biologi sebagai ilmu

BAB 1

BIOLOGI SEBAGAI ILMU

A.  Biologi Sebagai Ilmu Pengetahuan

1.      Sifat Dasar Ilmu Pengetahuan

Kata sains berasal dari bahasa latin yang berarti mengetahui. Sains adalah cara mengetahui alam yang berkembang dari keingintahuan terhadap diri kita sendiri, makhluk hidup lain, planet kita, dan alam semesta. Sains merupakan unsure tantangan,petualangan,penalaran dan keberuntungan juga perencanaan yang hati-hati dan kegigihan untuk mengatasi halangan. Dalam sains, bukti dari pemgamatan dan percobaaan baru dianggap meyakinkan jika berhasil memenuhi kriteria keterulangan.

2.      Filosofi Ilmu Pendidikan

a.       Teori

Penggunaan istilah teori dalam kehidupan sehari-hari seringkali berarti spekulasi yang tidak teruji. Namun teori memiliki arti yang berbeda dalam sains.

            Teori ilmiah memiliki cakupan yang lebih luas daripada hipotesis. Teori seleksi alam Darwin menjelaskan banyak sekali ragam adaptasi, termasuk mimikri. Jika dibandingkan dengan hipotesis manapun, teori umumnya didukung oleh bukti yang jauh lebih banyak. Teori-teori yang diberlakukan secara luas dalam sains menjelaskan keanekaragaman pengamatan yang luar biasa, dan didukung oleh akumulasi bukti yang sangat banyak.

b.      Keterbatasan Ilmu Pengetahuan

Penelitian ilmiah merupakan cara yang hebat untuk mempelajari alam, namun ada keterbatasan mengenai jenis pertanyaan yang bisa dijawab. Batasan-batasan ini muncul akibat persyaratan sains bahwa hipotesis harus bisa diuji dan difalsifikasi, serta bahwa hasil pengamatan dan percobaan harus bisa diulangi.

Pengamatan yang tidak dapat diversifikasi tidak bisa dianggap sebagai bukti dalam penelitian ilmiah. Dalam sains, bukti dari pengamatan dan percobaan baru dianggap meyakinkan jika berhasil memenuhi kriteria keterulangan.

2.      Molekul Kehidupan

Kehidupan di bumi ini sangat kompleks, kita mungkin meduga organisme memiliki banyak keragaman molekul. Akan tetapi, secara luar biasa, molekul-molekul besar yang sangat penting bagi semua organisme terbagi ke dalam empat kelas utama, yaitu: Karbohidrat, lipid, protein, dam asam nukleat. Pada skala molecular, anggota dari tiga kelas ini, karbohidrat, protein dan asam nukleat berukuran bear sehingga disebut makromolekul (macromolecule).

Makromolekul merupakan polimer, yang terusun dari monomer monomer.

            Tiga kelas makromolekul dari empat kelas yang ada pada senyawa organik kehidupan yaitu karbohidrat, protein, dan sam nukleat, merupakan molekul serupa-rantai yang disebut. Polimer (polymer) adalah molekul panjang yang terdiri dari banyak blok pembangun yang mirip atau identik dan tertaut oleh ikatan kovalen.

Sintesis dan penguraian Polimer.

            Kelas-kelas polimer berbeda dalam sifat monomer-monomernya, namun mekanisme kimia yang digunakan oleh sel untuk membuat dan menguraikan polimer pada dasarnya sama untuk semua molekul tersebut (gambar 3.1 ).

Penggabungan monomer dengan reaksi  dua molekul membentuk ikatan kovalen diiringi oleh hilangnya satu molekul air dikenal sebagai reaksi kondensasi (condensation reaction), atau secara lebih spesifik reaksi dehidrasi (dihydratian reaction), karena molekul yang hilang merupakan air (gambar 3.1a).

Gambar 3.1 Sintesis dan penguraian polimer

Polimer dipecah menjadi monomer-monomer melalui hidrolisis (hydrolysis), proses yang pada dasarnya merupakan kebalikan dari reaksi dehidrasi (gambar 3.1b). Hidrolisis berarti memutus dengan menggunakan air.

a.      Karbohidrat

Karbohidrat (carbohydrate) mencakup gula sekaligus polimer-polimer gula. Karbohidrat paling sederhana adalah monosakarida. Disakarida adalah gula ganda, terdiri dari dua monosakarida yang digabungkan oleh reaksi dehidrasi. Karbohidrat juga mencakup makromolekul yang disebut polisakarida.

