Mengapa Rumput Berwarna Hijau—Melihat Fotosintesis dari Dekat

”MENGAPA rumput berwarna hijau?” Mungkin Anda mengajukan pertanyaan itu semasa kanak-kanak. Apakah Anda puas dengan jawabannya? Pertanyaan-pertanyaan dari mulut anak-anak seperti ini, bisa jadi mengandung makna yang sangat dalam. Ini dapat menggugah kita untuk melihat lebih saksama hal-hal sehari-hari yang kita anggap biasa dan menyingkapkan keajaiban tersembunyi yang tidak pernah kita sangka-sangka keberadaannya.

Untuk memahami mengapa rumput berwarna hijau, bayangkan sesuatu yang mungkin tampaknya sama sekali tidak berkaitan dengan rumput. Cobalah membayangkan sebuah pabrik yang sempurna! Pabrik yang sempurna seharusnya bekerja dengan senyap dan sedap dipandang, bukan? Sebaliknya daripada mencemari lingkungan, pabrik yang sempurna seharusnya memperbaiki lingkungan melalui setiap bentuk operasinya. Tentu saja, ia harus menghasilkan sesuatu yang berguna​—bahkan vital​—bagi semua orang. Pabrik demikian semestinya memanfaatkan tenaga surya, bukan? Dengan demikian, tidak dibutuhkan kabel-kabel listrik maupun pengiriman batu bara atau minyak sebagai sumber tenaga.

Tidak diragukan, pabrik yang memanfaatkan tenaga surya dengan sempurna akan menggunakan panel-panel surya yang jauh melebihi teknologi manusia saat ini. Panel-panel ini harus sangat efisien, tidak mahal, dan tidak mencemari, baik dalam proses pembuatan maupun penggunaan. Meskipun menggunakan teknologi paling mutakhir yang dapat dibayangkan, pabrik yang sempurna seharusnya tidak tersendat-sendat, tidak mengalami gangguan, kerusakan, atau perbaikan yang tiada akhirnya, tidak seperti teknologi paling mutakhir saat ini. Pabrik yang sempurna diharapkan benar-benar otomatis, tidak membutuhkan operator manusia. Malahan, pabrik ini secara mandiri dapat memperbaiki, memenuhi kebutuhan sendiri, dan bahkan menggandakan diri.

Apakah pabrik yang sempurna ini hanyalah fiksi ilmiah? Semata-mata gagasan muluk yang mustahil terwujud? Sebenarnya tidak, karena pabrik yang sempurna itu sama nyatanya seperti rumput di bawah kaki Anda. Bahkan sebenarnya, rumput di bawah kaki Anda, dan tanaman pakis di kantor Anda serta pohon di luar jendela Anda adalah pabrik itu. Ya, pabrik yang sempurna itu adalah segala tumbuhan hijau! Dengan bahan bakar sinar matahari, tumbuhan hijau menggunakan karbondioksida, air, dan mineral untuk menghasilkan makanan, secara langsung atau tidak langsung, bagi hampir semua kehidupan di bumi. Dalam proses ini, mereka mengisi kembali atmosfer, menyingkirkan karbondioksida dan melepaskan oksigen murni.

Secara keseluruhan, tumbuhan hijau di atas bumi diperkirakan menghasilkan 150 miliar hingga 400 miliar ton gula setiap tahun​—lebih banyak dibandingkan dengan total produksi semua pabrik besi, baja, mobil, dan pesawat terbang. Tumbuhan melakukan ini dengan menggunakan energi dari matahari untuk melepaskan atom hidrogen dari molekul air dan kemudian melekatkan atom hidrogen ini pada molekul karbondioksida dari udara, mengubahnya menjadi karbohidrat yang dikenal sebagai gula. Proses yang luar biasa ini disebut fotosintesis. Tumbuhan kemudian dapat menggunakan molekul gula yang baru ini sebagai energi atau menggabungkannya menjadi tepung sebagai persediaan makanan atau menjadi selulosa, bahan yang kuat dan berserat yang membentuk serat tumbuhan. Bayangkan! Dalam pertumbuhannya, pohon sequoia raksasa yang menjulang 90 meter di atas Anda hampir seluruhnya terbuat dari udara, satu molekul karbondioksida dan satu molekul air, satu demi satu, di dalam berjuta-juta ’jalur perakitan’ mikroskopis yang disebut kloroplas. Namun bagaimana prosesnya?

