Proses Fotosintesis: Keajaiban di Balik Sehelai Daun

Pernah bertanya dari mana sebatang pohon mangga di halaman mendapatkan bahan untuk tubuhnya yang berton-ton itu? Kebanyakan dari kita akan spontan menjawab: dari tanah. Ternyata sebagian besar justru berasal dari udara, tepatnya dari karbon dioksida yang ikut kita embuskan setiap hari, he2x.

Nah, di sinilah proses fotosintesis bekerja. Proses fotosintesis adalah cara tumbuhan, alga, dan sejumlah bakteri memakai energi cahaya untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi gula, sambil melepaskan oksigen. Kita pernah menghafal rumusnya untuk ujian, lalu perlahan melupakannya. Padahal, di balik daun yang setiap hari kita lewati, ada pekerjaan luar biasa yang memberi makan dan napas bagi kehidupan.

Yah, sehelai daun itu mirip dapur kecil bertenaga surya. Bahan bakunya udara dan air, apinya cahaya matahari, dan masakannya gula yang kelak sampai ke piring kita sebagai nasi, sayur, dan buah. Dapur ini tidak pernah meminta upah dan tidak pernah libur selama ada cahaya.

Mari kita renungkan sejenak salah satu tanda kekuasaan Allah, Sang Maha Pencipta, ini tanpa perlu menghafal semua istilahnya. Sedikit catatan jujur: sebagian pembahasan soal fisika kuantum di dalam daun masih diperdebatkan para ilmuwan, dan saya akan menandainya dengan jelas.

1.Proses Fotosintesis: Memanen Cahaya untuk Kehidupan

Proses fotosintesis pada tumbuhan berlangsung terutama di kloroplas, bagian kecil di dalam sel daun yang mengandung klorofil, dan menghasilkan gula sebagai bahan tumbuh sekaligus cadangan energi. Dari sinilah hampir seluruh rantai makanan di daratan bermula.

Rumus yang mungkin masih kita ingat adalah:

6 CO₂ + 6 H₂O + energi cahaya → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Rumus ini hanya merangkum hasil akhirnya; di dalam daun, prosesnya berlangsung melalui banyak langkah.

Mula-mula, energi cahaya dipakai untuk membentuk ATP dan NADPH, pembawa energi yang bisa kita bayangkan sebagai bekal tahap berikutnya. Pada tahap ini, air dipecah dan oksigen dilepaskan. Jadi, oksigen yang kita hirup berasal dari air, bukan dari CO₂.

Bekal tersebut kemudian digunakan dalam Siklus Calvin, rangkaian reaksi yang dipetakan Melvin Calvin dan rekan-rekannya hingga ia meraih Nobel Kimia 1961. Di siklus inilah karbon dari CO₂ diolah menjadi bahan penyusun gula.

Fisikawan peraih Nobel, Richard Feynman, pernah menjelaskannya dengan cara yang membuat banyak orang terdiam. Dalam acara BBC Fun to Imagine (1983), ia berkata:

“Trees are made of air, primarily. When they are burned, they go back to air.” (Pohon itu terutama terbuat dari udara. Ketika dibakar, ia kembali menjadi udara.)

Feynman lalu menambahkan bahwa panas dan cahaya dari kayu yang terbakar adalah panas dan cahaya matahari yang dulu “dikunci” pohon saat tumbuh. Jadi, api unggun di perkemahan itu sebenarnya sinar matahari lama yang dilepaskan kembali.

Fotosintesis dapat kita pandang sebagai proses yang diciptakan Tuhan untuk memberi makan dan napas bagi kehidupan. Saat makan nasi, sayur, buah, atau daging, kita sebenarnya memanfaatkan energi matahari yang telah diolah makhluk hidup.

Perhatikan piramida energi di atas. Rumput berada di dasar sebagai produsen, lalu energinya berpindah ke belalang, katak, dan ular. Semakin ke atas, energi yang tersedia semakin sedikit karena sebagian dipakai untuk aktivitas hidup dan terlepas sebagai panas, sehingga bentuknya menyempit. Pengurai mengembalikan unsur hara ke lingkungan; unsur hara berputar kembali, sedangkan energi mengalir lalu terlepas. Gambar ini memperlihatkan bahwa proses fotosintesis menopang kehidupan jauh melampaui tumbuhan itu sendiri.