1.       Gula

Monosakarida (monosaccharide) umumnya memiliki rumus molekul yang merupakan kelipatan unit CH₂O (Gambar 3.2). Glukosa, misalnya, merupakan aldosa; sedangkan fruktosa, isomer struktur dari glukosa, adalah ketosa.

Keanekaragaman lain dari gula sederhana adalah susunan special bagian-bagiannya di sekeliling karbon asimetrik.

Disakarida (disaccharide) terdiri dari dua monosakarida yang digabungkan oleh tautan glikosidik (glycosidic linkage), ikatan kovalen yang terbentuk antara dua monosakarida melalui reaksi dehidrasi.

2.       Polisakarida

   Polisakarida (polysaccharide) adalah makromolekul. Polisakarida berperan sebagai pembangun bagi struktur-struktur yang melindungi sel atau keseluruhan organisme.

Polisakarida dibedakan menurut arsitektur dan fungsinya yaitu polisakarida simpanan dan polisakarida structural.

polisakarida simpanan, tumbuhan maupun hewan menyimpan gula dalam bentuk polisakarida simpanan. Tumbuhan menyimpan polisakarida yang disebut pati (strarch), hewan menyimpan polisakarida yang disebut glikogen (glikogen).

Polisakarida structural, organisme membangun materi kuat dari polisakarida structural. Misalnya polisakarida yang disebut selulosa (cellulose) merupakan komponen utama dinding kokoh yang menyelubungi sel tumbuhan.

b.      Lipid

Lipid adalah salah satu kelas molekul biologis berukuran besar yang tidak mencakup polimer sejati, dan biasanya tidak cukup besar untuk dianggap sebagai makromolekul. Senyawa-senyawa yang disebut lipid dikelompokkan menjadi satu karena memiliki satu kesamaan cirri penting: Lipid sulit tercampur dengan air, bahkan mungkin tidak bisa sama sekali.

1.      Lemak

Walaupun bukan polimer, lemak merupakan molekul besar yang tersusun dari sejumlah molekul yang lebih kecil melalui reaksi dehidrasi. Lemak (fat) terbuat dari dua jenis molekul yang lebih kecil: gliserol dan asam lemak (gambar 3.3a).

Asam-asam lemak yang terkandung dalam lemak bisa saja sama, seperti pada gambar 3.3b, atau mungkin berasal dari dua atau tiga jenis yang berbeda.

Asam lemak (fatty acid) memiliki rangka karbon panjang, biasanya sepanjang 16 sampai 18 atom karbon. Jika tidak ada ikatan rangkap di antara atom-atom karbon yang menyusun rantai, maka atom hidrogen dapat terikat sebanyak mungkin pada rangka karbon. Kondisi semacam itu disebut sebagai struktur yang jenuh dengan hidrogen, sehingga asam lemak yang dihasilkan disebut asam lemak jenuh (saturated fatty acid, gambar 3.4a). Asam lemak tak jenuh (unsaturated fatty acid) memiliki satu atau lebih ikatan rangkap, terbentuk dari penyingkiran atom-atom hidrogen dari rangka karbon. Asam lemak akan memiliki tekukan pada rantai hidrokarbonnya di tempat terdapatnya ikatan rangkap cis (gambar 3.4b).

2.      Fosfolipid

Sel-sel tidak mungkin ada tanpa suatu tipe lipid lain fosfolipid (phospholipid). Fosfolipid bersifat esensial bagi sel karena merupakan komponen membrane sel. Struktur fosfolipid merupakan contoh klasik bagaimana bentuk sesuai dengan fungsi pada tingkat molekular.

3.      Steroid

Banyak hormon juga kolesterol merupakan steroid, yaitu lipid yang dicirikan oleh rangka karbon yang tersusun atas empat cincin yang menyatu (gambar 3.5). steroid-steroid yang berbeda memiliki gugus kimia yang bervariasi pada rangkaian cincin ini. Kolesterol (cholesterol) adalah komponen umum membrane sel hewan dan juga merupakan prekursor untuk sintesis steroid-steroid lain.

c.       Protein

Hampir setiap fungsi dinamik dalam makhluk hidup bergantung pada protein. Faktanya, nilai penting protein digarisbawahi oleh namanya, yang berasal dari kata Yunani proteios, yang berarti ‘tempat pertama’.

Protein-protein enzimatik meregulasi metabolism dengan cara bekerja sebagai katalis (catalyst), agen kimia yang secara selektif mempercepat reaksi kimia tanpa ikut bereaksi (gambar 3.6).

