Tumbuhan memperoleh air dan mineral dari akarnya. Daun memberikan nutrisi organik pada tanaman. Berbeda dengan akar, mereka tidak berada di dalam tanah, tetapi di udara, oleh karena itu mereka tidak memberikan nutrisi pada tanah, tetapi udara.

Dari sejarah mempelajari nutrisi udara tanaman

Pengetahuan tentang nutrisi tanaman terakumulasi secara bertahap. Sekitar 350 tahun yang lalu, ilmuwan Belanda Jan Helmont pertama kali bereksperimen dengan studi nutrisi tanaman. Dia menanam pohon willow di pot tanah liat berisi tanah, hanya menambahkan air. Ilmuwan itu dengan hati-hati menimbang daun-daun yang berguguran. Setelah lima tahun, massa pohon willow bersama dengan daun-daun yang berguguran bertambah 74,5 kg, dan massa tanah hanya berkurang 57 g.Berdasarkan hal tersebut, Helmont sampai pada kesimpulan bahwa semua zat pada tumbuhan tidak terbentuk dari tanah. , tapi dari air. Pendapat bahwa ukuran tanaman bertambah hanya karena air bertahan hingga akhir abad ke-18.

Pada tahun 1771, ahli kimia Inggris Joseph Priestley mempelajari karbon dioksida, atau sebagaimana ia menyebutnya, “udara rusak” dan membuat penemuan yang luar biasa. Jika lilin dinyalakan dan ditutup dengan penutup kaca, maka setelah terbakar sedikit akan padam. Seekor tikus di bawah tudung mulai mati lemas. Namun, jika Anda meletakkan ranting mint di bawah tutup tikus, tikus tidak akan mati lemas dan terus hidup. Artinya tumbuhan “memperbaiki” udara yang tercemar oleh pernapasan hewan, yaitu mengubah karbon dioksida menjadi oksigen.

Pada tahun 1862, ahli botani Jerman Julius Sachs membuktikan melalui eksperimen bahwa tumbuhan hijau tidak hanya menghasilkan oksigen, tetapi juga menciptakan zat organik yang berfungsi sebagai makanan bagi semua organisme lain.

Fotosintesis

Perbedaan utama antara tumbuhan hijau dan organisme hidup lainnya adalah adanya kloroplas yang mengandung klorofil di dalam selnya. Klorofil memiliki kemampuan menangkap sinar matahari, yang energinya diperlukan untuk pembuatan zat organik. Proses pembentukan bahan organik dari karbon dioksida dan air dengan menggunakan energi matahari disebut fotosintesis (cahaya Yunani pbo1os). Selama proses fotosintesis, tidak hanya zat organik - gula - yang terbentuk, tetapi oksigen juga dilepaskan.

Secara skematis proses fotosintesis dapat digambarkan sebagai berikut:

Air diserap oleh akar dan mengalir melalui sistem konduktif dari akar dan batang ke daun. Karbon dioksida merupakan salah satu komponen udara. Ia memasuki daun melalui stomata terbuka. Penyerapan karbon dioksida difasilitasi oleh struktur daun: permukaan datar helaian daun, yang meningkatkan luas kontak dengan udara, dan adanya sejumlah besar stomata di kulit.

Gula yang terbentuk sebagai hasil fotosintesis diubah menjadi pati. Pati merupakan zat organik yang tidak larut dalam air. Kgo dapat dengan mudah dideteksi menggunakan larutan yodium.

Bukti terbentuknya pati pada daun yang terkena cahaya

Mari kita buktikan bahwa di dalam daun hijau tanaman, pati terbentuk dari karbon dioksida dan air. Untuk melakukan hal ini, perhatikan eksperimen yang pernah dilakukan oleh Julius Sachs.

Tanaman hias (geranium atau primrose) disimpan di tempat gelap selama dua hari agar semua pati digunakan untuk proses vital. Kemudian beberapa helai daun ditutup kedua sisinya dengan kertas hitam sehingga hanya sebagian saja yang tertutup. Pada siang hari tanaman terkena cahaya, dan pada malam hari juga disinari menggunakan lampu meja.

Sehari kemudian, daun yang diteliti dipotong. Untuk mengetahui bagian mana dari pati daun yang terbentuk, daun direbus dalam air (agar butiran pati membengkak) kemudian disimpan dalam alkohol panas (klorofil larut dan daun berubah warna). Kemudian daun dicuci dengan air dan diolah dengan larutan yodium lemah. Dengan demikian, area daun yang terkena cahaya memperoleh warna biru akibat aksi yodium. Artinya pati terbentuk di sel-sel bagian daun yang diterangi. Oleh karena itu, fotosintesis hanya terjadi dalam cahaya.