Hubungannya dengan napas kita juga menarik, karena fotosintesis dan respirasi seluler bekerja seperti dua sisi dari satu mata uang. Agar lebih mudah dibandingkan, berikut ringkasannya:

Artinya, tumbuhan pun bernapas siang dan malam. Diam di tempat ternyata bukan berarti tidak sibuk. Gula dari sepiring nasi pun akan “dibakar” sel tubuh kita, terutama otot, salah satu alasan mengapa jalan kaki setelah makan bermanfaat untuk kadar gula darah.

2.Fotosintesis dan Cahaya yang Tepat

Fotosintesis hanya memakai rentang cahaya yang sangat sempit, sekitar 400–700 nanometer, padahal radiasi di alam semesta jauh lebih luas, dari gelombang radio sampai sinar gamma. Cahaya matahari yang terlihat putih pun ternyata mengandung berbagai warna, ditambah radiasi yang tidak tertangkap mata kita.

Pada gambar spektrum di atas, cahaya tampak hanya menempati bagian kecil dari rentang yang luas itu. Rentang 400–700 nanometer ini lazim disebut radiasi aktif fotosintesis atau PAR (photosynthetically active radiation); satu nanometer sama dengan sepersejuta milimeter. Diagram ini skematis, sehingga jarak antarbagian tidak menggambarkan skala sebenarnya.

Menurut penjelasan NASA tentang cahaya tampak, tiap warna memiliki panjang gelombang berbeda. Klorofil terutama menyerap cahaya biru dan merah, sementara cahaya hijau lebih banyak dipantulkan atau diteruskan. Cahaya yang sampai ke mata kita itulah yang membuat daun terlihat hijau.

Namun bukan berarti cahaya hijau sama sekali tidak berguna. Pigmen lain seperti karotenoid membantu menangkap cahaya dan melindungi daun dari energi berlebihan.

Yang bikin penasaran, mengapa harus rentang sesempit itu? Ahli biokimia peraih Nobel dari Harvard, George Wald, membahasnya dalam artikel “Life and Light” di Scientific American (1959). Menurut Wald, kehidupan bergantung pada pita sempit ini karena begitulah molekul bereaksi terhadap radiasi: yang terlalu lemah hanya menghangatkan molekul, yang terlalu kuat justru merusaknya. Cahaya tampak berada tepat di tengah.

Saya membayangkannya seperti radio yang harus pas dengan gelombang pemancarnya: proses fotosintesis memerlukan kesesuaian antara cahaya yang datang dan sistem yang menerimanya.

3.Jejak Fisika Kuantum di Dalam Sehelai Daun

Proses fotosintesis dimulai dari peristiwa kuantum: klorofil menyerap cahaya dalam paket-paket energi kecil yang disebut foton, dan hanya foton dengan energi yang pas yang dapat diserap. Bagian ini bukan spekulasi, melainkan dasar interaksi molekul dengan cahaya.

Cahaya memang punya “kepribadian ganda”, he2x: kadang berperilaku seperti gelombang, kadang seperti partikel. Teka-teki ini paling jelas terlihat dalam eksperimen celah ganda, misteri terbesar fisika kuantum yang oleh Feynman disebut mengandung “satu-satunya misteri” mekanika kuantum. Nah, cahaya yang membingungkan para fisikawan itu ternyata “dipanen” setiap detik oleh rerumputan di lapangan dekat rumah kita.

Setelah foton terserap, energinya dioper dari satu molekul pigmen ke molekul lain di kompleks antena, sampai tiba di pusat reaksi tempat air dipecah. Perpindahan ini berlangsung dalam hitungan sepertriliun detik dan dikenal sangat efisien.

Yang menarik, pada 2007 tim Gregory Engel dan Graham Fleming melaporkan dalam jurnal Nature adanya sinyal mirip gelombang (koherensi kuantum) dalam protein pemanen cahaya milik bakteri hijau sulfur. Mereka menduga energi seolah “menjajal” beberapa jalur sekaligus untuk menemukan rute paling efisien, mirip partikel dalam eksperimen celah ganda.