1.      Polipeptida

Meskipun protein beraneka ragam, semuanya merupakan polimer yang tersusun dari suatu set yang sama. Polimer asam amino disebut polipeptida (polypeptide). Protein terdiri dari satu atau lebih polipeptida, yang masing-masing terlipat dan mengumpar menjadi struktur berdimensi-tiga yang spesifik.

Monomer Asam Amino

Semua asam amino memiliki kesamaan struktur. Asam amino (amino acid) adalah molekul organic yang memiliki gugus karboksil dan gugus amino sekaligus.

Polimer Asam Amino

Setelah mengkaji asam amino, mari kita tengok bagaimana asam-asam amino ditautkan menjadi polimer. Ikatan kovalen yang dihasilkan disebut ikatan peptide (peptide bond). Jika diulangi berkali-kali, proses ini menghasilkan polipeptida, polimer banyak asam amino yang ditautkan oleh ikatan peptide.

Struktur dan Fungsi Protein

Aktivitas spesifik protein dihasilkan dari arsitektur tiga dimensi yang rumit, dengan tingkat yang paling sederhana berupa sekuens asam-asam amino dari protein tersebut.

Istilah polipeptida tidak sinonim dengan istilah protein. Protein fungsional bukan sekadar suatu rantai polipeptida, melainkan satu atau lebih polipeptida yang secara tepat terpuntir, terlipat, dan terkumpur menjadi molekul berbentuk unik (gambar 3.7).

Struktur spesifik protein menetukan bagaimana kerjanya. Pada hampir setiap kasus, fingsi protein bergantung pada kemampuannya mengenali dan berikatan dengan molekul lain.

Empat Tingkat Struktur Protein

Terlepas dari keanekaragamannya yang luar biasa, semua protein memiliki kesamaan tiga tingkat struktur yang saling bertumpukan, dikenal sebagai struktur ptimer, sekunder, dan tersier. Tingkat keempat, struktur kuaterner, muncul ketika suatu protein terdiri dari dua atau lebih rantai polipeptida.

d.      Asam Nukleat

Sekuens asam amino suatu polipeptida diprogram oleh unit pewarisan sifat yang dikenal sebagai gen (gene). Gen terdiri dari DNA, polimer yang tergolong ke dalam kelas senyawa yang disebut asam nukleat (nucleic acid).

Peran Asam Nukleat

Kedua tipe asam nukleat, asam deoksiribonukleat (deoxyribonucleic acid, DNA), dan asam ribonukleat (ribonucleic acid, RNA). DNA merupakan satu-satunya molekul yang menyediakan arahan untuk replikasi dirinya sendiri. DNA juga mengarahkan sintesis RNA, dan melalui RNA, mengontrol sintesis Protein (gambar 3.8).

Struktur Asam Nukleat

Asam nukleat adalah makromolekul yang terdapat sebagai polimer yang disebut polinukloetida (polynucleotide). Seperti yang diindikasikan oleh namanya, setiap polinukleotida terdiri atas monomer-monomer yang disebut nukleotida (nucleotide). Setiap nukleotida tersusun dari tiga bagian: basa bernitrogen (nitrogenous base), gula berkarbon lima (pentosa), dan gugus fosfat. Nukleotida yang tanpa gugus fosfat disebut nukleosida.

                                                                                                                  

Monomer Nukleotida

Ada dua famili basa bernitrogen: pirimidin dan purin. Pirimidin (pyrimidine) mempunyai cincin beranggotakan eman atom yang terdiri dari karbon dan nitrogen. Anggota famili pirimidin adalah sitosin (C), timin (T), dan urasil (U). Purin (purine) berukuran lebih besar, dengan cincin beranggota-enam yang menyatu dengan cincin beranggota-lima. Purin adalah adenine (A) dan guanine (G).

Gula yang terhubung ke basa bernitrogen adalah ribose (ribose) dalam nukleotida RNA dan deoksiribosa (deoxyribose) dalam DNA.

Polimer Nukleotida

Nukleotida-nukleotida yang bersebelahan digabungkan oleh suatu tautan fosfodiester, yang terdiri dari gugus fosfat yang menghubungkan gula-gula pada kedua nukleotida. Ikatan ini menghasilkan tulang punggung dengan pola berulang berupa unit-unit gula-fosfat.

Sekuens (urutan) basa

 di sepanjang polimer DNA (atau mRNA) bersifat unik bagi setiap gen dan memberikan informasi yang sangat spesifik kepada sel.

