Fisika Kuantum pada Fotosintesis

Berikut ini adalah saduran saya dari artikel situs BBC yang berjudul Organisms might be quantum machines. Karena artikel asli panjang, versi saduran ini saya bagi menjadi tiga bagian. Bagian pertama adalah Fisika Kuantum pada Fotosintesis. Bagian kedua adalah Fisika Kuantum pada Migrasi Burung. Dan, bagian ketiga adalah Fisika Kuantum pada Penciuman.

Saduran bagian pertama di mulai dari sini.

Sedikit di antara kita yang paham dunia aneh fisika kuantum — tapi tubuh kita boleh telah memanfaatkan sifat-sifat kuantum untuk dapat bekerja dengan benar.

Oleh Martha Henriques, 18 Juli 2016

Proses fotosintesis terlihat terlalu mudah jika ditinjau dari fisik klasik. Dapatkah fisika kuantum menjelaskan dengan utuh?

Jika ada pokok pembicaraan yang secara sempurna memberi argumen bahwa sains memang sulit dipahami, pokok pembicaraan itu adalah fisika kuantum. Para ilmuwan menjelaskan kepada kita bahwa penghuni ranah kuantum berperilaku yang tidak dapat dicerna akal sehat kita: mereka dapat hadir di dua tempat bersamaan, atau mereka menghilang dari suatu tempat dan muncul di tempat lain seketika itu juga.

Satu hal yang patut kita syukuri adalah perilaku-perilaku aneh di ranah kuantum ini sepertinya tidak berdampak berarti di dunia makroskoopik. Dunia makroskoopik adalah dunia kasat mata yang kita kenal sehari-hari, dunia yang kita pahami diatur oleh fisik “klasik”.

Setidak-tidaknya itulah yang diyakini para ilmuwan sampai beberapa tahun yang lalu.

Keyakinan yang memberi kita ketenangan ini sekarang mulai goyah. Tidak seperti keyakinan kita sebelumnya, proses-proses kuantum mungkin terjadi pada dunia kasat mata kita. Proses-proses kuantum dapat jadi sedang bekerja pada sejumlah proses yang sangat akrab dengan keseharian kita, dari fotosintesis yang menghidupkan tumbuhan – yang akhirnya menghidupkan kita juga — sampai pada penglihatan burung yang membantu mereka saat musim migrasi. Fisika kuantum mungkin berperan juga pada indra penciuman kita.

Namun, yang mungkin sesungguhnya terjadi adalah alam ini memanfaatkan efek-efek kuantum untuk membuat kehidupan bekerja lebih baik dan membuat badan kita menjadi mesin yang lebih halus. Bahkan sangat mungkin bahwa kita dapat melakukan lebih banyak dengan bantuan dunia kuantum yang aneh itu.

Fotosintesis contohnya. Sekilas, proses fotosintesis terlihat sangat sederhana. Makhluk hidup yang memiliki zat klorofil, seperti tumbuhan hijau, alga hijau, dan sejumlah bakteri, mampu melakukan fotosintesis. Mereka menangkap sinar matahari dan gas karbon dioksida (CO2) dan mengubahnya menjadi energi. Apa yang mengganjal di benak para biologis adalah para makhluk hidup itu membuat proses fotosintesis ini terlihat begitu mudah.

Ada satu tahap fotosintesis yang membingungkan para ilmuan. Sebuah foton — yaitu partikel cahaya — setelah menempuh perjalanan beratus juta kilometer di luar angkasa sana, menabrak sebuah elektron yang berada di dalam sebuah daun yang terletak di dekat jendela kita. Elektron tersebut seperti ditendang oleh foton sehingga akan mendapatkan tambahan energi (disebut elektron tereksitasi). Tambahan energi ini membuat elektron bergerak kesana-kemari seperti bola pada permainan pinball. Elektron tereksitasi itu akan mencari jalan sendiri untuk mencapai sebuah bagian kecil dari sel daun dan memindahkan kelebihan energinya tersebut pada molekul klorofil. Klorofil ini seperti “agen penukar uang” yang akan mengubah kelebihan energi dari elektron tersebut menjadi bahan bakar yang memberi tenaga pada tumbuhan tersebut untuk melanjutkan aktivitas hidupnya.

Masalahnya adalah sebagai berikut. Bola pada permainan pinball ini bekerja terlalu mulus sehingga mencurigakan. Menurut fisika klasik, elektron tereksitasi butuh waktu lama untuk sampai pada “agen penukar uang” tadi. Kenyataannya tidak demikian, elektron dapat sampai pada agen tersebut dengan sangat cepat.

