Waktunya Para Biolog Menggunakan Fisika Kuantum

Ini adalah saduran saya dari artikel Quantum physics is invading biology di majalah Cherwell, sebuah koran-mahasiswa independen di Oxford University.

Penafian: tulisan ini belum saya edit, kemungkinan masih ada kekeliruan, baik itu teks maupun konteks.

Telah datang masa untuk menggunakan ide-ide mekanika kuantum pada permasalahan biologis.

Biasanya, fisika kuantum itu seperti teman kita yang “kita tahu dia benar, tapi kita berusaha mengabaikannya selama mungkin.” Kita berusaha menjaga ide-ide delusi kita sebab sejauh ini ide-ide tersebut memberikan hasil yang oke. Kita merasa semua baik-baik saja sampai pada satu masa sesuatu salah terjadi dan teman kita itu akan berkata, “Kan sudah saya beri tahu…”

Sayangnya untuk para biolog, masa itu mungkin sudah datang.

Dalam fotosintensis, yaitu proses yang menyediakan semua energi untuk kehidupan, sinar matahari memecah molekul air menjadi hidrogen dan oksigen dan mengeksitasi sejumlah elektron. Elektron-elektron ini melompat ke keadaan yang lebih tinggi. Saat kembali ke keadaan dasar, mereka melepas sejumlah energi. Energi ini kemudian disimpan dalam ikatan-ikatan kimia di dalam buah-buahan, dedaunan, biji-bijian, umbi-umbian, dan lain sebagainya. Ini semua adalah makanan kita dan di dalam tubuh ikatan kimia tersebut diurai kembali menjadi energi yang kita butuhkan untuk beraktivitas.

Jika hanya mengandalkan fisika klasik, butuh waktu lama untuk mengeksitasi elektron sehingga proses fotosintensis butuh waktu lama untuk terjadi daripada yang teramati. Tidak hanya itu, menurut fisika klasik energi yang dilepas saat elektron kembali ke keadaan dasar akan banyak terbuang ke lingkungan daripada disimpan di dalam ikatan kimia. Dengan kata lain, fotosintensis menurut fisika klasik tidaklah proses yang halus, cepat, dan efisien sebagaimana yang sesungguhnya terjadi.

Sekarang kita tidak dapat mengabaikan fisika kuantum lagi. Para fisikawan telah mengamati tanda-tanda aktivitas kuantum, yaitu superpoisisi kuantum, di dalam sel-sel yang melakukan fotosintensis. Ini artinya bahwa sebuah elektron yang tereksitasi dapat memiliki banyak cara untuk kembali ke keadaan dasar. Ia akan memilih cara yang terbaik, yaitu cara yang paling hemat waktu dan paling sedikit energi yang terbuang percuma. Bagi para biolog, penjelasan ini rada mengejutkan — aktivitas kuantum biasanya cuma terlihat di meja-meja laboratorium yang kondisi eksperimennya sangat terkontrol, bukannya di kondisi yang ribet dan nyata seperti di dalam sebuah sel hidup.

Seperti biasa di dunia teori kuantum, penjelasan ini diikuti dengan sebuah penafian ilmiah bahwa aktivitas kuantum ini bisa jadi tidak membantu apa-apa proses fotosintensis. Namun dari kacamata biologi, apa yang mereka amati sebagai superpoisisi kuantum ini benar-benar cocok dengan apa yang kita tahu selama ini tentang fotosintensis. Dan kecocokan ini sepertinya tidak akan berubah jika butuh bukti lebih banyak untuk mengkonfirmasinya.

Dan ada lagi yang lain!

Tidak hanya menguraikan proses-proses fundamental biologis, ilmuwan kuantum juga mengklaim telah menemukan penjelasan masalah-masalah lain biologi. Misalnya adalah bagaimana setiap senyawa kimia memiliki bau yang khas.

Teori yang selama ini kita pakai adalah molekul memiliki bentuk khas yang akan bereaksi dengan reseptor, yaitu saraf-saraf di dalam hidung kita. Hidung kita kemudian akan mengenali molekul itu sebagai bau. Beda bentuk molekul akan memberikan bau yang berbeda.

Masalahnya adalah sejumlah molekul yang bentuknya sama memiliki bau yang berbeda. Ada juga molekul dengan bentuk berbeda tapi memiliki bau yang sama.

Sejumlah ilmuwan kemudian berpikir bahwa bau ini bisa jadi salah satu dari sifat kuantum molekul. Menurut mereka, molekul-molekul yang bau ini mengalami proses quantum tunneling. Ikatan-ikatan tertentu di dalam molekul menghasilkan sebuah getaran yang akan memindahkan elektron-elektron di dalam reseptor dari satu ke lain tempat. Elektron-elektron tersebut berpindah tanpa perlu melewati ruang, tapi melewati terowongan kuantum (quantum tunnel). Terowongan kuantum inilah yang menjadi cirikhas molekul tersebut: satu molekul akan menghasilkan satu terowongan kuantum yang unik yang oleh otak dikenali sebagai bau.

Yang menjengkelkan bagi para biolog adalah apa yang diungkapkan ilmuwan kuantum ini cocok dengan sejumlah bukti yang dimiliki para biolog. Salah satunya adalah sulfur dan boran (BH3) tidak memiliki bentuk molekul yang sama, tapi memiliki getaran ikatan yang sama dan bau mereka pun sama. Meskipun ini belumlah bukti yang cukup, tapi para fisikawan merasa mereka akan dapat mendefinisikan bau secara fundamental.

Kita sekarang sedang menuju sebuah era baru, era biologi kuantum kompleks. Mekanika kuantum telah meng-upgrade dirinya sendiri dari cabang ilmu yang rada menyeleneh ke sesuatu yang sangat dekat dengan kehidupan kita.

Telah berlalu masa-masa saat para biolog mendapat berkah dari ketidakbecusan mereka terhadap dunia kuantum yang ternyata mendukung banyak proses kehidupan.

Apakah kita ini benar-benar mesin kuantum?

(Mesin kuantum, baca: Fisika kuantum pada fotosintesis, migrasi burung, dan penciuman.)

Author: febdian RUSYDI

a physicists, a faculty, a blogger.

Leave a Reply