Heliks Ganda DNA

Molekul-molekul RNA sel terdiri dari suatu rantai polinukletida tunggal.Sebaliknya molekul-molekul DNA seluler memiliki dua polinukleotida yang membentuk spiral disekeliling sumbu hayalan, membentuk heliks ganda (double heliks Peraga 5.28)

Peraga  5.28 Heliks Ganda DNA dan replikasinya. Molekul DNA biasanya beruntai ganda dengan tulang punggung gu[ala fosfat pada kedua untai polinukleotida anti paralel (disini disimbolkan dengan pita biru) pada bagian luar heliks. Kedua untia disatukan oleh pasangan basa bernitrogen yang melekat satu sama lain berkat ikatan hidrogen.seperti yang diilustrasikan pada gambar dengan bentuk simbolik untuk basa, adenine (A) hanya dapat berpasangan Timin (T), sedangkan Guanin (G) hanya dpat berpasangan dengan Sitosis (C). Ketika suatu sel bersiap-siap membelah kedua untai pada heliks gandanya memisah dan masing-masing berperan sebgai cetakan untuk pengurutan tepat nukleotida-nukleotida menjadi untai-untai komplementer baru (jingga). Setiap untai DNA dalam peraga ini merupakan ikuivalen structural dari polinukloetida yang digambarkan pada perga 5.27a.

Setiap jenis basa tertentu dalam heliks ganda hanya dapat membentuk pasangan dengan satu jenis basa spesifik yang lain. Adenine (A) selalu berpasangan denga Timin (T), sedangkan Guanin (G) selalu berpasangan dengan Sitosin (C). Jika kita hendak membaca sekuens basa pada untai yang satu lagi. Jika salah satu bagian untai memiliki sekuens basa 5’-AGGTCCG-3’, maka kita mengetahui dari aturan berpasangan basa bahwa bagian yang sama pada untai yang satu lagi pastilah sekuens 3’-TCCAGGC-5’. Kedua untai pada heliks ganda bersifat komplementer, masing-masing merupakan pasangan yang bisa diprediksi dari untai yang satu lagi. Cirri DNA inilah yang memungkinkan penyalinan tepat gen-gen yang berperan dalam pewarisan sifat. Dalam mempersiapkan pembelahan sel masing-masing dari kedua untai DNA berperan seagai cetakan untuk mengurutkan nukleotida-nukleotida menjadi untai komplementer yang baru. Hasilnya adalah dua soliner identik dari molekul DNA beruntai ganda yang asli, yang kemudian dibagikan kedua sel-sel anakan. Dengan demikian, struktur DNA lah yang menentukan fungsinya dalam meneruskan informasi genetic setiapkali sel bereproduksi.

Kedua polinukleotida atau disebut untaian, disatukan oleh ikatan-ikatan hidrogen diantara basa-basa yang berpasangan oleh interaksi van der Waals diantara basa-basa yang bertumpukan. Satu heliks ganda DNA yang panjang mengandung banyak gen yang masing-masing merupakan segmen tertentu pada molekul tersebut.

DNA dan Protein Sebagai Pita Pengukur Evolusi

Gen dan produknya (protein) mendokumentasikan latar belakang garis keturunan suatu organisme. Sekuens linear nukleotida dalam molekul DNA diteruskan dari induk ke anak, sekuens ini menentukan sekuens asam amino protein. Kita dapat menduga bahwa dua spesies yang tampaknya berkerabat dekat berdasarkan bukti fosil dan antomis juga memilki lebih banyak kesamaan sekuens DNA dan sekuens protein daripada spesis-spesies yang berkerabat lebih jauh dan memang faktanya demikianlah yang terjadi. Salah satu contoh adalah perbandingan rantai polipeptida hemoglobin manusia dengan polipeptida hemoglobin yang bersesuaian pada lima kelompok vertebrata lain. Pada rantai lain yang sepanjang 146 asam amino ini manusia dan gorilla berbeda hanya dalam satu asam amino sedangkan manusia dan katak berbeda sebanyak 67 asam amino. Biologi molekuler telah menambahkan satu pita pengukur baru pada koleksi peralatan yag digunakan oleh ahli biologi untuk mengkaji kekerabatan evolusioner.

Pola organisasi kehidupan

1)      Biosfer

Biosfer terdiri darisemua lingkungan dibumi yang dihuni oleh kehidupan. Biosfer mencakup sebagian besar wilayah daratan, badan air, dan atmosfer sampai ketinggian beberapa meter.