Bukti perlunya karbon dioksida untuk fotosintesis

Untuk membuktikan bahwa karbon dioksida diperlukan untuk pembentukan pati di daun, tanaman hias juga terlebih dahulu disimpan di tempat gelap. Salah satu daunnya kemudian dimasukkan ke dalam labu yang diberi sedikit air jeruk nipis. Labu ditutup dengan kapas. Tanaman terkena cahaya. Karbon dioksida diserap oleh air kapur, sehingga tidak akan ada di dalam labu. Daunnya dipotong dan, seperti pada percobaan sebelumnya, diperiksa keberadaan patinya. Itu disimpan dalam air panas dan alkohol dan diolah dengan larutan yodium. Namun, dalam kasus ini, hasil percobaannya akan berbeda: daunnya tidak membiru, karena itu tidak mengandung pati. Oleh karena itu, untuk pembentukan pati, selain cahaya dan air, diperlukan karbon dioksida.

Jadi, kami menjawab pertanyaan tentang makanan apa yang diterima tanaman dari udara. Pengalaman menunjukkan bahwa itu adalah karbon dioksida. Hal ini diperlukan untuk pembentukan bahan organik.

Organisme yang secara mandiri menciptakan zat organik untuk membangun tubuhnya disebut autotrophamnes (Yunani autos - dirinya sendiri, trophe - makanan).

Bukti produksi oksigen selama fotosintesis

Untuk membuktikan bahwa selama fotosintesis, tumbuhan melepaskan oksigen ke lingkungan luar, perhatikan percobaan dengan tumbuhan air Elodea. Tunas elodea dicelupkan ke dalam wadah berisi air dan ditutup dengan corong di atasnya. Tempatkan tabung reaksi berisi air pada ujung corong. Tanaman terkena cahaya selama dua sampai tiga hari. Dalam cahaya, elodea menghasilkan gelembung gas. Mereka terakumulasi di bagian atas tabung reaksi, menggantikan air. Untuk mengetahui jenis gasnya, tabung reaksi dikeluarkan dengan hati-hati dan serpihan yang membara dimasukkan ke dalamnya. Serpihan itu berkedip terang. Ini berarti oksigen telah terakumulasi di dalam labu, mendukung pembakaran.

Peran kosmik tumbuhan

Tumbuhan yang mengandung klorofil mampu menyerap energi matahari. Oleh karena itu K.A. Timiryazev menyebut peran mereka di Bumi bersifat kosmik. Sebagian energi matahari yang tersimpan dalam bahan organik dapat disimpan dalam waktu lama. Batubara, gambut, minyak dibentuk oleh zat-zat yang pada zaman geologis kuno diciptakan oleh tumbuhan hijau dan menyerap energi Matahari. Dengan membakar bahan-bahan alami yang mudah terbakar, seseorang melepaskan energi yang disimpan jutaan tahun yang lalu oleh tumbuhan hijau.

dimana AH 2 adalah hasil kali F.

Fitur struktural dari peralatan fotosintesis.

Efisiensi fosfor yang tinggi pada tumbuhan hijau tingkat tinggi dijamin oleh peralatan fotosintesis yang sempurna, yang dasarnya adalah organel intraseluler—kloroplas (ada 20–100 di antaranya dalam sel daun hijau). Mereka dikelilingi oleh membran dua lapis. Lapisan dalamnya terdiri dari kantung atau vesikel pipih yang disebut tilakoid, yang sering tersusun dalam tumpukan dan membentuk grana yang dihubungkan satu sama lain oleh tilakoid intergranular tunggal. Tilakoid terdiri dari membran fotosintetik itu sendiri, yang merupakan lapisan lipid biomolekuler dan kompleks pigmen lipoprotein yang diselingi secara mosaik yang membentuk pusat aktif fotokimia, dan juga mengandung komponen khusus yang terlibat dalam transpor elektron dan pembentukan adenosin trifosfat (ATP). Bagian kloroplas yang terletak di antara tilakoid stroma mengandung enzim yang mengkatalisis reaksi gelap fosfor (misalnya konversi karbon, nitrogen, belerang, biosintesis karbohidrat dan protein). Pati yang terbentuk selama F. disimpan di stroma. Kloroplas mempunyai DNA, RNA, ribosom, mensintesis protein, dan memiliki otonomi genetik, tetapi berada di bawah kendali umum nukleus. bakteri fotosintetik dan sebagian besar alga tidak memiliki kloroplas. Peralatan fotosintesis sebagian besar alga diwakili oleh organel intraseluler khusus - kromatofor, dan bakteri fotosintetik dan ganggang biru-hijau - tilakoid (membrannya mengandung pigmen bakterioklorofil atau bakterioviridin, serta komponen reaksi dahak lainnya), terbenam di lapisan perifer sitoplasma.

Fase transformasi primer dan penyimpanan energi dalam proses fotosintesis

Fotosintesis tumbuhan didasarkan pada proses redoks di mana 4 elektron (dan proton) naik dari tingkat potensial redoks yang sesuai dengan oksidasi air (+ 0,8 V) ke tingkat yang sesuai dengan reduksi CO 2 dengan pembentukan karbohidrat (– 0,4 V). Pada saat yang sama, peningkatan energi bebas dari reaksi reduksi CO 2 ke tingkat karbohidrat adalah 120 kkal/mol, dan persamaan total F. dinyatakan sebagai.

