KONSEP DASAR DAN METODOLOGI BIOLOGI

KONSEP DASAR DAN METODOLOGI BIOLOGI

Biologi adalah salah satu ilmu pengetahuan yang mempelajari kehidupan (Campbell dkk, 2009; Simon dkk, 2013). Kehidupan di bumi selalu terkait dengan objek biotik dan abiotik. Objek biotik merupakan mahkluk hidup, sedangkan objek abiotik adalah bukan mahkluk hidup namun perannya selalu dibutuhkan untuk keberlangsungan kehidupan objek biotik (Gambar 1.1). Mahkluk hidup sebagai objek biologi terdiri atas tumbuhan, hewan, manusia, dan mikroorganisme. Semua yang disebut mahkluk hidup memiliki ciri-ciri pembeda dengan bukan mahkluk hidup, yaitu membutuhkan nutrisi (makanan), bernapas, bergerak, tumbuh dan berkembang, peka terhadap rangsangan, berkembangbiak (bereproduksi), membuang zat sisa (berekskresi), beradaptasi, dan berevolusi (Simon dkk, 2013; Palennari dkk, 2016). 

Gambar 1. Objek Biotik dan Abiotik

Salah satu cara berpikir mendasar yang perlu diterapkan untuk mempelajari biologi, yaitu berpikir dengan menghubungkan sedikit gagasan besar tentang konsep-konsep yang dipelajari dalam biologi (Campbell dkk, 2009; Simon dkk, 2013). Konsep itu dapat dikelompokkan ke dalam suatu tema (pokok bahasan), yaitu:

Tingkatan (Hierarki) Organisasi Biologis

Mempelajari hierarki organisasi biologis akan menuntun perjalanan dalam mempelajari kehidupan yang sangat luas menjadi tingkat-tingkat organisasi biologi yang berbeda. Bioesfer sebagai kumpulan ekosistem di bumi. Ekosistem sebagai kumpulan komunitas di suatu tempat. Komunitas sebagai kumpulan populasi di suatu tempat yang saling berinteraksi. Populasi sebagai kumpulan individu (organisme) sejenis di suatu tempat yang terbatas. Organisme sebagai mahkluk hidup individual yang memiliki sistem organ. Sistem Organ sebagai kumpulan organ yang bekerja sama menjalankan suatu fungsi spesifik. Organ sebagai kumpulan jaringan tertentu. Jaringan sebagai kumpulan sel tertentu. Sel sebagai unit dasar bagi struktur dan fungsi kehidupan yang tersusun atas kumpulan organel tertentu. Organel sebagai suatu komponen fungsional yang tersusun dari senyawa tertentu. Senyawa (makromolekul) sebagai zat yang terdiri atas molekul tertentu, contohnya protein.  Molekul sebagai struktur kimia yang tersusun atas dua atau lebih atom, contohnya asam nukleat (DNA). Atom sebagai suatu satuan dasar materi yang berupa partikel kecil. Hierarki organisasi biologis dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Hierarki Organisasi Biologis (Raven dkk, 2017)

Interaksi Organisme sebagai Mahkluk Hidup dengan Lingkungan

Di suatu ekosistem terjadi interaksi terus-menerus antara organisme dengan lingkungannya, baik interaksi dengan organisme lainnya atau dengan faktor tak hidup. Pada Interaksi antara keduanya (organisme dan lingkungan) terdapat dua proses yaitu siklus nutrien/materi dan aliran energi (Gambar 3). Siklus nutrien berlangsung ketika mineral yang ada di tanah diambil oleh tumbuhan dan akhirnya akan dikembalikan lagi ke tanah oleh organisme yang menguraikan daun mati, akar mati, dan sisa-sisa organik lainnya. Aliran energi terjadi satu arah dari cahaya matahari menuju ke produsen dan kemudian ke konsumen. Produsen yaitu tumbuhan dan organime fotosintetik lainnya yang menggunakan energi cahaya untuk membuat glukosa. Konsumen adalah organisme yang memakan produsen dan konsumen lain. Selain itu, pada interaksi antara organisme dan lingkungan terjadi perubahan (transformasi) dari satu bentuk energi ke bentuk yang lain. Daun tumbuhan menyerap energi cahaya dan mengubahnya menjadi energi kimia yang tersimpan dalam glukosa. Kemudian, sel otot hewan akan menggunakan glukosa (energi kimia) untuk dirubah menjadi energi kinetik (energi gerak). Selanjutnya, pada semua perubahan itu sebagian dari energi diubah menjadi energi termal (panas) yang dibuang kelingkungan.