Mengamati ”Mesinnya”

Membuat sebuah sequoia dari udara (plus air dan beberapa mineral) benar-benar menakjubkan, tetapi ini bukan sulap. Ini adalah hasil rancangan dan teknologi cerdas yang jauh lebih canggih dibandingkan karya manusia mana pun. Sedikit demi sedikit, para ilmuwan menyibak tabir fotosintesis, menatap dengan takjub proses biokimia supercanggih yang berlangsung di dalamnya. Mari kita ikut mengamati ”mesin” yang bertanggung jawab atas hampir semua kehidupan di bumi. Mungkin kita akan mulai mendapat jawaban untuk pertanyaan kita, ”Mengapa rumput berwarna hijau?”

Mari kita ambil mikroskop yang dapat diandalkan, lalu mengamati selembar daun apa saja. Bagi mata telanjang, seluruh daun tampak hijau, tetapi itu hanya ilusi. Setiap sel tumbuhan yang kita amati di bawah mikroskop sama sekali tidak berwarna hijau. Sebaliknya, sebagian besar dari antaranya tembus pandang, tetapi masing-masing mengandung kira-kira 50 sampai 100 bintik hijau kecil. Bintik-bintik ini adalah kloroplas, tempat ditemukannya klorofil hijau yang peka cahaya dan tempat berlangsungnya fotosintesis. Apa yang terjadi di dalam kloroplas?

Kloroplas seperti sebuah kantong kecil berisi kantong-kantong pipih yang lebih kecil lagi, yang disebut tilakoid. Akhirnya, kita telah menemukan warna hijau di dalam rumput. Molekul-molekul klorofil hijau melekat pada permukaan tilakoid, tidak secara acak, tetapi dalam jalur-jalur yang terorganisasi dengan cermat yang disebut fotosistem. Ada dua jenis fotosistem dalam tumbuhan hijau pada umumnya, yaitu PSI (fotosistem I) dan PSII (fotosistem II). Fotosistem berfungsi seperti tim-tim produksi spesialis dalam pabrik, masing-masing bertanggung jawab atas serangkaian langkah yang spesifik dalam fotosintesis.

”Buangan” yang Tidak Dibuang

Sewaktu cahaya matahari menerpa permukaan tilakoid, ini siap dijerat oleh susunan PSII dari molekul klorofil yang dikenal sebagai susunan penangkap cahaya. Molekul-molekul ini khususnya menyerap cahaya merah dengan panjang gelombang tertentu. Di sembarang tempat di tilakoid, susunan PSI mencari cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang. Sementara itu, klorofil dan beberapa molekul lain, seperti karotenoid, menyerap cahaya biru dan violet.

Jadi mengapa rumput berwarna hijau? Dari semua gelombang yang jatuh ke tumbuhan, hanya cahaya hijau yang tidak digunakan, jadi ini dipantulkan ke mata atau kamera kita. Bayangkan! Warna hijau yang lembut di musim semi, serta warna hijau zamrud gelap di musim panas, merupakan hasil dari gelombang yang tidak dibutuhkan tumbuhan tetapi berharga bagi kita manusia! Tidak seperti polusi dan buangan dari pabrik manusia, ”buangan” cahaya ini pasti tidak terbuang sewaktu kita menatap padang rumput atau hutan yang indah, menyegarkan jiwa kita dengan warna kehidupan yang menyenangkan.

Kembali ke kloroplas, dalam susunan PSII, energi dari cahaya merah matahari telah disalurkan ke elektron-elektron dalam molekul klorofil hingga, akhirnya, sebuah elektron menjadi begitu berenergi, atau ”terangsang”, sehingga ia meloncat dari susunan itu, ke lengan molekul pembawa yang sudah menunggu di membran tilakoid. Seperti seorang yang berdansa dari seorang partner ke partner lain, elektron berpindah dari satu molekul pembawa ke molekul lain seraya ia perlahan-lahan kehilangan energinya. Sewaktu energinya cukup rendah, ia dapat digunakan secara aman untuk menggantikan elektron dalam fotosistem lain, PSI.​—Lihat diagram 1.