Fotosintesis adalah proses sintesis zat organik dari zat anorganik dengan menggunakan energi cahaya. Dalam sebagian besar kasus, fotosintesis dilakukan oleh tumbuhan menggunakan organel seluler seperti kloroplas mengandung pigmen hijau klorofil.

Jika tumbuhan tidak mampu mensintesis bahan organik, maka hampir semua organisme lain di bumi tidak akan memiliki makanan, karena hewan, jamur, dan banyak bakteri tidak dapat mensintesis bahan organik dari bahan anorganik. Mereka hanya menyerap yang sudah jadi, membaginya menjadi yang lebih sederhana, dari mana mereka kembali merakit yang rumit, tetapi sudah menjadi ciri khas tubuh mereka.

Hal ini terjadi jika kita berbicara secara singkat tentang fotosintesis dan perannya. Untuk memahami fotosintesis, kita perlu menjelaskan lebih lanjut: zat anorganik spesifik apa yang digunakan, bagaimana sintesis terjadi?

Fotosintesis membutuhkan dua zat anorganik - karbon dioksida (CO 2) dan air (H 2 O). Yang pertama diserap dari udara oleh bagian tanaman di atas tanah terutama melalui stomata. Air berasal dari tanah, kemudian disalurkan ke sel fotosintesis melalui sistem konduksi tanaman. Selain itu, fotosintesis memerlukan energi foton (hν), tetapi foton tersebut tidak dapat dikaitkan dengan materi.

Secara total, fotosintesis menghasilkan bahan organik dan oksigen (O2). Biasanya, bahan organik paling sering berarti glukosa (C 6 H 12 O 6).

Senyawa organik sebagian besar terdiri dari atom karbon, hidrogen dan oksigen. Mereka ditemukan dalam karbon dioksida dan air. Namun, selama fotosintesis, oksigen dilepaskan. Atom-atomnya diambil dari air.

Secara singkat dan umum persamaan reaksi fotosintesis biasanya ditulis sebagai berikut:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Namun persamaan ini tidak mencerminkan esensi fotosintesis dan tidak membuatnya dapat dimengerti. Begini, walaupun persamaannya seimbang, di dalamnya jumlah atom dalam oksigen bebas adalah 12. Tapi kita bilang atom-atom itu berasal dari air, dan hanya ada 6 atom.

Faktanya, fotosintesis terjadi dalam dua fase. Yang pertama disebut lampu, Kedua - gelap. Nama-nama tersebut disebabkan oleh fakta bahwa cahaya diperlukan hanya untuk fase terang, fase gelap tidak tergantung pada kehadirannya, tetapi ini tidak berarti bahwa ia terjadi dalam gelap. Fase terang terjadi pada membran tilakoid kloroplas, dan fase gelap terjadi pada stroma kloroplas.

Selama fase cahaya, pengikatan CO2 tidak terjadi. Yang terjadi hanyalah penangkapan energi matahari oleh kompleks klorofil, penyimpanannya dalam ATP, dan penggunaan energi untuk mereduksi NADP menjadi NADP*H 2 . Aliran energi dari klorofil yang tereksitasi cahaya disediakan oleh elektron yang ditransmisikan sepanjang rantai transpor elektron enzim yang dibangun ke dalam membran tilakoid.

Hidrogen untuk NADP berasal dari air, yang terurai oleh sinar matahari menjadi atom oksigen, proton hidrogen, dan elektron. Proses ini disebut fotolisis. Oksigen dari air tidak diperlukan untuk fotosintesis. Atom oksigen dari dua molekul air bergabung membentuk molekul oksigen. Persamaan reaksi fase terang fotosintesis secara singkat terlihat seperti ini:

H 2 O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H 2 + ½O 2

Dengan demikian, pelepasan oksigen terjadi selama fase cahaya fotosintesis. Jumlah molekul ATP yang disintesis dari ADP dan asam fosfat per fotolisis satu molekul air bisa berbeda: satu atau dua.

Jadi, ATP dan NADP*H 2 berasal dari fase terang ke fase gelap. Di sini, energi yang pertama dan daya reduksi yang kedua dihabiskan untuk mengikat karbon dioksida. Tahap fotosintesis ini tidak dapat dijelaskan secara sederhana dan ringkas karena tidak berlangsung sedemikian rupa sehingga enam molekul CO2 bergabung dengan hidrogen yang dilepaskan dari molekul NADP*H2 untuk membentuk glukosa:

6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(reaksi terjadi dengan pengeluaran energi ATP, yang terurai menjadi ADP dan asam fosfat).

