Fisika Kuantum pada Penciuman

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 ketiga di mulai dari sini.

Ada satu bidang yang sepertinya sangat nyata untuk mendemonstrasikan realita kuantum di dunia biologi: indra penciuman.

Kenapa hidung kita dapat mengenali bau?

Bagaimana hidung kita mampu membedakan dan mengenali berbagai macam bau masih misteri berdasarkan teori konvensional indra penciuman. Belum ada yang benar-benar tahu apa yang terjadi ketika sebuah molekul bau masuk ke lubang hidung. Entah bagaimana ceritanya, sang molekul berinteraksi dengan sebuah sensor — disebut sebuah reseptor molekular — yang sudah ada di bagian dalam kulit hidung kita.

Sebuah hidung manusia yang terlatih dapat membedakan ribuan macam bau. Namun, bagaimana informasi bau ini dibawa dalam bentuk molekul bau masih belum diketahui. Banyak molekul yang memiliki bentuk identik, yang ketika satu atau dua atomnya diubah posisinya, memiliki bau yang berbeda. Molekul vanillin berbau vanila, tapi molekul eugenol berbau cengkih. Sejumlah molekul yang geometrinya adalah cerminan dari molekul yang lain — seperti tangan kanan dan kiri kita — juga memiliki bau berbeda.



Molekul vanillin (atas) dan eugenol (bawah).

Luca Turin, seorang kimiawan di BSRC Alexander Felming Institut di Yunani, telah lama mempelajari apa yang membuat molekul memiliki bau. “Ada sesuatu yang sangat, teramat aneh pada indra penciuman, yaitu kemampuan kita untuk menganalisis atom dan molekul tidak sejalan dengan apa yang kita pikirkan tentang bagaimana sebuah molekul dikenal oleh sistem sensor,” ujar Turin.

Menurut pendapatnya, bentuk molekul saja tidak cukup untuk menentukan bau molekul tersebut. Ada hal lain yang krusial menentukan bau sebuah molekul, yaitu sifat-sifat kuantum dari ikatan-ikatan kimia yang terdapat di dalam molekul tersebut.

Turin membuat sebuah teori pengenalan bau berdasarkan teori kuantum. Menurut teori Turin, sebuah molekul bau masuk yang ke dalam hidung and diikat oleh sebuah reseptor akan mengalami proses yang disebut quantum tunneling.

Pada quantum tunneling, sebuah elektron dapat menembus sebuah bahan yang secara klasik tidak mungkin dia lewati. Seperti halnya kompas kuantum ada burung, quantum tunneling membutuhkan kondisi resonansi. Sebuah ikatan tertentu di dalam molekul bau dapat beresonansi dengan energi yang tepat untuk membantu sebuah elektron dari reseptor melompat dari satu bagian ke bagian lain. Lompatan ini tidak mungkin terjadi di ranah fisika klasik. Lompatan takmasuk akal ini disebut quantum tunneling dan hanya terjadi jika ikatan di dalam molekul mengalami getaran pada energi yang tepat.

Setelah melompat ke sisi lain dari reseptor, elektron tadi dapat memicu sebuah reaksi berantai. Reaksi berantai ini berujung pengiriman sinyal ke otak bahwa reseptor tersebut baru saja berinteraksi dengan sebuah molekul tertentu. Ini, kata Turin, adalah hakikat bagaimana sebuah molekul memiliki bau. Dan hakikat itu terletak pada proses kuantum.

“Penciuman membutuhkan sebuah mekanisme yang bagaimana pun juga melibatkan komposisi sesungguhnya dari molekul tersebut,” lanjut Turin. “Faktor inilah yang membuat quantum tunneling menjadi jawaban yang paling ilmiah.”

Bukti terkuat dari teori ini adalah apa yang diamati Turin dalam risetnya. Turin mengamati bahwa dua molekul dengan bentuk yang sangat berbeda dapat memiliki bau yang sama jika mereka memiliki ikatan kimia dengan energi vibrasi yang sama.

Turin memprediksi bahwa molekul boranes — senyawa yang relatif susah dijumpai — berbau seperti sulfur, atau telur busuk. Dia belum pernah menciumi borane, sehingga prediksinya rada berjudi.

Ternyata prediksinya benar! Bagi dia hal ini adalah sebuah argumen kuat. “Secara kimia, borane tidak ada kaitan sama sekali dengan sulfur. Yang mirip antara kedua molekul ini hanyalah sebuah frekuensi vibrasi dari ikatan yang ada di dalam molekulnya. Hanya ada dua objek itu di Bumi ini yang bau alamiahnya adalah sulfur.”

Meskipun prediksi ini adalah sebuah kesuksesan besar untuk teori tersebut, tapi belum menjadi bukti pamungkas. Idealnya Turin ingin mendapatkan reseptor-reseptor bau ini sebagai perilaku fenomena kuantum di meja eksperimen. Menurut Turin, mereka hampir sukses mendapatkannya. “Saya tidak ingin mendapat celaka, tapi kami benar-benar sedang menyelesaikan eksperimen ini,” katanya. “Kami yakin kami punya cara melakukannya, mudah-mudahan kami akan mendapatkan hasilnya beberapa bulan ke depan. Hasil ini akan benar-benar memberi sesuatu penting bagi ilmu pengetahuan kita.”

Benar atau tidak alam ini telah berevolusi untuk memanfaatkan fenonema kuantum untuk membantu makhluk hidup mengubah cahaya menjadi bahan bakar, memandu arah utara dari selatan, atau membedakan bau vanilla dengan cengkih, kita masih dapat menggunakan sifat-sifat aneh dunia atomik untuk menjelaskan bagaimana sel-sel makhluk hidup bekerja.

“Ada cara lain untuk melihat bagaimana mekanika kuantum berinteraksi dengan biologi, yaitu merasakan dan meraba,” kata Huelga. “Peraba kuantum dapat menangkap cahaya pada banyak hal menarik di dalam sistem dinamika biologis.”

Dan apakah benar alam ini berevolusi untuk memanfaatkan fenonema kuantum, kita tidak punya alasan untuk tidak menggunakan fenomena kuantum pada biologi untuk mengembangkan teknologi-teknologi baru, kata Huelga. Pemanfaatkan efek-efek kuantum secara biologis telah melahirkan ide sel fotovoltaik, misalnya, yang akan meningkatkan efisiensi sel surya secara dramatis. “Pada saat ini banyak riset-riset tentang fotovoltaik organik, mereka mencari apakah ada struktur alamiah ataupun buatan yang dapat meningkatkan efisiensi sel surya dengan cara mengeksploitasi efek-efek kuantum.”

Jadi, meskipun akan ada teori-teori baru yang lahir untuk menjelaskan teka-teki yang akan terus lahir dari proses-proses biologi, biologis dan fisikawan kuantum tidak akan menemukan jalan buntu. “Ini pasti akan menjadi sebuah cerita dengan akhir yang bahagia,” kata Huelga.

Author: febdian RUSYDI

a physicists, a faculty, a blogger.

2 thoughts on “Fisika Kuantum pada Penciuman”

Leave a Reply