Cahaya Fotosintesis

Adinda Kurnia Putri C251170041

CAHAYA DAN FOTOSINTESIS

Pada kesempatan ini akan dibahas mengenai hubungan antara fotosintesis dengan intensitas cahaya serta pendugaan jumlah total fotosintesis di suatu perairan. Berkaitan dengan hal tersebut, kita harus menyimak kembali Hukum Beer Lambert, efek cahaya terhadap fotosintesis, dan geometri perairan, kemudian dilakukan pendekatan dengan suatu model matematis. Sebagai contoh penghitungan, akan disajikan data untuk menentukan jumlah total fotosintesis dari dua perairan yang memiliki kondisi sangat berbeda, yaitu Danau Limboto yang dalam dan jernih serta Danau Tempe yang dangkal dan keruh.

Bagaimana cahaya bisa mempengaruhi laju fotosintesis? Kita memahami bahwa cahaya diperlukan untuk fotosintesis, tetapi bagaimanakah hubungan kuantitatif yang tepat antara keberadaan cahaya dengan laju fotosintesis?

A. Membuat kurva hubungan antara cahaya dengan laju fotosintesis

Perhatikan bahwa kita dihadapkan dengan sumbu X dan Y untuk membuat plot grafik hubungan antara keberadaan cahaya dengan laju fotosintesis. Kita bisa membuat beberapa kurva yang mungkin menggabarkan hubungan antara efek cahaya terhadap laju fotosintesis. Berkaitan dengan hal tersebut, terdapat beberapa pertanyaan yang dapat didiskusikan sebagai berikut.

1. Komponen apakah yang merupakan variabel tidak bebas? Apakah yang merupakan komponen sebab (causal agent)? Tempatkan pada sumbu X, sertakan satuannya.

2. Komponen apakah yang merupakan variabel bebas? Apakah yang merupakan akibat (effect)? Tempatkan pada sumbu Y, sertakan satuannya.

3. Berkaitan dengan bentuk kurva laju fotosintesis yang mungkin muncul: a. Jika tanpa cahaya, adakah lajunya?

 Tidak ada

b. Jika intensitas cahaya sangat, sangat tinggi, apakah laju fotosintesis masih berjalan?

 Intensitas cahaya matahari yang tinggi akan menyebabkan fotosintesis terhambat sebab fotosintesis merupakan proses yang membutuhkan enzim. Ketika cahaya sangat tinggi maka suhu akan meningkat dan menyebabkan enzim terdenaturasi sehingga fotosintesis menjadi tidak optimal.

c. Jika kondisi cahaya berawal dari 0,0 kemudian berangsur meningkat ke intensitas sedang, bagaimana peningkatan laju fotosintesis yang terjadi? Pada dasarnya akan muncul 4 pilihan, yaitu: apakah laju fotosintesis meningkat perlahan di awal,

kemudian menurun perlahan? Apakah meningkat perlahan, tapi tidak pernah turun? Apakah akan meningkat tajam, kemudian menurun perlahan? Ataukah akan meningkat tajam dan tak pernah menurun?

 Fotosintesis akan meningkat tajam sesuai dengan peningkatan suhu dan akan berhenti di titik maksimumnya dan akan berjalan konstan sampai akhirnya turun secara perlahan

4. Buatkah kurva yang paling tepat.

B. Membuat persamaan

Berdasarkan kurva yang paling tepat tersebut, yaitu yang menggambarkan bahwa terjadi peningkatan laju fotosintesis seiring dengan peningkatan intensitas cahaya hingga mencapai nilai maksimum, kemudian semakin mendatar meskipun terus terjadi peningkatan intensitas cahaya. Bagaimanakah persamaan dari kurva demikian? Sebelumnya, dimisalkan bahwa titik potong antara garis kurva maksimum yang sejajar dengan sumbu X dengan sumbu Y adalah nilai dugaan dari laju fotosintesis maksimum. Nilai maksimum tersebut diberi notasi Omaks (kita anggap sebagai hasil fotosintesis maksimum).