Reaksi yang diberikan hanyalah penyederhanaan agar lebih mudah dipahami. Faktanya, molekul karbon dioksida mengikat satu per satu, bergabung dengan zat organik berkarbon lima yang sudah disiapkan. Zat organik enam karbon yang tidak stabil terbentuk, yang terurai menjadi molekul karbohidrat tiga karbon. Beberapa molekul ini digunakan untuk mensintesis ulang zat lima karbon asli untuk mengikat CO 2 . Resintesis ini terjamin siklus Calvin. Sebagian kecil molekul karbohidrat yang mengandung tiga atom karbon keluar dari siklus. Semua zat organik lainnya (karbohidrat, lemak, protein) dan zat lain disintesis darinya.

Faktanya, gula tiga karbon, bukan glukosa, yang keluar dari fase gelap fotosintesis.

Fotosintesis adalah proses biologis yang sangat kompleks. Ini telah dipelajari oleh ilmu biologi selama bertahun-tahun, namun, seperti yang ditunjukkan oleh sejarah studi fotosintesis, beberapa tahapan masih belum jelas. Dalam buku referensi ilmiah, penjelasan yang konsisten tentang proses ini membutuhkan beberapa halaman. Tujuan artikel ini adalah untuk mendeskripsikan fenomena fotosintesis secara singkat dan jelas kepada anak-anak dalam bentuk diagram dan penjelasan.

Definisi ilmiah

Pertama, penting untuk mengetahui apa itu fotosintesis. Dalam biologi, pengertiannya sebagai berikut: proses pembentukan zat organik (makanan) dari zat anorganik (dari karbon dioksida dan air) di dalam kloroplas dengan menggunakan energi cahaya.

Untuk memahami definisi ini, kita dapat membayangkan pabrik yang sempurna - tanaman hijau apa pun yang dapat berfotosintesis. “Bahan bakar” untuk pabrik ini adalah sinar matahari, tumbuhan menggunakan air, karbon dioksida, dan mineral untuk menghasilkan makanan bagi hampir semua bentuk kehidupan di bumi. “Pabrik” ini sempurna karena, tidak seperti pabrik lainnya, tidak menimbulkan kerugian, namun sebaliknya, selama produksi, ia melepaskan oksigen ke atmosfer dan menyerap karbon dioksida. Seperti yang Anda lihat, kondisi tertentu diperlukan untuk fotosintesis.

Proses unik ini dapat direpresentasikan sebagai rumus atau persamaan:

matahari + air + karbon dioksida = glukosa + air + oksigen

Struktur daun tanaman

Untuk mengkarakterisasi esensi proses fotosintesis, perlu diperhatikan struktur daun. Jika Anda melihat di bawah mikroskop, Anda dapat melihat sel transparan yang mengandung 50 hingga 100 bintik hijau. Ini adalah kloroplas, tempat klorofil, pigmen fotosintesis utama, berada dan tempat terjadinya fotosintesis.

Kloroplas itu seperti kantong kecil, dan di dalamnya terdapat kantong yang lebih kecil lagi. Mereka disebut tilakoid. Molekul klorofil ditemukan pada permukaan tilakoid. dan tersusun dalam kelompok yang disebut fotosistem. Kebanyakan tumbuhan mempunyai dua jenis fotosistem (PS): fotosistem I dan fotosistem II. Hanya sel yang memiliki kloroplas yang mampu melakukan fotosintesis.

Deskripsi fase cahaya

Reaksi apa yang terjadi pada fase terang fotosintesis? Pada gugus PSII, energi sinar matahari ditransfer ke elektron-elektron molekul klorofil, sebagai akibatnya elektron menjadi bermuatan, yaitu “sangat tereksitasi” sehingga ia melompat keluar dari gugus fotosistem dan “diambil” ” oleh molekul pembawa pada membran tilakoid. Elektron ini berpindah dari satu pembawa ke pembawa lainnya hingga elektron tersebut habis. Ia kemudian dapat digunakan dalam kelompok PSI lain untuk menggantikan elektron.

Kelompok fotosistem II kehilangan elektron, dan sekarang bermuatan positif dan memerlukan elektron baru. Tapi di mana seseorang bisa mendapatkan elektron seperti itu? Sebuah area dalam kelompok yang dikenal sebagai kompleks evolusi oksigen menunggu molekul air yang riang “berjalan” di sekitarnya.

Molekul air mengandung satu atom oksigen dan dua atom hidrogen. Kompleks evolusi oksigen di PSII memiliki empat ion mangan yang mengambil elektron dari atom hidrogen. Akibatnya, molekul air terpecah menjadi dua ion hidrogen positif, dua elektron, dan satu atom oksigen. Molekul air terbelah, dan atom oksigen didistribusikan berpasangan, membentuk molekul gas oksigen, yang mengembalikan tumbuhan ke udara. Ion hidrogen mulai terkumpul di kantong tilakoid, dari sini tanaman dapat menggunakannya, dan dengan bantuan elektron, masalah hilangnya kompleks PS II terpecahkan, yang siap mengulangi siklus ini berkali-kali per detik.