Gambar 1.3 Aliran energi dan aliran nutrisi pada ekosistem (Simon dkk, 2012)

Struktur dan Fungsi pada Semua Tingkat Organisasi Biologi

Menganalisis struktur pada tingkat organisme biologis tertentu akan memberikan petunjuk mengenai apakah struktur itu dan bagaimana bekerjanya. Sebaliknya, mengetahui fungsi pada tingkat organisme biologis tertentu akan memberikan petunjuk untuk mengenali strukturnya. Dengan demikian, struktur akan memiliki korelasi dengan fungsi. Sebagai contoh, bentuk daun menyerupai jarum pada kaktus untuk mengurangi penguapan air. Selain itu, sayap pada kupu-kupu dan sirip pada ikan (Gambar 4).

Gambar 1.4 Struktur yang Berhubungan dengan Fungsi (Simon dkk, 2012)

Sel Sebagai Unit Dasar bagi Struktur dan Fungsi Organisme

Sel merupakan unit dasar yang dapat melakukan semua aktivitas yang dibutuhkan agar tetap hidup. bahkan, semua aktivitas organisme didasarkan pada aktivitas sel. Sel sebagai unit dasar dibedakan menjadi dua bentuk utama, yaitu sel prokariotik dan sel eukariotik. Sel prokariotik adalah sel yang belum memiliki membran inti sehingga DNA tidak terpisah dari bagian sel lainnya dan sel ini belum memiliki organel terselubung membran. Sedangkan, sel eukariotik adalah sel yang sudah memiliki membran inti sehingga DNA terpisah dari bagain sel lainnya dan sel ini sudah memiliki organel terselubung membran (Gambar 5).

Gambar 5. Pembeda Sel Prokariotik dan Sel Eukariotik (Simon dkk, 2012)

Keberlanjutan Kehidupan Berlandaskan pada DNA Sebagai Informasi yang Terwariskan

Pada setiap sel terdapat kromosom. Kromosom mengandung hampir semua materi genetik sel yaitu DNA (Deoxyribonucleic acid atau asam deoksiribonukleat) (Gambar 6). DNA merupakan substasi gen, yaitu unit pewarisan sifat yang meneruskan informasi dari induk ke keturunannya. Struktur dan fungsi DNA sangat penting dalam kelanjutan kehidupan. Setiap manusia memulai kehidupan sebagai satu sel tunggal yang memperoleh DNA yang diwariskan dari kedua orang tuannya. Replikasi DNA di setiap pembelahan sel akan meneruskan salinan DNA tersebut ke triliunan sel. Di setiap sel, gen-gen di sepanjang molekul DNA mengkode informasi untuk membangun molekul-molekul sel lainnya. Melalui cara inilah, DNA mengontrol perkembangan dan pemeliharaan keseluruhan organisme, bahkan dengan kata lain DNA dapat berperan sebagai database sentral. Perlu diketahui bahwa kemampuan DNA untuk menyimpan informasi berasal dari struktur molekulnya. Setiap molekul DNA tersusun atas dua rantai panjang yang membentuk heliks ganda (double helix). Setiap mata rantai DNA tersusun atas nukleotida, yaitu ikatan antara posfat, gula deoksiribosa, dan satu jenis basa nitrogen. Basa nitrogen DNA antara lain adenin (A), guanin (G), sitosin (C), dan timin (T). Susunan berurutan yang spesifik dari basa nitrogen DNA dalam bentuk triplet (tiga basa nitrogen) akan ditranslasikan dalam bentuk protein oleh sel melalui mekanisme sintesis protein, mekanisme yang terdiri atas dua tahap yaitu tahap transkripsi dan translasi. 