2)      Ekosistem

Ekosistem terdiri dari semua makhluk hidup di daerah tertentu, bersama semua komponen tak hidup dalam lingkungan yang berinteraksi dengan makhluk hidup misalnya tanah, air, gas-gas di atmosfer dan cahaya. Contohnya padang rumput, gurun, dan terumbu karang di laut.

3)      Komunitas

Komunitas adalah seluruh organisme yang menghuni suatu ekosistem tertentu atau beberapa populasi yang menghuni daerah tertentu, yang saling berinteraksi. Contohnya komunitas dalam ekosistem hutan mencakup banyak jenis pohon dan tumbuhan lain, beraneka ragam hewan dan mikroorganisme.

4)      Populasi

Populasi terdiri dari semua individu dari suatu spesies yang hidup dalam batas-batas daerah tertentu. Misalnya populasi kucing, kelapa sawit.

5)      Organisme

Makhluk hidup individual disebut organisme. Contohnya sebatang pohon apel, seekor kelinci.

6)      Organ dan system organ

Organ melaksanakan fungsi tertentu dalam tubuh. Contohnya batang, akar, organ manusia seperti jantung, ginjal, paru-paru dll. System organ terdiri dari sekelompok organ yang bekerasama melaksanakan suatu fungsi yang spesifik. Contohnya: system ekskresi terdiri dari orgn paru-paru, ginjal, kulit, dan hati.

7)      Jaringan

Kumpulan dari beberapa sel yang mirip membentuk jaringan. Contohnya jaringan epidermis, jaringan penyokong.

8)      Sel

Sel merupakan unit fundamental bagi struktur dan fungsi kehidupan.misalnya amoeba dan seagian besar bakteri merupakan sel tunggal sedangkan tumbuhan, hewan dan manusia merupakan organisme multiselular .

9)      Organel

Organel merupakan komponen fungsional yang menyusun sel. Contohnya kloroplas

10)  Molekul

Molekul adalah struktur kimia yang terdiri dari dua atau lebih unit kimia kecil yang disebut atom.

Ciri Makhluk Hidup

a)      Makhluk hidup membutuhkan energi

Bergerak,bertumbuh,bereproduksi dan aktivitas lainnya merupakan suatu kerja yang memerlukan energi. Energi terdapat dalam berbagai bentuk, dan kerja kehidupan bergantung pada kemampuan sel untuk mentransformasi (mengubah bentuk) energy dari satu bentuk ke bentuk lain. Proses utama dalam dalam suatu ekosistem berupa aliran energy satu arah dari cahaya matahari menuju produsen dan kemudian menuju konsumen. Contohnya: daun tumbuhan menyerap energy cahaya dan mengubahnya menjadi energy kimia yang tersimpan dalam molekul gula.,ketika sel-sel otot seekor hewan menggunakan gulasebagai bahan bakar untuk pergerakan, sel-sel itu mengubah energy kimia menjadi energy gerak.

b)      Makhluk hidup membutuhkan makanan

Setiap makhluk hidup memerlukan makanan untuk  keberlangsungan hidupnya. Organisme memerlukan senyawa-senyawa organik yang digunakannya untuk mendapatkan energi dan rangka karbon melalui satu dari dua metode utama: nutrisi autotrofik atau nutrisi heterotrofik. Organism autotrofik dapat memenauhi makanannya sendiri dengan menggunakan molekul organic dari karbondioksida dan bahan mentah anorganik lain dari lingkungan. Sedangkan heterotrof bertahan hidup dengan mengambil senyawa-senyawa yang dihasilkan organisme lain.

c)      Makhluk hidup memiliki materi genetik

Didalam sel kita dapat melihat struktur yang disebut kromosom. Kromosom mengandung hamper semua materi genetic sel yaitu DNA(deoxyribonucleic acid, asam deoksiribonukleat). DNA adalah unit pewarisan sifat yang meneruskan informasi dari induk ke keturunan. DNA berperan sebagai database sentral untuk menyimpan informasi berasal dari struktur molekulernya.

d)     Makhluk hidup menanggapi rangsangan

Peran komunikasi dalam kehidupan atau kemampuan menanggapi rangsangan dari luar lingkungan sangatlah penting. Komunikasi antara sel ke sel mutlak bagi organism multiselular dan uniselular. Sel dapat berkomunikasi melalui kontak langsung. Triliunan sel dalam organism mengoordinasikan aktivitasnya dalam suatu cara yang memungkinkan organisme berkembang.