Ion hidrogen menumpuk di kantung tilakoid dan mulai mencari jalan keluar. Dua ion hidrogen, yang selalu terbentuk selama peluruhan molekul air, tidak semuanya: berpindah dari kompleks PS II ke kompleks PS I, elektron menarik ion hidrogen lain ke dalam kantong. Ion-ion ini kemudian terakumulasi di tilakoid. Bagaimana mereka bisa keluar dari sana?

Ternyata mereka memiliki "pintu putar" dengan satu keluaran - enzim yang digunakan dalam produksi "bahan bakar" seluler yang disebut ATP (adenosin trifosfat). Dengan melewati "pintu putar" ini, ion hidrogen menyediakan energi yang dibutuhkan untuk mengisi ulang molekul ATP yang sudah digunakan. Molekul ATP adalah "baterai" seluler. Mereka menyediakan energi untuk reaksi di dalam sel.

Saat mengumpulkan gula, dibutuhkan satu molekul lagi. Ini disebut NADP (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate). Molekul NADP adalah “truk”, yang masing-masing mengantarkan atom hidrogen ke enzim molekul gula. Pembentukan NADP terjadi di kompleks PS I. Sedangkan fotosistem (PSII) memecah molekul air dan menciptakan ATP darinya, fotosistem (PS I) menyerap cahaya dan melepaskan elektron, yang nantinya diperlukan dalam pembentukan NADP. Molekul ATP dan NADP disimpan di stroma dan nantinya akan digunakan untuk membentuk gula.

Produk fase cahaya fotosintesis:

• oksigen
• NADP*H 2

Skema fase malam

Setelah fase terang, terjadi tahap gelap fotosintesis. Fase ini pertama kali ditemukan oleh Calvin. Selanjutnya penemuan ini disebut c3 - fotosintesis. Pada beberapa spesies tumbuhan, jenis fotosintesis diamati - c4.

Tidak ada gula yang dihasilkan selama fase cahaya fotosintesis. Saat terkena cahaya, hanya ATP dan NADP yang diproduksi. Enzim digunakan di stroma (ruang di luar tilakoid) untuk produksi gula. Kloroplas dapat dibandingkan dengan sebuah pabrik di mana tim (PS I dan PS II) di dalam tilakoid memproduksi truk dan baterai (NADP dan ATP) untuk kerja tim ketiga (enzim khusus) stroma.

Tim ini membentuk gula dengan menggabungkan atom hidrogen dan molekul karbon dioksida melalui reaksi kimia menggunakan enzim yang terletak di stroma. Ketiga tim bekerja pada siang hari, dan tim “gula” bekerja siang dan malam, hingga ATP dan NADP yang tersisa setelah shift siang habis.

Di stroma, banyak atom dan molekul digabungkan dengan bantuan enzim. Beberapa enzim adalah molekul protein yang memiliki bentuk khusus yang memungkinkannya mengambil atom atau molekul yang diperlukan untuk reaksi tertentu. Setelah koneksi terjadi, enzim dilepaskan molekul yang baru terbentuk, dan proses ini berulang terus menerus. Di dalam stroma, enzim menurunkan molekul gula yang telah mereka kumpulkan, mengatur ulang molekul tersebut, mengisinya dengan ATP, menambahkan karbon dioksida, menambahkan hidrogen, kemudian mengirimkan gula tiga karbon ke bagian lain sel di mana ia diubah menjadi glukosa dan berbagai zat lainnya.

Jadi, fase gelap ditandai dengan terbentuknya molekul glukosa. Dan karbohidrat disintesis dari glukosa.

Fase terang dan gelap fotosintesis (tabel)

Peran di alam

Apa pentingnya fotosintesis di alam? Kita dapat dengan aman mengatakan bahwa kehidupan di Bumi bergantung pada fotosintesis.

• Dengan bantuannya, tumbuhan menghasilkan oksigen, yang sangat diperlukan untuk respirasi.
• Selama bernafas, karbon dioksida dilepaskan. Jika tanaman tidak menyerapnya maka akan timbul efek rumah kaca di atmosfer. Dengan munculnya efek rumah kaca, iklim bisa berubah, gletser bisa mencair, dan akibatnya, banyak wilayah daratan bisa terendam banjir.
• Proses fotosintesis membantu bahan bakar semua makhluk hidup dan juga menyediakan bahan bakar bagi umat manusia.
• Berkat oksigen yang dilepaskan melalui fotosintesis dalam bentuk lapisan oksigen-ozon di atmosfer, semua makhluk hidup terlindungi dari radiasi ultraviolet.

Diimplementasikan proses fotosintesis pada daun tumbuhan. Fotosintesis hanya merupakan ciri tumbuhan hijau. Aspek terpenting dari aktivitas daun ini paling lengkap dicirikan oleh K. A. Timiryazev:

Dapat dikatakan bahwa kehidupan daun mengungkapkan hakikat kehidupan tumbuhan. Semua zat organik, betapapun beragamnya, di mana pun ditemukan - baik pada tumbuhan, hewan, atau manusia - melewati daun, berasal dari zat yang dihasilkan oleh daun.