Kita mengharapkan persamaan yang mendekati bentuk kurva, yang dapat berlaku untuk semua nilai Omaks. Jika suatu persamaan dapat diterapkan untuk nilai Omaks = 1,0; maka kita tinggal mengalikan persamaan tersebut dengan suatu konstanta dan persamaan akan dapat diterapkan pada berbagai data.

Dengan demikian, langkah pertama adalah memperhatikan perbedaan antara garis horisontal y = 1,0 dengan lengkungan pada kurva fotosintesis. Perbedaan antara keduanya akan mendekati nol dengan semakin meningkatnya intensitas cahaya.

Rumus seperti apakah yang menggambarkan perbedaan atau selisih tersebut? Perbedaan antara y dan 1,0 merupakan suatu fungsi eksponensial yang menurun (seperti Hukum Beer-Lambert). Perbedaan antara laju fotosintesis maksimum dengan sebarang nilai pada sumbu x akan besar ketika nilai x rendah, dan perbedaan akan kecil pada saat nilai x besar. Pernyataan matematika dari hal tersebut adalah:

MAKSIMUM – y = EKSPONENSIAL NEGATIF atau,

1,0 – y = e-bx atau,

y = 1,0 - e-bx

yang menggambarkan kurva melengkung. Berdasarkan rumus terakhir tersebut, nilai b adalah koefisien kemiringan (koefisien bentuk empiris). Bila nilai b besar, maka kurva akan curam; bila nilai b kecil, maka kurva akan landai.

Mini-quiz 1: untuk memastikan bahwa persamaan tersebut benar; substitusikan x = 0, berapakah nilai y? Jawab: 0

ketika x mendekati tak hingga, maka e-bx _{akan bernilai 0 sehingga y ≈ 1}

Langkah terakhir untuk mendapatkan persamaan yang tepat adalah membuat skala y yang memiliki satuan fotosintesis (mLO2/vol/waktu) dan bahwa pada intensitas cahaya yang sangat tinggi diperoleh nilai fotosintesis maksimum sesungguhnya (bukan 1,0). Untuk mencapai tahap ini, kita harus mengalikan persamaan (fungsi) kita dengan Omaks, sehingga diperoleh model akhir (persamaan) laju fotosintesis menjadi:

O = 1-e-bL _{* O} maks

dengan O adalah fotosintesis dalam satuan volume oksigen, L adalah intensitas cahaya, dan b koefisien bentuk empiris. (Perhatikan bahwa L adalah notasi untuk cahaya, bukan I).

C. Menduga nilai b

Kita telah memiliki persamaan laju fotosintesis. Diasumsikan bahwa nilai Omaks diketahui. Persamaan ditransformasi untuk mendapatkan bentuk linear sehingga kita akan lebih mudah menentukan nilai b.

Beberapa langkah untuk melinearkan persamaan: 1. Apa yang kita ketahui? Persamaan fotosintesis

2. Apa yang tidak diketahui? Parameter b, yang dalam persamaan berada di atas “e” 3. Permasalahan yang dihadapi hampir sama dengan rumus dalam Hukumm Beer;Lambert,

4. Kita gunakan logika yang sama dengan ketika menentukan konstanta pada persamaan Beer-Lambert, yaitu dengangan menempatkan logaritma untuk mendapatkan suatu garis lurus sehingga kita dapat menduga kemiringannya. Berikut ini adalah tahap yang dilakukan:

a. Pisahkan e-bL _{di ruas kiri persamaan.} O = 1-e-bL _{* O} maks 1-e-bL _{* Omax = O} - e-bL _{= -1+} 𝑂 𝑂𝑚𝑎𝑥 e-bL _{= 1 −} 𝑂 𝑂𝑚𝑎𝑥 e-bL ₌ 𝑂𝑚𝑎𝑥 𝑂𝑚𝑎𝑥− 𝑂 𝑂𝑚𝑎𝑥 e-bL ₌ 𝑂𝑚𝑎𝑥−𝑂 𝑂𝑚𝑎𝑥 𝑒−𝑏𝐿_{𝑥 𝑂} 𝑚𝑎𝑥 = 𝑂𝑚𝑎𝑥− 𝑂

b. Selanjutnya, tempatkan Ln di kedua ruas persamaan

(𝑒−𝑏𝐿𝑥 𝑂𝑚𝑎𝑥) = (𝑂𝑚𝑎𝑥− 𝑂)

