Suatu waktu aku sedang duduk, seperti biasa ngalamun, trus lihat tanganku. Pandanganku kemudian bergeser ke meja, kursi, kasur, tembok, kucing, tanaman. Tiba-tiba terbersit pertanyaan:
Aku berusaha mencari jawabannya pelan-pelan. Ternyata, kalau kita kupas sampai ke level paling dasar, semua benda nyata yang kita lihat seperti meja, batu, pohon, tubuh kita sendiri, tersusun dari satu hal yang sama ---> atom.
Atom itu kecil banget. Bukan kecil versi 'mikroskop', tapi kecil di level yang hampir mustahil dibayangkan. Ukurannya sekitar 0,1 nanometer, atau 0,0000000001 meter. Angka yang bahkan sulit dibaca, apalagi divisualisasikan. Satu meter dibagi sepuluh miliar bagian, dan satu bagian itulah kira-kira ukuran satu atom. Di dalam atom, ada struktur yang ternyata tidak seperti gambaran 'bola pejal' yang sering kita bayangkan. Atom punya inti di tengah, yang berisi proton dan neutron. Proton bermuatan positif, neutron netral, dan keduanya hampir menampung seluruh massa atom. Identitas suatu unsur, apakah itu hidrogen, karbon, atau oksigen, ditentukan oleh jumlah proton di inti ini. Satu proton berarti hidrogen, enam proton berarti karbon. Sesederhana itu, tapi dampaknya membentuk seluruh alam semesta yang kita kenal.
Di luar inti, ada elektron. Elektron bermuatan negatif dan massanya sangat kecil dibanding proton dan neutron. Tapi yang menarik, elektron ini tidak 'mengelilingi' inti seperti planet mengelilingi matahari. Dalam fisika modern (teori mekanika kuantum), elektron tidak punya lintasan pasti. Ia hadir sebagai probabilitas, sebuah kemungkinan. Kita tidak bisa menunjuk satu titik dan berkata 'elektronnya ada di sini.' Yang bisa kita katakan hanyalah, 'di wilayah ini, kemungkinan elektronnya besar.'
Tapi atom sendirian tidak berarti apa-apa. Satu atom sendirian tidak akan menjadi meja, kasur, atau tubuh manusia. Ia hanya ada, tanpa bentuk yang berarti. Di sini aku mulai menyadari satu pola yang menarik, salah satu hukum fisika dasar dari alam, yaitu selalu bergerak menuju keseimbangan. Segala sesuatu cenderung mencari keadaan dengan energi serendah mungkin, keadaan yang stabil. Atom pun begitu. Banyak atom berada dalam kondisi tidak seimbang, entah karena kekurangan atau kelebihan elektron. Kondisi ini membuat energinya tinggi, dan seperti benda di lereng, ia ingin turun.
Karena dorongan menuju kestabilan inilah atom-atom mulai saling terikat. Ikatan ini tidak hanya satu macam. Cara atom mencapai keseimbangan ternyata berbeda-beda, tergantung sifat masing-masing atomnya. Salah satunya adalah ikatan ion. Dalam ikatan ini, ada atom yang rela melepaskan elektron dan ada atom lain yang menerimanya. Setelah elektron berpindah, atom yang kehilangan elektron menjadi bermuatan positif, sementara atom yang menerima elektron menjadi bermuatan negatif. Muatan yang berlawanan ini saling tarik-menarik dengan kuat. Dari proses yang tampak sederhana ini, terbentuklah zat baru yang sifatnya sama sekali berbeda dari atom penyusunnya. Zat yang padat, stabil, dan bisa disentuh. Contoh klasik ikatan ion --> garam dapur.
Misalnya atom natrium yang mudah melepaskan satu elektron, dan atom klor yang sangat ingin menerima satu elektron. Ketika elektron berpindah, natrium menjadi bermuatan positif, klor bermuatan negatif. Muatan yang berlawanan ini saling tarik-menarik kuat. Hasilnya adalah kristal garam.