Struktur daun tumbuhan

Daun tanaman Mereka dicirikan oleh keragaman yang besar dalam struktur anatominya, yang bergantung pada jenis tanaman dan kondisi pertumbuhannya. Daun ditutupi bagian atas dan bawah dengan epidermis - jaringan penutup dengan banyak bukaan yang disebut stomata. Di bawah epidermis atas terdapat palisade, atau parenkim kolumnar, yang disebut asimilasi. Di bawahnya terdapat jaringan yang lebih longgar - parenkim bunga karang, diikuti oleh epidermis bawah. Seluruh daun ditembus oleh jaringan pembuluh darah yang terdiri dari ikatan konduktif yang dilalui air, mineral dan zat organik. Penampang daun. Jaringan daun berbentuk kolumnar dan bunga karang mengandung plastida hijau - kloroplas yang mengandung pigmen. Kehadiran kloroplas dan pigmen hijau yang dikandungnya (klorofil) menjelaskan warna tumbuhan. Permukaan daunnya sangat besar, mencapai 30.000 - 50.000 meter persegi. m per 1 hektar pada tanaman yang berbeda, beradaptasi dengan baik untuk keberhasilan penyerapan CO 2 dari udara selama fotosintesis. Karbon dioksida menembus ke dalam daun tanaman melalui stomata yang terletak di epidermis, memasuki ruang antar sel dan menembus membran sel, memasuki sitoplasma, dan kemudian ke kloroplas, tempat berlangsungnya proses asimilasi. Oksigen yang terbentuk dalam proses ini berdifusi dari permukaan kloroplas dalam keadaan bebas. Jadi, melalui stomata, terjadi pertukaran gas antara daun dan lingkungan luar - pemasukan karbon dioksida dan pelepasan oksigen selama fotosintesis, pelepasan karbon dioksida dan penyerapan oksigen selama respirasi. Selain itu, stomata berfungsi mengeluarkan uap air. Meskipun luas total bukaan stomata hanya 1-2% dari seluruh permukaan daun, namun ketika stomata terbuka, karbon dioksida menembus ke dalam daun dengan kecepatan 50 kali lebih tinggi daripada penyerapannya oleh alkali. . Jumlah stomata sangat banyak - dari beberapa lusin hingga 1500 per 1 persegi. mm.

Kloroplas

Kloroplas- plastida hijau tempat terjadinya proses fotosintesis. Mereka terletak di sitoplasma. Pada tumbuhan tingkat tinggi, kloroplas berbentuk cakram atau lensa; pada tumbuhan tingkat rendah lebih beragam.
Kloroplas dalam sel tumbuhan hijau. Ukuran kloroplas pada tumbuhan tingkat tinggi cukup konstan, rata-rata 1-10 mikron. Biasanya sebuah sel mengandung kloroplas dalam jumlah besar, rata-rata 20-50, dan terkadang lebih. Mereka terletak terutama di daun, dan banyak ditemukan di buah mentah. Dalam suatu tumbuhan, jumlah kloroplas sangat banyak; pada pohon oak dewasa misalnya luasnya 2 hektar. Kloroplas memiliki struktur membran. Ini dipisahkan dari sitoplasma oleh membran membran ganda. Kloroplas mengandung lamela, pelat protein-lipoid, dikumpulkan dalam bundel dan disebut grana. Klorofil terletak di dalam lamela berupa lapisan monomolekul. Di antara lamela ada cairan protein encer - stroma; mengandung butiran pati dan tetesan minyak. Struktur kloroplas beradaptasi dengan baik terhadap fotosintesis, karena pembelahan alat pembawa klorofil menjadi pelat-pelat kecil secara signifikan meningkatkan permukaan aktif kloroplas, yang memfasilitasi akses energi dan transfernya ke sistem kimia yang terlibat dalam fotosintesis. Data dari A. A. Tabentsky menunjukkan bahwa kloroplas berubah sepanjang waktu selama entogenesis tanaman. Pada daun muda terdapat struktur kloroplas berbutir halus, sedangkan pada daun yang telah selesai pertumbuhan terdapat struktur berbutir kasar. Pada daun tua, pemecahan kloroplas sudah terlihat. Bahan kering kloroplas mengandung 20-45% protein, 20-40% lipoid, 10-12% karbohidrat dan zat cadangan lainnya, 10% unsur mineral, 5-10% pigmen hijau (klorofil A dan klorofil B), 1-2% karotenoid, serta sejumlah kecil RNA dan DNA. Kadar airnya mencapai 75%. Kloroplas mengandung sejumlah besar enzim hidrolitik dan redoks. Penelitian N. M. Sissakyan menunjukkan bahwa sintesis banyak enzim juga terjadi di kloroplas. Berkat ini, mereka mengambil bagian dalam seluruh proses kehidupan tanaman yang kompleks.

Pigmen, sifat dan kondisi pembentukannya

Pigmen dapat diekstraksi dari daun tanaman dengan alkohol atau aseton. Ekstraknya mengandung pigmen berikut: hijau - klorofil A dan klorofil B; kuning - karoten dan xantofil (karotenoid).