Dan yang lebih mencengangkan adalah kelebihan energi yang dibawa elektron tersebut nyaris tidak berkurang sampai dia mencapai klorofil. Fisika klasik memprediksi harus ada sejumlah energi yang hilang akibat pergerakan elektron tersebut. Tapi semua prediksi fisika klasik tidak terjadi, proses fotosintesis terjadi begitu cepat, begitu mulus, dan begitu efisien. Proses seperti ini terlalu bagus untuk terjadi.

Pada tahun 2007 para peneliti fotosintesis mulai melihat cahaya ( Bukti transfer energi seperti-gelombang melalui koherensi kuantum pada sistem fotosintetik ). Mereka mendapatkan tanda-tanda efek kuantum pada pusat molekul fotosintesis. Perilaku elektron yg mereka amati menunjukkan indikasi bahwa efek kuantum berperan penting pada proses biologi.

Ini mungkin menjawab sebagian pertanyaan bagaimana elektron tereksitasi dapat melewati mesin pinball fotosintesis demikian cepat dan efisien. Salah satu efek kuantum adalah kemampuan untuk berada pada banyak tempat pada waktu bersamaan — disebut sebagai superposisi kuantum. Efek inilah yang memungkinkan elektron untuk dapat menjajaki banyak lintasan di dalam mesin pinball fotosintesis tersebut dengan waktu yang sangat singkat. Jika demikian, tidak heran elektron tereksitasi dapat mencapai tujuan dengan lintasan tersingkat dan terefisien. Tersingkat berarti jarak tempuhnya dapat ditempuh dengan waktu yang pendek. Terefisien berarti elektron tereksitasi tersebut tidak perlu bergerak terlalu banyak sehingga energinya dapat dihemat.

Fisika kuantum mungkin dapat menjelaskan kenapa secara misterius fotosintesis terjadi dengan efisien yang sangat tinggi, sebuah fakta yang mengagetkan bagi para biologis.

“Saya pikir ini saatnya orang-orang mulai berpikir bahwa sesuatu yang sangat menarik sedang terjadi,” ujar Susana Huelga, seorang fisikawan kuantum di Ulm University, Jerman.

Fenomena kuantum seperti superposisi ini sebelumnya telah diamati di bawah kondisi yang sangat terkontrol. Biasanya untuk mengamati fenomena kuantum ini, kita dapat melakukan eksperimen dengan metode menurunkan temperatur material serendah-rendahnya sampai aktivitas atom yang dapat menyembunyikan fenomena kuantum berhenti. Bahkan ketika sudah mencapai temperatur rendah pun, kita masih harus mengisolasi material itu dalam keadaan vakum. Alat ukur yang dipakai pun harus sangat sensitif karena perilaku kuantum sangat halus.

Sel-sel hidup yang berada dilingkungan yang aktif, hangat, dan basah adalah tempat yang paling tidak kita harapkan untuk melihat kejadian-kejadian kuantum. “Justru tidak, di lingkungan seperti itu pun perilaku-perilaku kuantum masih dapat kita amati,” kata Huelga.

Tentu saja, hanya karena perilaku-perilaku kuantum muncul pada tempat yang tidak disangka di dalam sel makhluk hidup, tidak berarti perilaku-perilaku tersebut selalu berperan penting. Memang ada sejumlah teori yang membutuhkan perilaku kuantum untuk memercepat proses fotosintesis, tapi hubungan antara perilaku kuantum ini dan fungsi biologis dari sel masih belum diketahui, kata Huelga.

“Langkah berikutnya adalah kita harus memiliki hasil-hasil kuantitatif yang menyatakan bahwa mesin biologis ini efisien karena fenomena kuantum.”

Efek-efek kuantum dalam dunia biologi bukan hanya terdapat pada tumbuhan atau makhluk hidup lain yang mengubah matahari menjadi sumber tenaga. Efek-efek kuantum juga menjawab sebuah teka-teki ilmiah yang telah membingungkan ilmuwan semenjak abad ke-19: bagaimana burung-burung tidak tersesat saat melakukan migrasi.

(Penasaran? Bersambung…)

Author: febdian RUSYDI

a physicists, a faculty, a blogger.

3 thoughts on “Fisika Kuantum pada Fotosintesis”

Leave a Reply