Sementara itu, susunan PSII kehilangan sebuah elektron, yang membuatnya bermuatan positif dan siap untuk menarik sebuah elektron sebagai pengganti elektron yang hilang. Seperti seseorang yang baru menyadari bahwa ia kecopetan, daerah PSII yang dikenal sebagai susunan pembentuk oksigen menjadi panik. Ke mana elektron hendak dicari? Aha! Di dekatnya ada sebuah molekul air yang malang sedang bermalas-malasan. Ia siap untuk diberi kejutan.

Menguraikan Molekul Air

Sebuah molekul air terdiri dari sebuah atom oksigen yang cukup besar dan dua atom hidrogen yang lebih kecil. Susunan pembentuk oksigen dari PSII mengandung empat ion logam mangan yang menyingkirkan elektron dari atom-atom hidrogen dalam molekul air. Hasilnya molekul air terurai menjadi dua ion hidrogen bermuatan positif (proton), satu atom oksigen, dan dua elektron. Seraya makin banyak molekul air yang terurai, atom-atom oksigen berpasangan menjadi molekul gas oksigen, yang oleh tumbuhan dikembalikan ke udara untuk kita gunakan. Ion-ion hidrogen mulai menumpuk di dalam ”kantong” tilakoid, yang dapat digunakan oleh tumbuhan, dan elektron-elektron digunakan untuk memasok kembali susunan PSII, yang sekarang siap untuk mengulangi siklus tersebut berkali-kali setiap detiknya.​—Lihat diagram 2.

Di dalam kantong tilakoid, ion-ion hidrogen yang berdesak-desakan mulai mencari jalan keluar. Bukan hanya dua ion hidrogen yang bertambah setiap kali sebuah molekul air terurai, tetapi ion-ion hidrogen lain ditarik ke dalam kantong tilakoid oleh elektron-elektron PSII yang sedang berpindah ke susunan PSI. Segera, ion-ion hidrogen bergerak seperti lebah-lebah yang marah dalam sarang yang terlalu sesak. Bagaimana mereka dapat keluar?

Ternyata Perancang fotosintesis yang supercerdas telah menyediakan pintu putar dengan satu jalan keluar saja, dalam bentuk sebuah enzim khusus yang digunakan untuk membuat bahan bakar sel yang sangat penting yang disebut ATP (adenosin trifosfat). Seraya ion-ion hidrogen memaksa keluar dari pintu putar tersebut, mereka menyediakan energi yang dibutuhkan untuk mengisi ulang molekul-molekul ATP yang terpakai. (Lihat diagram 3.) Molekul-molekul ATP seperti baterai-baterai sel yang sangat kecil. Mereka menyediakan percikan kecil energi, tepat di dalam sel, untuk semua jenis reaksi di dalam sel tersebut. Belakangan, molekul-molekul ATP ini akan dibutuhkan pada jalur perakitan gula dari fotosintesis.

Di samping ATP, ada molekul kecil lain yang vital bagi perakitan gula. Ini disebut NADPH (singkatan dari nikotinamida adenin dinukleotida fosfat). Molekul-molekul NADPH berfungsi seperti truk pengiriman, masing-masing membawa sebuah atom hidrogen yang sudah ditunggu oleh enzim yang membutuhkan atom hidrogen untuk membantu pembentukan sebuah molekul gula. Membentuk NADPH adalah pekerjaan dari susunan PSI. Sementara satu fotosistem (PSII) sibuk menguraikan molekul air dan menggunakannya untuk membentuk ATP, fotosistem lain (PSI) menyerap cahaya dan mengeluarkan elektron-elektron yang akhirnya digunakan untuk membentuk NADPH. Baik molekul ATP maupun molekul NADPH disimpan di luar tilakoid untuk digunakan nantinya dalam jalur perakitan gula.

