPengantargelap:Pertanian NADPH, CO2 23 Setiap 12 G3P: 10  regenerasi Pengantar Ilmu Pertanian Sucrose, Starch H ADP + Pi 24 NADP+ ATP,Ilmu 2  gula Sukrosa, pati 4

Nisbah Pemanfaatan Energi Surya Pemanasan global akibat efek rumah kaca dari CO2 di atmosfir Radiasi cahaya yang terperangkap oleh CO2 Nisbah Pemanfaatan Energi Surya oleh Makhluk Hidup  Rata-rata energi surya sampai di tepi luar atmosfir bumi per tahun = 263 000 langley (1 langley = 1 gcal/cm2)  123 000 langley/tahun dipantulkan oleh awan atau diserap air/debu  140 000 langley/tahun sampai ke permukaan bumi  1-2% dimanfaatkan untuk fotosintesis (khusus yang memp. Panjang gelombang 0.4-0.7 mikron)  Efisiensi pemanfaatan energi dalam karbohidrat berbeda untuk makhluk hidup. Tumbuhan menyerap energi dalam karbohidrat 1-2% Pengantar Ilmu Pertanian 25 Pengantar Ilmu Pertanian 26  Pemanfaatan energi: 1. Matahari menyampaikan 1.3 x 1023 kal/tahun 2. Tumbuhan memanfaatkan 1 x 1021 kal/tahun 3. Herbivora memanfaatkan 5 x 1020 kal/tahun 4. Karnivora memanfaatkan 1 x 1020 kal/tahun 5. Karnivora tingkat dua memanfaatkan 3 x 1019 kal/tahun  Perbedaan pendayagunaan energi mempengaruhi pola makan bangsa-bangsa  Bangsa miskin banyak mengkonsumsi nabati  Bangsa kaya banyak mengkonsumsi hewani Pengantar Ilmu Pertanian 27 Pengantar Ilmu Pertanian 28 5