Klorofil

Klorofil mewakili

salah satu zat paling menarik di permukaan bumi

(C. Darwin), karena dimungkinkan untuk mensintesis zat organik dari CO 2 anorganik dan H 2 O. Klorofil tidak larut dalam air dan mudah berubah di bawah pengaruh garam, asam dan basa, sehingga sangat sulit untuk menetapkan komposisi kimianya. Etil alkohol atau aseton biasanya digunakan untuk mengekstrak klorofil. Klorofil memiliki rumus ringkasan sebagai berikut: klorofil A- C 55 H 72 O 5 N 4 Mg, klorofil B- C 55 H 70 O 6 N 4 Mg. Dalam klorofil A 2 lebih banyak atom hidrogen dan 1 atom oksigen lebih sedikit daripada klorofil B. Rumus klorofil dapat direpresentasikan sebagai berikut:
Rumus klorofil A Dan B. Tempat sentral dalam molekul klorofil ditempati oleh Mg; itu dapat digantikan dengan mengolah ekstrak alkohol klorofil dengan asam klorida. Pigmen hijau berubah menjadi coklat yang disebut pheophytin, dimana Mg digantikan oleh dua atom H dari asam klorida. Sangat mudah untuk mengembalikan warna hijau ekstrak dengan menambahkan magnesium atau logam lain ke molekul pheophytin. Oleh karena itu, warna hijau klorofil dikaitkan dengan adanya logam dalam komposisinya. Ketika ekstrak alkohol klorofil terkena alkali, gugus alkohol (fitol dan metil alkohol) dihilangkan; dalam hal ini, warna hijau klorofil dipertahankan, menunjukkan bahwa inti molekul klorofil dipertahankan selama reaksi ini. Komposisi kimia klorofil sama pada semua tumbuhan. Kandungan klorofil a selalu lebih besar (sekitar 3 kali lipat) dibandingkan klorofil b. Jumlah total klorofil kecil dan berjumlah sekitar 1% bahan kering daun. Berdasarkan sifat kimianya, klorofil dekat dengan zat pewarna dalam darah - hemoglobin, tempat sentral dalam molekulnya tidak ditempati oleh magnesium, tetapi oleh besi. Sesuai dengan ini, fungsi fisiologisnya juga berbeda: klorofil mengambil bagian dalam proses regeneratif terpenting pada tumbuhan - fotosintesis, dan hemoglobin - dalam proses respirasi organisme hewan, membawa oksigen.

Sifat optik pigmen

Klorofil menyerap energi matahari dan mengarahkannya ke reaksi kimia yang tidak dapat terjadi tanpa energi yang diterima dari luar. Larutan klorofil dalam cahaya yang ditransmisikan berwarna hijau, tetapi seiring bertambahnya ketebalan lapisan atau konsentrasi klorofil, larutan tersebut menjadi merah. Klorofil tidak menyerap cahaya sepenuhnya, tetapi selektif. Ketika cahaya putih dilewatkan melalui sebuah prisma, ia menghasilkan spektrum yang terdiri dari tujuh warna tampak, yang secara bertahap berubah menjadi satu sama lain. Ketika cahaya putih dilewatkan melalui prisma dan larutan klorofil, penyerapan paling kuat dalam spektrum yang dihasilkan akan terjadi pada sinar merah dan biru-ungu. Sinar hijau sedikit diserap, oleh karena itu, pada lapisan tipis, klorofil memiliki warna hijau pada cahaya yang ditransmisikan. Namun, dengan meningkatnya konsentrasi klorofil, pita serapan melebar (sebagian besar sinar hijau juga diserap) dan hanya sebagian sinar merah ekstrim yang melewatinya tanpa serapan. Spektrum serapan klorofil A Dan B sangat dekat. Dalam cahaya yang dipantulkan, klorofil tampak berwarna merah ceri karena ia memancarkan cahaya yang diserap dengan perubahan panjang gelombangnya. Sifat klorofil ini disebut fluoresensi.

Karoten dan xantofil

Karoten dan xantofil memiliki pita serapan hanya pada sinar biru dan ungu. Spektrum mereka dekat satu sama lain.
Spektrum serapan klorofil A Dan B. Energi yang diserap oleh pigmen ini ditransfer ke klorofil A, yang merupakan peserta langsung dalam fotosintesis. Karoten dianggap provitamin A, karena pemecahannya menghasilkan 2 molekul vitamin A. Rumus karoten adalah C 40 H 56, xantofil adalah C 40 H 54 (OH) 2.