Giliran Kerja Malam

Miliaran ton gula dibentuk tiap tahun oleh fotosintesis, namun sebenarnya gula bukan hasil reaksi yang ditenagai cahaya dalam fotosintesis. Reaksi itu hanya menghasilkan ATP (”baterai”) dan NADPH (”truk pengiriman”). Kemudian, enzim-enzim dalam stroma, atau ruang di luar tilakoid, menggunakan ATP dan NADPH untuk membuat gula. Sebenarnya, tumbuhan dapat membuat gula dalam keadaan gelap gulita! Anda dapat membandingkan kloroplas dengan sebuah pabrik dengan dua kru (PSI dan PSII) di dalam tilakoid yang membuat baterai dan truk pengiriman (ATP dan NADPH) untuk digunakan oleh kru ketiga (enzim khusus) di luar, yaitu di stroma. (Lihat diagram 4.) Kru ketiga itu membuat gula dengan menambahkan atom-atom hidrogen dan molekul-molekul karbondioksida dalam tahapan reaksi kimia yang tepat dengan menggunakan enzim-enzim di dalam stroma. Ketiga kru itu semuanya dapat bekerja selama siang hari, dan kru pembuat gula juga bekerja pada malam hari, setidaknya sampai suplai ATP dan NADPH dari giliran kerja siang habis terpakai.

Anda dapat membayangkan stroma seperti semacam biro jodoh sel, penuh dengan atom dan molekul yang perlu ”kawin” dengan satu sama lain tetapi tidak pernah mau mencari pasangannya sendiri. Enzim-enzim tertentu bekerja seperti pencari jodoh yang sangat lihai.a Mereka adalah molekul-molekul protein dengan bentuk khusus yang memungkinkan mereka mencengkeram atom atau molekul yang benar untuk reaksi tertentu. Namun, mereka tidak puas hanya memperkenalkan calon pasangan kawin molekul saja. Enzim-enzim tersebut baru akan puas setelah perkawinan berlangsung, jadi mereka mencengkeram calon pasangan itu dan mempertemukan kedua calon yang ogah-ogahan ini, memaksakan perkawinan secara biokimia. Setelah proses perkawinan ini berlangsung, enzim-enzim melepaskan molekul baru tersebut dan mengulangi proses tersebut terus-menerus. Dalam stroma, enzim-enzim memindahkan molekul-molekul gula yang belum lengkap dengan kecepatan tinggi, menyusunnya kembali, memberinya energi dengan ATP, menambahkan karbondioksida, menempelkan hidrogen, dan, akhirnya, mengirimkan sebuah gula dengan gugus tiga karbon untuk dimodifikasi di bagian lain dari sel menjadi glukosa dan beraneka ragam variasi.​—Lihat diagram 5.

Mengapa Rumput Berwarna Hijau?

Fotosintesis mencakup lebih banyak daripada sekadar reaksi dasar kimia. Fotosintesis adalah simfoni biokimia dengan kerumitan dan kecanggihan yang menakjubkan. Buku Life Processes of Plants menjelaskan, ”Fotosintesis adalah proses yang sangat teratur dan luar biasa untuk memanfaatkan energi foton matahari. Arsitektur tumbuhan yang pelik serta pengendalian biokimia dan genetika yang luar biasa rumit yang mengatur kegiatan fotosintesis dapat dianggap sebagai contoh hebat dari proses dasar menjerat foton dan mengubah energinya menjadi bentuk kimia.”

Dengan kata lain, untuk memahami mengapa rumput berwarna hijau, kita harus menatap dengan takjub pada rancangan dan teknologi yang jauh di luar jangkauan manusia​—”mesin” submikroskopis yang secara mandiri dapat bekerja dan memelihara diri, yang setiap detiknya bekerja ribuan, atau bahkan jutaan kali (tanpa kebisingan, polusi, atau ketidaknyamanan), mengubah sinar matahari menjadi gula. Ini memberikan kesempatan bagi kita untuk mendapatkan sekilas pikiran dari perancang dan ahli mesin yang tak tertandingi​—Pencipta kita, Allah Yehuwa. Pikirkanlah tentang itu sewaktu Anda mengagumi salah satu pabrik yang sempurna yang indah dan menunjang kehidupan dari Yehuwa atau sewaktu Anda berjalan-jalan di atas rumput hijau yang menyenangkan.

[Catatan Kaki]

[Keterangan Gambar di hlm. 18]

Foto inset: Colorpix, Godo-Foto

[Gambar di hlm. 19]

Bagaimana fotosintesis menyebabkan pohon ini bertumbuh?

[Diagram di hlm. 20]

Diagram 1

[Diagram di hlm. 20]

Diagram 2

[Diagram di hlm. 21]

Diagram 3

[Diagram di hlm. 21]

Diagram 4

[Diagram di hlm. 22]

Diagram 5