ILMU BIOLOGI : Pengertian, Konsep Dan Studi Tentang Strukturnya
Ilmu Biologi – adalah studi tentang makhluk hidup dan proses vitalnya. Bidang ini membahas semua aspek fisikokimia kehidupan. Kecenderungan modern terhadap penelitian lintas-disiplin dan penyatuan pengetahuan ilmiah dan investigasi dari berbagai bidang telah menghasilkan tumpang tindih yang signifikan dari bidang biologi dengan disiplin ilmu lainnya.
Prinsip-prinsip modern bidang lain – kimia, kedokteran, dan fisika, misalnya – diintegrasikan dengan biologi di berbagai bidang seperti biokimia, biomedis, dan biofisika.
Biologi dibagi menjadi cabang-cabang yang terpisah untuk kenyamanan belajar, meskipun semua subdivisi saling terkait oleh prinsip-prinsip dasar.
Dengan demikian, sementara itu adalah kebiasaan untuk memisahkan studi tentang tumbuhan (botani) dari studi tentang hewan (zoologi), dan studi tentang struktur organisme (morfologi) dari fungsi (fisiologi), semua makhluk hidup memiliki kesamaan biologis tertentu fenomena — misalnya, berbagai cara reproduksi, pembelahan sel, dan transmisi materi genetik.
Biologi sering didekati berdasarkan tingkat yang berhubungan dengan unit kehidupan mendasar. Pada tingkat biologi molekuler, misalnya, kehidupan dianggap sebagai manifestasi transformasi kimia dan energi yang terjadi di antara banyak unsur kimia yang menyusun suatu organisme.
Sebagai hasil dari pengembangan instrumen dan teknik laboratorium yang semakin kuat dan tepat, adalah mungkin untuk memahami dan mendefinisikan dengan presisi tinggi dan akurasi tidak hanya organisasi fisiokimia utama (ultrastruktur) dari molekul-molekul dalam makhluk hidup tetapi juga cara makhluk hidup mereproduksi di tingkat molekuler. Terutama penting bagi kemajuan itu adalah munculnya genomik pada akhir abad ke-20 dan awal.
Biologi sel adalah studi sel — unit dasar struktur dan fungsi dalam organisme hidup. Sel pertama kali diamati pada abad ke-17, ketika mikroskop majemuk ditemukan.
Sebelum waktu itu, organisme individu dipelajari secara keseluruhan dalam bidang yang dikenal sebagai biologi organisme; bahwa bidang penelitian tetap merupakan komponen penting dari ilmu biologi. Biologi populasi berkaitan dengan kelompok atau populasi organisme yang mendiami area atau wilayah tertentu.
Termasuk di tingkat itu adalah studi tentang peran yang dimainkan oleh jenis tumbuhan dan hewan tertentu dalam hubungan timbal balik yang kompleks dan berkelanjutan yang ada antara dunia yang hidup dan yang tidak hidup, serta studi tentang kontrol bawaan yang menjaga hubungan itu secara alami .
Level-level yang berdasarkan luas itu — molekul, sel, seluruh organisme, dan populasi — dapat dibagi lagi untuk dipelajari, sehingga memunculkan spesialisasi seperti morfologi, taksonomi, biofisika, biokimia, biokimia, genetika, epigenetik, dan ekologi.
Suatu bidang biologi mungkin secara khusus berkaitan dengan penyelidikan satu jenis makhluk hidup — misalnya, studi tentang burung di ornitologi, studi tentang ikan dalam ilmu biologi, atau studi tentang mikroorganisme dalam mikrobiologi.
Konsep Dasar Biologi
Prinsip biologis
A. Homeostasis
Konsep homeostasis — bahwa makhluk hidup mempertahankan lingkungan internal yang konstan — pertama kali disarankan pada abad ke-19 oleh ahli fisiologi Prancis Claude Bernard, yang menyatakan bahwa “semua mekanisme vital, beragam seperti apa adanya, hanya memiliki satu objek: mempertahankan konstanta kondisi kehidupan. “
Seperti yang awalnya dipahami oleh Bernard, homeostasis diterapkan pada perjuangan satu organisme untuk bertahan hidup. Konsep ini kemudian diperluas untuk mencakup sistem biologis apa pun dari sel ke seluruh biosfer, semua area di Bumi yang dihuni makhluk hidup.
B. Unity
Semua organisme hidup, terlepas dari keunikannya, memiliki kesamaan karakteristik biologis, kimia, dan fisik.
Semua, misalnya, terdiri dari unit dasar yang dikenal sebagai sel dan zat kimia yang sama, yang, ketika dianalisis, menunjukkan kesamaan yang patut dicatat, bahkan dalam organisme yang berbeda seperti bakteri dan manusia.
Lebih jauh, karena aksi organisme mana pun ditentukan oleh cara sel-selnya berinteraksi dan karena semua sel berinteraksi dengan cara yang sama, fungsi dasar semua organisme juga serupa.