Untuk bersikap adil, pengukuran Engel dilakukan pada suhu sekitar −196 °C. Studi Duan dkk. (2017) di jurnal PNAS pada suhu ruang menemukan koherensi itu lenyap dalam sekitar 60 femtodetik dan tidak tampak berperan penting. Sebagai gambaran kasar, dalam waktu itu cahaya hanya menempuh sekitar 18 mikrometer, kira-kira seperlima tebal sehelai rambut. Jadi, peran “trik kuantum” ini masih diperdebatkan.

Ahli biokimia peraih Nobel Kedokteran 1937, Albert Szent-Györgyi, pernah merangkum hubungan cahaya dan kehidupan dengan kalimat yang sering dikutip:

“What drives life is thus a little electric current, kept up by the sunshine.” (Yang menggerakkan kehidupan ternyata hanyalah arus listrik kecil yang dijaga oleh sinar matahari.)

Dengan kata lain, setiap suap makanan kita bermula dari elektron di dalam daun yang “ditendang” oleh foton matahari.

4.Daun Bukan Satu-satunya Pabrik Kehidupan

Fotosintesis tidak hanya terjadi di pohon dan rumput, tetapi juga di laut melalui fitoplankton, organisme kecil yang menjadi dasar banyak jaring makanan laut. Ukurannya boleh kecil, perannya sungguh besar.

NOAA menjelaskan bahwa sekitar separuh produksi oksigen di Bumi berasal dari laut, terutama dari plankton fotosintetik. Namun banyak oksigen itu juga digunakan oleh kehidupan laut. Jadi, angka produksi tersebut bukan berarti separuh oksigen yang kita hirup baru saja dibuat di laut.

Di pantai Bali atau Pangandaran, kita mungkin hanya melihat ombak, padahal di bawahnya berlangsung pekerjaan sunyi yang menopang kehidupan planet ini.

Baik di darat maupun laut, proses fotosintesis dipengaruhi cahaya, air, suhu, dan unsur hara. Karena itu, menjaga hutan dan laut berarti menjaga sistem kehidupan, bukan sekadar pemandangan indah.

5.Tangguh, Adaptif, tetapi Tetap Perlu Dijaga

Tumbuhan memiliki beragam cara untuk tetap berfotosintesis di lingkungan yang sulit, tetapi kemampuan itu ada batasnya. Pernah melihat rumput kembali hijau setelah hujan, padahal sebelumnya tampak kering? Itu salah satu contohnya.

Pada tumbuhan CAM seperti banyak kaktus dan nanas, pori-pori daun atau stomata terbuka pada malam hari untuk mengambil CO₂. Saat siang, cadangan itu digunakan dengan bantuan energi cahaya. Cara ini membantu menghemat air di lingkungan kering.

Ketangguhan tersebut bukan berarti tumbuhan kebal terhadap kerusakan. Kekeringan ekstrem, kebakaran hutan berulang, atau hilangnya habitat tetap dapat melampaui kemampuan mereka. Bagi saya, semakin memahami kemampuan tumbuhan, semakin besar pula alasan untuk merawatnya. Jangan sampai kita terlalu percaya alam akan selalu pulih sendiri, lalu merasa bebas merusaknya.

6.Apa yang Dapat Kita Pelajari dari Sehelai Daun?

Pelajaran terbesar dari sehelai daun adalah keterhubungan: makanan, napas, dan energi kita bergantung pada proses sunyi yang jarang kita perhatikan. Nasi di piring tidak muncul begitu saja; ada cahaya, air, udara, tanah, dan petani di sawah sebelum akhirnya sampai kepada kita.

Jika ditelusuri, singa yang memangsa zebra pun sebenarnya “memakan” energi matahari yang diubah rumput menjadi makanan zebra. Kita pun sama, setiap kali makan.

Rasa takjub itu bisa diteruskan menjadi tindakan sederhana: merawat pohon di halaman, menanam sesuai kondisi lingkungan, dan mengurangi pemborosan makanan.

7.Pertanyaan Umum tentang Fotosintesis

Bagaimana proses fotosintesis terjadi secara singkat?

Proses fotosintesis terjadi dalam dua tahap besar: reaksi cahaya memakai energi cahaya untuk memecah air, melepaskan oksigen, dan membuat ATP serta NADPH; lalu Siklus Calvin memakai bekal itu untuk mengolah CO₂ menjadi gula. Keduanya berlangsung di kloroplas.

Apakah fotosintesis hanya berlangsung pada siang hari?

