Cahaya matahari adalah sumber energi dari semua mahluk hidup di bumi, Radiasi matahari yang sampai kebumi hanya sebagaian kecil dari spektrum elektromagnit. Panjang gelombang cahaya matahari yang sampai ke bumi berkisar antara 310 sampai 2300 nm (1 nm = 0,0001 mikron) yang terdiri sinar ultraviolet – infra merah. Dari sedikit radiasi matahari yang sampai ke bumi, ternyata terdapat suatu pigmen klorofil pada tumbuhan yang mampu memanfaatkannya untuk kelangsungan kehidupan di bumi ini.
Sinar ultraviolet dengan panjang gelombang 225 nm yang merupakan foton berenergi tinggi serta berbahaya bagi banyak kehidupan, dihalangi oleh lapisan ozon pada atmosfis paling atas. Sedang sinar dengan panjang gelombang 2500 nm ke atas diserap oleh uap air dan CO2 di atmosfis. Sehingga sinar yang sampai ke bumi hanya sebagian kecil saja yaitu beberapa spektrum mulai dari infra merah yang tidak terlihat mata, merah, jingga, kuning, biru, nila, ungu, dengan pajang gelombang antara 750 – 400 nm, dan ultra ungu yang juga tidak dapat dilihat mata.
Cahaya mempunyai dua sifat yaitu sifat gelombang, dan sifat partikel. Sifat partikel cahaya dinyatakan terdapat dalam proton atau kuanta, yaitu suatu paket energi yang mempunyai ciri tersendiri, dengan panjang gelombang tertentu. Energi dalam setia foton berbanding terbalik dengan panjang gelombangnya. Artinya cahaya ungu dan biru mempunyai energi foton yang lebih tinggi dari cahaya jingga dan merah.
Suatu prinsip mendasar dari absorbsi cahaya disebut hukum Stark. Einstein yang menyatakan bahwa setiap molekul setiap kali hanya dapat menyerap satu foton, dan foton ini menyebabkan tereksitasinya hanya satu elektron. Elektron yang ada dalam keadaan dasar (ground state) bila tereksitasi akan pindah menjauhi keadaan dasarnya yang ada pada orbit tertentu, ke orbit baru yang jaraknya lebih jauh dengan jarak sesuai dengan energi foton yang diabsobsinya. Proses ini dikenal dengan fotoeksitasi.
Sebuah elektron yang tereksitasi yang memiliki energi tinggi merupakan elektron yang bernada dalam keadaan tidak stabil dan memilki kecendrungan untuk kembali secepatnya (dalam waktu seperkian detik) ke orbit asalnya sambil melepaskan energi eksitasinya sewaktu kembali pada keadaan tenangnya (ground state).
Jika sebuah molekul klorofil menyerap energi cahaya selama fotosintesis elektronnya akan tereksitasi sehingga terlepas dari molekul klorofil, membuat molekul klorofil bermuatan positif (Klp → Klp+ + e-). Elektron yang kaya energi ini langsung ditangkap oleh akseptor elektron yang mengandung besi yang disebut feredoksin yang karenanya menjadi tereduksi, sebagai awal adanya konversi energi cahaya menjadi energi kimia.
Energi eksitasi yang diinduksi dalam suatu molekul atau atom oleh suatu foton dapat hilang/ lepas menurut tiga cara, yaitu:
1. energi tersebut lepas sebgai panas/kalor;
2. energi tersebut sebagian lepas sebagai panas, sisanya sebagai cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang dari panjang gelombang cahaya yang diabsorbsi, yang disebut fluororesensi; dan
3. energi tersebut digunakan untuk suatu reaksi kimia seperti yang diuraikan diatas (dengan ferodoksin dst).
Fotosintesis adalah hasil dari proses reaksi kimia dari energi eksitasi tersebut. Energi eksitasi dari berbagai pigmen fotosintesis dipindahkan ke pigmen pengumpul energi yang disebut pusat reaksi secara resonansi induktif. Artinya energi dalam pigmen tereksitasi (I) dipindahkan kepigmen sebelahnya (II), dari sini ke pigmen sebelahnya lagi (III) dst-nya, hingga akhirnya sampai kepusat reaksi.
Pigmen fotosintesis pada tumbuhan tinggi yang banyak terdiri dari klorofil a, b dan karotenoid yang terdiri dari β karoten dan lutein, mempunyai kemampuan mengabsorbsi cahaya yang berbeda. Klorofil a dan b sangat kuat menyerap sinar violet dan biru serta orange dan merah. Sangat sedikit menyerap sinar hijau dan kuning hijau. Sinar hijau lebih banyak direfleksikan atau di transmisikan, sehingga klorofil tampak berwarna hijau.
Sedangkan pigmen β karoten dan lutein banyak mengabsorbsi sinar biru dan violet. Sinar hijau kuning, lembayung dan merah direfleksikan/ ditransmisikan, sehingga warnanya nampak kuning sebagai kombinasi warna-warna refleksi tersebut. Jika kita bandingkan pengaruh berbagai panjang gelombang (jenis sinar) dengan laju fotosintesis didapat ”spectrum action” atau spektrum aksi yang cocok dengan spektrum absobsi setiap pigmen yang berpartisipasi.