-bL = 𝐿𝑛 𝑂𝑚𝑎𝑥−𝑂

𝑂𝑚𝑎𝑥

c. Terakhir, diterapkan hukum logaritma atural: −𝑏𝐿 = 𝐿𝑛 (𝑂𝑚𝑎𝑥− 𝑂) − ln (𝑂𝑚𝑎𝑥)

d. - Kemudian persamaan diatur untuk mendapatkan persamaan garis lurus yang umum:

𝐿𝑛 (𝑂𝑚𝑎𝑥− 𝑂) = ln(𝑂𝑚𝑎𝑥) + −𝑏𝐿

Keterangan :

Y (Variabel Terikat) : ln(Omaks - O) X (Variabel bebas) : L

Slope : -b

Intercept : ln(𝑂𝑚𝑎𝑥)

Berdasarkan persamaan tersebut, ln(Omaks - O) adalah variabel bebas, ln(Omaks) adalah intersep, L adalah variabel tidak bebas, dan -b adalah kemiringan garis. Sayangnya, Omaks muncul di kedua ruas persamaan, dan persamaan tersebut sudah tidak dapat diringkas lebih lanjut. Dengan demikian, untuk membuat plot data sehingga diperoleh nilai b sebagai nilai kemiringan garis, kita memerlukan nilai dugaan tidak bebas dari Omaks tersebut.

Sebagai contoh, Tabel 1 menggambarkan data fotosintesis yang kita miliki. Apabila ditetapkan nilai dugaan Omaks = 20,0; berapakah nilai b (nilai kemiringan dari garis lirus yang terbentuk dari plot

antara nilai ln(Omaks x - O) (variabel bebas yang ditransformasi) terhadap nilaivariabel tidak bebas (intensitas cahaya, L)).

Tabel 1. Data intensitas cahaya dan hasil fotosintesis yang terukur.

Light Intensity Oxygen Volume ln(20,0 - O) (indep var) (measured) (depend var)

0 0 2,9957 2 11,01 2,1961 4 15,96 1,3962 6 18,19 0,5933 8 19,18 -0,1985 10 19,63 -0,9943 12 19,84 -1,8326 14 19,93 -2,6593 16 19,97 -3,5066 18 19,99 -4,6052 20 19,99 -4,6052

Dengan nilai Omaks = 20,0, diperoleh nilai kemiringan garis, -b = 0,4002.; sehingga b =- 0,4002

D. Penentuan fotosintesis total di seluruh perairan. Kita simak lagi beberapa hal, bahwa:

1. Kita memiliki persamaan untuk menentukan tingkat peredupan cahaya dalam air 2. Kita memiliki persamaan pengaruh cahaya terhadap fotosintesis

Selanjutnya, kita harus menyatukannya untuk menduga jumlah fotosintesis total dalam seluruh perairan. Kita asumsikan bahwa perairan memiliki bentuk persegi panjang dengan lebar W, panjang L, dan kedalaman D.