Reaksi cahaya memerlukan cahaya. Istilah “reaksi gelap” untuk Siklus Calvin bukan berarti tahap itu khusus berlangsung malam hari; tahap tersebut menggunakan ATP dan NADPH dari reaksi cahaya.

Apakah semua oksigen berasal dari pohon?

Tidak. Alga, fitoplankton, dan organisme fotosintetik lain juga menghasilkan oksigen. Oksigen atmosfer merupakan hasil akumulasi dan keseimbangan berbagai proses dalam waktu yang panjang.

Apa hubungan fotosintesis dengan fisika kuantum?

Penyerapan cahaya oleh klorofil adalah peristiwa kuantum, karena cahaya diserap dalam paket energi bernama foton. Adapun dugaan bahwa koherensi kuantum membantu perpindahan energi di dalam daun masih diperdebatkan; sebagian studi di suhu ruang menunjukkan perannya kecil.

8.Kesimpulan: Yuk, Berhenti Sejenak di Depan Sehelai Daun

Kalau diringkas, proses fotosintesis mengubah energi cahaya menjadi energi kimia yang menopang sebagian besar jaring makanan, menghasilkan oksigen dari air, bergantung pada rentang cahaya yang sangat sempit, berawal dari peristiwa kuantum di dalam klorofil, dan berlangsung bukan hanya di daun, tetapi juga di laut.

Dapur kecil bertenaga surya itu bekerja di setiap helai daun, petak sawah, dan tetes air laut yang terkena cahaya, tanpa pernah tutup. Feynman dalam bukunya The Character of Physical Law (1965) pernah menulis, “Nature uses only the longest threads to weave her patterns, so each small piece of her fabric reveals the organization of the entire tapestry.” (Alam hanya memakai benang-benang terpanjang untuk menenun polanya, sehingga setiap potongan kecil kainnya memperlihatkan susunan seluruh permadani.) Sehelai daun adalah potongan kecil itu.

Bagi saya, keteraturan ini menjadi salah satu tanda kebesaran Allah. Tentu teori ilmiah tidak dapat dijadikan dalil karena sains terus berkembang, tetapi rasa takjub yang lahir darinya adalah pintu yang baik untuk merenung. Subhanallah, Mahasuci Allah, Pencipta langit dan Bumi beserta segala isinya. Mari kita renungkan ciptaan-Nya, sebagaimana firman Allah dalam Surah Ali ‘Imran ayat 190–191:

“Sesungguhnya dalam penciptaan langit dan bumi, dan silih bergantinya malam dan siang terdapat tanda-tanda bagi orang-orang yang berakal, (yaitu) orang-orang yang mengingat Allah sambil berdiri atau duduk atau dalam keadaan berbaring dan mereka memikirkan tentang penciptaan langit dan bumi (seraya berkata): ‘Ya Tuhan kami, tiadalah Engkau menciptakan ini dengan sia-sia. Mahasuci Engkau, maka peliharalah kami dari siksa neraka.'” (QS. Ali ‘Imran: 190–191)

Mulailah dari yang kecil: besok pagi, saat melewati pohon atau tanaman di pot, berhentilah lima detik dan pandang daunnya. Di sana, tanpa suara, cahaya sedang diolah menjadi bekal kehidupan. Sesuatu yang biasa kita lihat, ternyata tidak biasa sama sekali.

Dari semua tadi, mana yang paling membuat Anda takjub: oksigen yang berasal dari air, pohon yang “terbuat dari udara”, atau jejak fisika kuantum di dalam daun? Saya penasaran dengan jawaban Anda di kolom komentar.

Semoga bermanfaat.

9.Daftar Pustaka

1. Clark, M. A., Douglas, M., & Choi, J. (2018). Biology 2e, Bab 8: Photosynthesis. OpenStax. https://openstax.org/books/biology-2e/pages/8-3-using-light-energy-to-make-organic-molecules
2. Engel, G. S., Calhoun, T. R., Read, E. L., dkk. (2007). Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature, 446, 782–786. https://doi.org/10.1038/nature05678
3. Duan, H.-G., Prokhorenko, V. I., Cogdell, R. J., dkk. (2017). Nature does not rely on long-lived electronic quantum coherence for photosynthetic energy transfer. PNAS, 114(32), 8493–8498. https://doi.org/10.1073/pnas.1702261114