Menariknya, natrium murni itu logam yang sangat reaktif. Klor murni itu gas beracun. Tapi ketika mereka berikatan demi stabilitas, lahirlah zat baru dengan sifat yang sama sekali berbeda yaitu garam dapur (NaCl). Padat. Stabil. Bisa dimakan. Sifat lama hilang. Identitas baru muncul. Selain garam juga ada juga kalsium karbonat CaCO3 yang menyusun batu kapur dan cangkang kerang, serta magnesium oksida MgO yang merupakan hasil reaksi pembakaran magnesium. Semua zat ini padat, nyata, dan sifatnya sangat berbeda dari atom penyusunnya.
Selain ikatan ion, ada juga ikatan kovalen. Pada ikatan ini, atom-atom tidak saling memberi atau mengambil elektron, melainkan memilih berbagi. Mereka menggunakan elektron bersama-sama agar masing-masing merasa cukup dan berada pada kondisi energi yang lebih rendah. Pola berbagi ini membentuk molekul-molekul yang lebih fleksibel dan beragam. Salah satu contohnya adalah air (H2O) yang merupakan hasil ikatan kovalen antara dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Zat yang terlihat biasa, tapi sebenarnya sangat menentukan kehidupan. Air bisa mengalir, membeku, menguap, melarutkan banyak zat, dan menjadi medium hampir semua proses biologis. Contoh lain ikatan kovalen adalah karbon dioksida CO2 yang kita hembuskan saat bernapas, amonia NH3, metana CH4.
Dari ikatan ion dan kovalen itulah terbentuk molekul. Molekul kemudian bisa dibedakan menjadi dua kelompok besar, yaitu molekul anorganik dan molekul organik. Keduanya sama-sama tersusun dari atom, tetapi memiliki karakteristik dan peran yang berbeda.
Molekul anorganik umumnya tersusun dari atom-atom dengan struktur yang relatif sederhana. Ikatannya bisa berupa ikatan ion maupun ikatan kovalen sederhana. Molekul jenis ini tidak memiliki rangka karbon panjang dan tidak membentuk struktur bercabang yang kompleks. Sifatnya cenderung stabil, kaku, dan mengikuti hukum fisika serta kimia secara langsung. Contoh molekul anorganik antara lain air H2O, garam dapur NaCl, karbon dioksida CO2, amonia NH3, oksigen O2, nitrogen N2, serta mineral seperti kalsium karbonat CaCO3 dan kalsium fosfat Ca3(PO4)2. Molekul-molekul anorganik ini banyak berperan sebagai medium dan lingkungan. Air menjadi pelarut utama. Garam mengatur keseimbangan ion. Gas-gas menopang respirasi dan fotosintesis. Mineral memberi kekuatan struktural. Mereka tidak hidup, tetapi tanpanya kehidupan tidak mungkin berjalan.
Molekul organik memiliki ciri utama berupa berbasis rangka karbon (C). Kenapa harus karbon? Karbon merupakan unsur dasar penyusun kehidupan karena karena sifat fisika dan kimianya membuatnya menjadi unsur paling cocok untuk membangun struktur kompleks yang stabil sekaligus hidup. Keunggulan karbon ini bisa dilihat dari beberapa hal dasar.
Pertama, karbon memiliki empat elektron valensi, sehingga mampu membentuk empat ikatan kovalen. Dengan empat ikatan ini, satu atom karbon bisa mengikat atom lain ke empat arah berbeda. Ia bisa membentuk rantai lurus, bercabang, atau cincin. Struktur seperti ini hampir tidak terbatas variasinya. Dari susunan yang sama, karbon bisa membentuk molekul kecil seperti metana, sampai molekul raksasa seperti protein dan DNA. Unsur lain jarang punya kemampuan membangun kerangka sefleksibel ini.
Kedua, kekuatan ikatan karbon berada di titik yang pas. Ikatan karbon–karbon cukup kuat untuk bertahan lama dan tidak mudah putus, sehingga molekulnya stabil. Tapi ikatan ini juga tidak terlalu kuat, sehingga masih bisa diputus dan dibentuk kembali dalam reaksi kimia. Inilah keseimbangan yang sangat penting. Sistem hidup membutuhkan kestabilan agar tidak hancur, tapi juga membutuhkan perubahan agar bisa bereaksi, beradaptasi, dan berevolusi. Karbon menyediakan keduanya.