Kedua persamaan tersebut dikombinasikan sebagai berikut. Misal, perairan memiliki sisi vertikal, sebagai kedalaman, yaitu 10 m. Luas perairan adalah 1000 m2_{. Kemudian kita ukur intensitas} cahaya pada tiap titik pengukuran secara vertikal (sesuai dengan Tabel pada modul tentang koefien peredupan). Hasil penghitungan berdasarkan Hukum Beer-Lambert diperoleh nilai koefisien a = 0,5. Misal intensitas permukaan adalah L0 = 60 µmol/m2_{/sec, b = 0,4, dan O}

maks 0,5 mL O2/tabung/15 menit. Kita ingin mengetahui berapa besar fotosintesis yang terjadi dalam satu jam di seluruh perairan. Tahap penghitungan:

1. Kita gunakan persamaan Beer-Lambert serta angka-angka yang telah diketahui. 𝐼(𝑧) = 𝐼₀x (e-0.5z)

2. Selanjutnya, dengan memperhatikan posisi di dalam kolom air untuk keperluan penghitungan, persamaan fotosintesis menjadi:

O = 1-e

-bL

* O

maks

dengan O(z) adalah laju fotosintesis pada kedalaman z, and L(z) adalah intensitas cahaya pada kedalaman z

3. Kita akan membagi perairan ke dalam 1000 kolom air yang masing-masing memiliki luas permukaan 1 m2_{. Setiap kolom dibagi lagi menjadi 10 segmen berukuran 1 meter, terkait} dengan interval kedalaman 1 m. Terhadap setiap segmen akan dilakukan penghitungan fotosintesis per jam, yang nilainya akan bervariasi Anta rkedalaman karena terjadinya penurunan intensitas cahaya seiring dengan meningkatnya kedalaman perairan. Di sini akan diperoleh nilai fotosintesis untuk volume 1 m3_{. Kemudian kita gabungkan nilai dari seluruh} segmen sehingga diperoleh nilai fotosintesis total satu kolom. Selanjutnya kita gabungkan nilai fotosintesis dari semua kolom untuk mendapatkan nilai fotosintesis total seluruh perairan.

Secara ringkas, tahapan yang harus dilakukan adalah sebagai berikut. a. Dihitung L pada tiap kedalaman dalam satu kolom

b. Dihitung O(z) pada tiap kedalaman dalam satu kolom setelah dikonversi menjadi m3 (dengan asumsi, volume tabung adalah 20 mL) dan 1 jam (dikonversi dari waktu inkubasi 15 menit)

c. Dijumlahkan O(z) dari tiap segmen untuk mendapatkan nilai kolom total d. Nilai tersebut dikalikan dengan luas area

Gunakan rumus berikut: Omaks

m3_·jam =

Omaks obs

vol tabung· durasi percobaan · Vol tabung liter · liter m3 · durasi percobaan jam Omaks m3_·jam = 0,5

vol tabung· durasi percobaan · 50 liter · 1000 m3 · 4 jam

Setelah dimasukkan angka-angkanya, diperoleh: 𝐼(𝑧) = 60 x (e-0.5z)

Omax = 100000 ml/m3/jam dengan:

Oksigen maksimum observasi/tabung/15 menit = 0,5 Volume tabung per liter = 1000/20 = 50

Liter per meter kubik = 1000

Periode percobaan per jam = 60/15 = 4

Berikut adalah penghitungan untuk satu kolom air per luas permukaan 1 m2_. Depth (m) Light Photosynthesis

(ml O2/m3/hr) 0 60.00 100000.00 1 36.39 99999.95 2 22.07 99985.36 3 13.39 99527.61 4 8.12 96115.00 5 4.93 86054.87 6 2.99 69726.26 7 1.81 51554.81 8 1.10 35569.00 9 0.67 23403.28

Dengan demikian, pada satu kolom air dengan luas permukaan 1 m2 _{terdapat hasil} fotosintesis total sebesar 761936,14 ml O2/m2/jam.

Karena luas perairan yang dimaksud adalah 1.000 m2_{, maka laju fotosintesis seluruh} perairan tersebut adalah 761936140 ml O2/jam.

Mini-quiz: Dari manakah diperolehnya nilai 86054.87?

O(5) = 100000 x (1 - e[-0,4. x 4.93]₎ = 86054.87