Syarat terbentuknya klorofil

Pembentukan klorofil dilakukan dalam 2 fase: fase pertama gelap, di mana prekursor klorofil, protoklorofil, terbentuk, dan fase kedua terang, di mana klorofil terbentuk dari protoklorofil dalam cahaya. Pembentukan klorofil bergantung pada jenis tanaman dan sejumlah kondisi eksternal. Beberapa tanaman, seperti bibit jenis konifera, dapat berubah menjadi hijau bahkan tanpa cahaya, dalam gelap, tetapi pada sebagian besar tanaman, klorofil terbentuk dari protoklorofil hanya dalam cahaya. Dengan tidak adanya cahaya, diperoleh tanaman etiolasi yang memiliki batang tipis, lemah, sangat memanjang dan daun kuning pucat yang sangat kecil. Jika tanaman etiolasi terkena cahaya, daun akan cepat berubah menjadi hijau. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa daunnya sudah mengandung protoklorofil, yang jika terkena cahaya mudah diubah menjadi klorofil. Suhu mempunyai pengaruh yang besar terhadap pembentukan klorofil; Di musim semi yang dingin, daun beberapa semak tidak berubah menjadi hijau sampai cuaca hangat tiba: ketika suhu turun, pembentukan protoklorofil ditekan. Suhu minimum di mana pembentukan klorofil dimulai adalah 2°, suhu maksimum di mana pembentukan klorofil tidak terjadi adalah 40°. Selain suhu tertentu, pembentukan klorofil memerlukan unsur nutrisi mineral terutama zat besi. Jika tidak ada, tanaman akan mengalami penyakit yang disebut klorosis. Rupanya, besi merupakan katalis dalam sintesis protoklorofil, karena besi bukan bagian dari molekul klorofil. Pembentukan klorofil juga membutuhkan nitrogen dan magnesium yang merupakan bagian dari molekulnya. Kondisi penting adalah adanya sel-sel daun plastida yang mampu menghijau. Jika tidak ada, daun tanaman tetap putih, tanaman tidak mampu melakukan fotosintesis dan hanya dapat hidup sampai cadangan bijinya habis. Fenomena ini disebut albinisme. Hal ini terkait dengan perubahan sifat keturunan suatu tanaman.

Hubungan kuantitatif antara klorofil dan karbon dioksida yang dapat diasimilasi

Dengan konten yang lebih tinggi klorofil Pada tumbuhan, proses fotosintesis dimulai pada intensitas cahaya yang lebih rendah dan bahkan pada suhu yang lebih rendah. Dengan meningkatnya kandungan klorofil pada daun maka fotosintesis meningkat, namun sampai batas tertentu. Akibatnya, tidak ada hubungan langsung antara kandungan klorofil dan intensitas penyerapan CO2. Jumlah CO2 yang diasimilasi oleh daun per jam, dihitung per unit klorofil yang terkandung dalam daun, semakin tinggi, semakin sedikit klorofilnya. R. Willstetter dan A. Stohl mengusulkan unit yang mencirikan hubungan antara jumlah klorofil dan karbon dioksida yang diserap. Mereka menyebut jumlah karbon dioksida yang terurai per satuan waktu per satuan berat klorofil nomor asimilasi. Angka asimilasinya tidak konstan: semakin tinggi bila kandungan klorofilnya rendah dan semakin rendah bila kandungan klorofilnya tinggi. Akibatnya, molekul klorofil digunakan lebih produktif ketika kandungannya di dalam daun rendah, dan produktivitas klorofil menurun seiring dengan bertambahnya jumlahnya. Data dimasukkan ke dalam tabel.

Tabel Nomor asimilasi tergantung pada kandungan klorofil (menurut R. Willstetter dan A. Stohl)

Tanaman	pada 10 daun (mg)	Nomor asimilasi
ras hijau ras kuning	16,2 1,2	6,9 82,0
Ungu	16,2	5,8
Tauge yang mengalami etiolasi setelah penyalaan selama : 6 jam 4 hari

Tabel yang dipublikasikan menunjukkan bahwa tidak ada hubungan langsung antara kandungan klorofil dan jumlah CO2 yang diserap. Klorofil pada tumbuhan selalu ditemukan berlebih dan tentunya tidak semuanya terlibat dalam fotosintesis. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa selama fotosintesis, bersama dengan proses fotokimia yang dilakukan dengan partisipasi klorofil, terdapat proses kimia murni yang tidak memerlukan cahaya. Reaksi gelap pada tumbuhan berlangsung jauh lebih lambat dibandingkan reaksi terang. Kecepatan reaksi terang 0,00001 detik, reaksi gelap 0,04 detik. Reaksi gelap pada proses fotosintesis pertama kali ditemukan oleh F. Blackman. Ia menemukan bahwa reaksi gelap bergantung pada suhu, dan seiring peningkatannya, laju proses gelap meningkat. Durasi reaksi terang dapat diabaikan, sehingga laju fotosintesis terutama ditentukan oleh durasi proses gelap. Kadang-kadang, dalam kondisi yang mendukung fotosintesis (klorofil dan cahaya cukup), proses berlangsung lambat. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa produk yang terbentuk selama reaksi fotokimia tidak mempunyai waktu untuk diproses selama reaksi gelap. Sejumlah kecil klorofil memungkinkan semua produk yang terbentuk dalam reaksi fotokimia diproses dengan cepat dan sempurna selama reaksi gelap.