Ketiga, karbon mampu membentuk ikatan tunggal, rangkap dua, dan rangkap tiga. Variasi ikatan ini membuat struktur molekul karbon sangat beragam, baik dari segi bentuk maupun sifat. Ikatan rangkap memungkinkan molekul menjadi lebih kaku dan reaktif, sementara ikatan tunggal memberi fleksibilitas. Kombinasi ini menciptakan dinamika kimia yang kaya, sesuatu yang sulit dicapai oleh unsur lain.
Keunggulan berikutnya adalah ukuran atom karbon yang relatif kecil. Ukuran ini membuat orbital elektronnya saling tumpang tindih dengan baik saat membentuk ikatan kovalen. Hasilnya adalah ikatan yang kuat dan stabil. Pada unsur yang lebih besar seperti silikon, tumpang tindih orbitalnya kurang efektif, sehingga ikatannya lebih lemah dan strukturnya kurang tahan lama.
Karbon juga sangat fleksibel dalam berikatan dengan unsur lain. Ia mudah berikatan dengan hidrogen, oksigen, nitrogen, fosfor, dan sulfur. Dari kombinasi ini lahir molekul-molekul seperti glukosa C6H12O6, asam lemak, asam amino, dan nukleotida. Glukosa menjadi sumber energi. Asam amino menyusun protein. Nukleotida menyusun DNA dan RNA. Kombinasi ini menghasilkan molekul dengan fungsi yang sangat berbeda-beda. Ada yang menyimpan energi, ada yang membentuk struktur, ada yang mempercepat reaksi, dan ada yang menyimpan informasi. Semua fungsi dasar kehidupan muncul dari kombinasi ikatan karbon dengan unsur-unsur ini.
Selain itu, karbon tidak mudah terkunci dalam satu bentuk yang terlalu stabil. Ikatan karbon–oksigen cukup kuat, tapi tidak membuat karbon terjebak selamanya seperti silikon yang hampir selalu berakhir sebagai silikon dioksida. Karbon bisa berpindah bentuk, dari CO2 menjadi glukosa, lalu menjadi lemak, lalu kembali lagi menjadi CO2. Fleksibilitas ini memungkinkan siklus kimia yang panjang dan berkelanjutan.
Karbon unggul karena ia berada di titik tengah yang hampir sempurna. Ia cukup kuat untuk membangun struktur, cukup fleksibel untuk berubah, cukup kecil untuk stabil, dan cukup serbaguna untuk menciptakan kompleksitas. Dari sifat-sifat inilah, karbon mampu membangun molekul organik, sel, jaringan, hingga akhirnya organisme yang bisa duduk diam dan bertanya tentang keberadaannya sendiri.
Awal mula molekul organik ini diyakini berasal dari reaksi kimia sederhana di lingkungan awal bumi, ketika molekul-molekul kecil seperti CO2, H2O, NH3, dan CH4 bereaksi dengan bantuan energi dari panas, petir, atau radiasi matahari. Dari molekul sederhana ini, terbentuk senyawa karbon yang makin kompleks. Lama-kelamaan, molekul-molekul organik ini mulai berkumpul, berinteraksi, dan membentuk sistem yang mampu mereplikasi diri dan mempertahankan keseimbangannya sendiri.
Dari molekul organik terbentuk struktur yang lebih besar. Kita ambil contoh saja molekul penyusun makhluk hidup, dalam lamunanku diatas, manusia dan kucing.
-
Protein
Protein tersusun dari rantai panjang asam amino.
Asam amino sendiri dibangun dari C, H, O, N (kadang S).
Protein berfungsi sebagai:-
enzim (pemicu reaksi kimia)
-
pembentuk otot
-
pengangkut oksigen
-
reseptor saraf
Bentuk protein sangat menentukan fungsinya. Sedikit saja susunannya berubah, fungsinya bisa hilang total.
-
-
Lemak (lipid)
Lemak tersusun dari karbon dan hidrogen dalam jumlah besar.