Gambar 6. Struktur DNA (Raven dkk, 2017)

Sistem Biologis yang Dikontrol oleh Mekanisme Umpan Balik

Kemampuan berbagai proses biologis untuk mengontrol diri melalui mekanisme yang disebut umpan balik. Mekanisme kontrol umpan balik dapat dibedakan menjadi dua, yaitu umpan balik negatif dan umpan balik positif. Mekanisme kontrol umpan balik negatif, yaitu akumulasi produk akhir suatu proses akan memperlambat proses itu sendiri. Sebagai contoh, pemecahan glukosa oleh sel akan menghasilkan ATP. Ketika sel menghasilkan banyak ATP dari pada yang biasa digunakan, maka ATP yang berlebih itu akan memberikan umpan balik dan menghambat kerja enzim di dekat awal jalur sehingga produksi ATP dapat dihambat. Sedangkan, mekanisme kontrol umpan balik positif yaitu akumulasi produk akhir akan mempercepat produksi suatu proses itu sendiri. Sebagai contoh, ketika pembuluh darah ada yang rusak maka trombosit (keping darah) mulai bergerombol di bagian yang rusak. Selanjutnya, trombosit akan mengeluarkan zat-zat kimia. Zat-zat kimia itu akan menarik lebih banyak trombosit di bagian yang rusak itu sehingga kumpulan trombosit yang banyak di bagian yang rusak itu akan melakukan proses kompleks yang akan menyembuhkan luka (Gambar 7).   

Gambar 1.7 Mekanisme Umpan Balik Positif (Simon dkk, 2012)

Evolusi Sebagai Penyebab Kesatuan dan Keanekaragaman Kehidupan

Sejarah kehidupan yang dibuktikan dengan penemuan fosil dan bukti lainnya merupakan kisah bumi yang terus menerus berubah dalam waktu miliaran tahun, yang disana dihuni oleh berbagai bentuk kehidupan yang terus berevolusi. Setiap spesies adalah satu ranting dari cabang pohon kehidupan yang memanjang ke masa lalu melalui spesies leluhur yang semakin jauh. Semua kehidupan terhubung dan dasar kekerabatan itu adalah evolusi, yaitu proses yang telah mengubah kehidupan di bumi dari awal mula sampai beragam seperti sekarang. Evolusi merupakan dasar kehidupan dan sekaligus menjadi tema yang mempersatukan tema-tema yang dipelajari dalam biologi. Selanjutnya, pemikiran cemerlang yang akan menunjukkan jalan untuk memahami tentang evolusi sebagai penyebab kesatuan dan keberagaman kehidupan adalah pandangan Carles Darvin tentang kehidupan melalui dua poin utama, yaitu “keturunan” yang identik dengan kesatuan dan “modifikasi” yang identik dengan keberagaman. Darwin menyatakan bahwa spesies yang hidup saat ini diturunkan dari suksesi spesies leluhur. Darwin menyebut proses ini “turun dengan modifikasi”. Mekanisme penurunan sifat dengan modifikasi itu dijelaskan oleh Darwin melalui seleksi alam. Gambar 8 merupakan contoh evolusi pada burung finch.

Gambar 8. Bentuk Paruh Burung Finch sebagai Salah Satu Bentuk Evolusi (Raven dkk, 2017)

Metodologi Biologi

Dorongan rasa ingin tahu manusia terhadap dirinya sendiri dan dunia sekitarnya, memunculkan dua pendekatan ilmiah utama yaitu discovery science (ilmu penemuan) dan hypothesis (dugaan sementara). Discovery science menggambarkan struktur dan proses alam seakurat mungkin melalui pengamatan dan analisis data yang cermat. Sedangkan, hypothesis adalah dugaan sementara atau tentatif yang terlihat seperti tebakan terdidik berdasarkan pengalaman dan data yang tersedia dari discovery science. Kombinasi dari dua pendekatan ini membantu ilmuan biologi untuk memecahkan masalah kehidupan dan menjawab pertanyaan spesifik dengan efisien dan efektif melalui suatu metodologi tertentu yang dikenal dengan metode ilmiah (Campbell dkk, 2009; Simon dkk, 2013; Raven dkk, 2017; Belk dkk, 2013). Metode ilmiah merupakan suatu proses yang teratur yang memberikan bukti ilmiah untuk penjelasan fenomena alam (Gunstream, 2012). Aplikasi dari dua pendekatan ilmiah utama di atas pada biologi, dapat dijabarkan melalui tahapan metode ilmiah sebagai berikut. (1) Pelaksanaan observasi, (2) perumusan masalah, (3) perumusan hipotesis, (4) perumusan prediksi, (5) pelaksanaan eksperimen, (6) pelaksanaan analisis data, dan (7) pembuatan kesimpulan (Simon dkk, 2013; Raven dkk, 2017; Gunstream, 2012; Palennari, 2016).