Ikatan kovalen C–H menyimpan energi tinggi.
Lemak membentuk:-
cadangan energi
-
membran sel
-
pelindung organ
Otak manusia dan kucing sama-sama kaya lemak. Itu sebabnya lemak bukan musuh, tapi bahan struktural penting.
-
-
Karbohidrat
Tersusun dari C, H, dan O.
Digunakan sebagai sumber energi cepat dan bahan struktural tertentu.
Gula darah, glikogen, dan struktur sel tertentu berasal dari sini. -
DNA dan RNA
Inilah molekul paling ikonik kehidupan.
DNA tersusun dari C, H, O, N, dan P.
Ikatan kovalen membentuk tulang punggung DNA, sementara ikatan hidrogen mengikat pasangan basa.DNA menyimpan informasi:
-
bagaimana sel membelah
-
bagaimana protein dibuat
-
bagaimana bentuk tubuh berkembang
DNA manusia dan kucing berbeda urutannya, tapi bahasa kimianya sama.
-
Molekul-molekul diatas kemudian tersusun menjadi sel. Sel adalah unit dasar kehidupan. Setiap sel dibungkus oleh membran lipid yang memisahkan bagian dalam dan luar, menciptakan batas yang memungkinkan kehidupan berlangsung. Di dalamnya terdapat air, ion, protein, dan DNA yang terus berinteraksi. Tidak ada satu bagian pun yang berdiri sendiri. Semua bekerja sebagai sistem kimia yang saling bergantung. Sel kemudian bergabung membentuk jaringan, jaringan membentuk organ, dan organ bekerja bersama membentuk tubuh seperti yang aku dan kucing punya sekarang. Well cukup panjang ya ceritanya dari atom? Hehehe...
Meja Kayu
Oke sekarang ke benda di sekitar kita. Ambil saja contoh meja kayu. Apa yang menjadikan dia nyata?
Kayu berasal dari pohon. Dan pohon, seperti semua makhluk hidup, tersusun dari atom-atom yang sama dengan benda lain di alam semesta. Atom utama penyusun kayu adalah karbon (C), hidrogen (H), dan oksigen (O). Dalam jumlah kecil juga ada nitrogen dan mineral lain, tapi tulang punggung kayu itu tiga unsur ini.
Ceritanya dimulai dari daun. Pohon menyerap karbon dioksida (CO₂) dari udara dan air (H₂O) dari tanah. Dengan bantuan cahaya matahari, pohon melakukan fotosintesis. Dari reaksi inilah pohon merakit atom-atom karbon, hidrogen, dan oksigen menjadi molekul gula. Gula ini bukan sekadar makanan, tapi juga bahan bangunan.
Dari gula-gula sederhana ini, pohon membangun molekul besar bernama selulosa. Selulosa adalah rantai panjang yang tersusun dari ribuan unit glukosa yang saling terhubung lewat ikatan kovalen. Ikatan kovalen ini kuat dan stabil karena atom-atomnya berbagi elektron, bukan saling memberi atau merebut. Selulosa inilah yang menjadi rangka utama dinding sel tumbuhan.
Selain selulosa, ada dua komponen penting lain yaitu hemiselulosa dan lignin. Hemiselulosa membantu mengikat serat-serat selulosa satu sama lain. Lignin berfungsi seperti lem keras alami. Lignin mengisi ruang antar serat dan membuat kayu menjadi kaku, keras, dan tahan tekan. Tanpa lignin, kayu akan lembek seperti kapas basah.
Jadi di level molekul, kayu itu bukan benda pejal. Ia adalah jaringan serat panjang yang tersusun sangat rapi. Serat-serat ini tersusun sejajar mengikuti arah pertumbuhan pohon. Itulah sebabnya kayu punya serat, bisa dibelah searah, dan bisa patah tidak beraturan jika dipaksa berlawanan arah seratnya.
Kalau kita turunkan lagi ke level atom, semua molekul penyusun kayu itu diikat oleh ikatan kovalen yaitu ikatan karbon–karbon, karbon–oksigen, karbon–hidrogen, dan oksigen–hidrogen. Tidak ada ikatan ion dominan seperti pada garam. Karena itu kayu tidak menghantarkan listrik dan tidak larut dalam air seperti kristal ionik.
Dan meskipun meja kayu terasa keras saat disentuh, pada level atomik ia tetap sebagian besar adalah ruang kosong. Kekerasan meja muncul karena rantai molekulnya panjang dan saling terkait, lignin mengunci struktur agar tidak mudah berubah, saat tangan kita menyentuh meja, elektron di tanganmu dan elektron di kayu saling menolak. Bukan karena atom-atomnya saling bertabrakan, tapi karena gaya elektromagnetik bekerja sangat kuat pada jarak yang sangat kecil.
Jadi serangkaian proses inilah yang membuat meja kayu bisa nyata di depan kita.
Kursi Aluminium
Sekarang kita pindah ke kursi aluminium. Benda yang kelihatannya modern, dingin, ringan, dan kuat. Tapi kalau diturunin ke level paling dasar, ceritanya tetap dimulai dari atom. Kursi aluminium hampir seluruhnya tersusun dari atom aluminium (Al). Unsurnya cuma satu, bukan campuran kompleks seperti kayu. Setiap atom aluminium punya 13 proton di intinya, dikelilingi elektron, dengan 3 elektron valensi di kulit terluarnya. Dan tiga elektron inilah yang jadi kunci sifat logam aluminium.
Berbeda dengan kayu yang dibangun dari molekul-molekul panjang, aluminium tidak membentuk molekul diskret. Atom-atom aluminium tidak berikatan sebagai pasangan atau rantai kecil. Mereka membentuk kisi kristal logam—susunan atom yang sangat teratur, berulang ke segala arah. Ikatan yang menyatukan atom-atom aluminium ini disebut ikatan logam (metallic bonding).
Cara kerjanya agak unik. Atom aluminium melepaskan elektron valensinya, tapi bukan ke atom tertentu. Elektron-elektron ini menjadi elektron bebas, bergerak ke seluruh kisi logam. Sering dianalogikan sebagai lautan elektron. Di dalam lautan ini, inti-inti atom aluminium yang bermuatan positif tersusun rapi dan direndam bersama-sama. Jadi ikatan logam itu bukan saling memberi elektron seperti ikatan ion ataupun saling berbagi pasangan elektron seperti ikatan kovalen melainkan berbagi secara kolektif, massal, dan tidak terlokalisasi. Inilah yang membuat aluminium punya sifat khas logam kuat tapi ringan → karena inti-inti atom terikat oleh medan elektron bersama; mudah ditempa dan dibentuk → lapisan atom bisa bergeser tanpa memutus ikatan; menghantarkan listrik dan panas → karena elektron bebas bisa bergerak; mengkilap → elektron memantulkan cahaya
Ketika aluminium dibentuk menjadi kursi (dicor, diekstrusi, dilas) yang terjadi hanyalah penataan ulang posisi atom dalam kisi logam, bukan perubahan jenis atom atau ikatannya. Atomnya tetap aluminium. Ikatannya tetap ikatan logam. Dan seperti kayu, walaupun kursi aluminium terasa padat dan keras, di level atomik ia tetap sebagian besar ruang kosong. Inti atomnya kecil, jarak antar inti relatif besar, dan kekerasannya bukan karena 'penuh', melainkan karena gaya tarik antara inti positif dan lautan elektron negatif.
Saat kita duduk di kursi aluminium, tubuh kita tidak benar-benar menyentuh atom aluminium. Yang terjadi adalah elektron di tubuh kita mendekati elektron di kursi --> elektron-elektron itu saling menolak --> tolakan elektromagnetik itu kita rasakan sebagai keras.
Pertanyaan selanjutnya, kalau tubuh ini cuma kumpulan atom, lalu kesadaran itu muncul dari mana? Kok bisa ada rasa 'aku' di dalam kepala. Kok bisa ada pikiran, ingatan, rasa takut, rasa tenang? Mari kita bahas di postingan selanjutnya.
0 comments:
Posting Komentar