Tidak hanya ada kesatuan substansi dan fungsi dasar kehidupan tetapi juga kesatuan asal semua makhluk hidup. Menurut teori yang diajukan pada tahun 1855 oleh ahli patologi Jerman Rudolf Virchow, “semua sel hidup muncul dari sel hidup yang sudah ada sebelumnya.”
Teori itu tampaknya berlaku untuk semua makhluk hidup pada saat ini di bawah kondisi lingkungan yang ada. Namun, jika kehidupan berasal di Bumi lebih dari satu kali di masa lalu, fakta bahwa semua organisme memiliki kesamaan struktur, komposisi, dan fungsi dasar akan menunjukkan bahwa hanya satu jenis asli yang berhasil.
Asal usul kehidupan yang sama akan menjelaskan mengapa pada manusia atau bakteri — dan dalam semua bentuk kehidupan di antaranya — zat kimia yang sama, asam deoksiribonukleat (DNA), dalam bentuk gen, menjelaskan kemampuan semua makhluk hidup untuk mereplikasi dirinya sendiri dengan tepat. dan untuk mentransmisikan informasi genetik dari orang tua ke anak. Selanjutnya, mekanisme untuk pengiriman itu mengikuti pola yang sama di semua organisme.
Setiap kali perubahan gen (mutasi) terjadi, ada perubahan dalam organisme yang mengandung gen. Fenomena universal inilah yang memunculkan perbedaan (variasi) dalam populasi organisme dari mana alam memilih untuk bertahan hidup, mereka yang paling mampu mengatasi perubahan kondisi di lingkungan.
C. Evolusi
Dalam teorinya tentang seleksi alam, yang dibahas secara lebih rinci kemudian, Charles Darwin menyarankan bahwa “survival of the fittest” adalah dasar untuk evolusi organik (perubahan makhluk hidup dengan waktu).
Evolusi itu sendiri adalah fenomena biologis yang umum bagi semua makhluk hidup, meskipun telah menyebabkan perbedaan mereka. Bukti untuk mendukung teori evolusi terutama berasal dari catatan fosil, dari studi komparatif struktur dan fungsi, dari studi pengembangan embriologis, dan dari studi DNA dan RNA (asam ribonukleat).
D. Perbedaan (Diversity)
Terlepas dari kesamaan biologis, kimia, dan fisik dasar yang ditemukan dalam semua makhluk hidup, keragaman kehidupan ada tidak hanya di antara dan di antara spesies tetapi juga di dalam setiap populasi alami. Fenomena keanekaragaman telah memiliki sejarah penelitian yang panjang karena begitu banyak variasi yang ada di alam terlihat oleh mata.
Fakta bahwa organisme berubah selama zaman prasejarah dan bahwa variasi baru terus berkembang dapat diverifikasi oleh catatan paleontologis serta dengan membiakkan percobaan di laboratorium. Jauh setelah Darwin berasumsi bahwa variasi ada, ahli biologi menemukan bahwa mereka disebabkan oleh perubahan materi genetik (DNA).
Perubahan itu bisa sedikit perubahan dalam urutan konstituen DNA (nukleotida), perubahan yang lebih besar seperti perubahan struktural kromosom, atau perubahan total jumlah kromosom. Bagaimanapun, perubahan dalam materi genetik dalam sel reproduksi memanifestasikan dirinya sebagai semacam perubahan struktural atau kimia pada keturunannya. Konsekuensi dari mutasi seperti itu tergantung pada interaksi anak mutan dengan lingkungannya.
Telah dikemukakan bahwa reproduksi seksual menjadi jenis reproduksi dominan di antara organisme karena keunggulan inherennya dari variabilitas, yang merupakan mekanisme yang memungkinkan suatu spesies menyesuaikan diri dengan perubahan kondisi. Variasi baru berpotensi hadir dalam perbedaan genetik, tetapi bagaimana variasi menjadi lebih besar dalam kumpulan gen tergantung pada jumlah keturunan mutan atau varian menghasilkan (reproduksi diferensial).
Dimungkinkan untuk kebaruan genetik (variasi baru) untuk menyebar dalam waktu ke semua anggota populasi, terutama jika kebaruan meningkatkan peluang populasi untuk bertahan hidup di lingkungan di mana ia ada. Jadi, ketika suatu spesies dimasukkan ke habitat baru, ia beradaptasi dengan perubahan melalui seleksi alam atau oleh mekanisme evolusi lain atau akhirnya mati. Karena setiap habitat baru berarti adaptasi baru, perubahan habitat telah menyebabkan jutaan jenis spesies berbeda dan heterogenitas dalam setiap spesies.
Jumlah total spesies hewan dan tumbuhan yang masih ada diperkirakan antara sekitar 5 juta dan 10 juta; sekitar 1,5 juta dari spesies tersebut telah dijelaskan oleh para ilmuwan. Penggunaan klasifikasi sebagai alat untuk menghasilkan suatu jenis keteraturan dari jumlah yang mengejutkan dari berbagai jenis organisme muncul sejak kitab Kejadian — dengan referensi pada sapi, binatang buas, unggas, binatang merayap, pohon, dan sebagainya.
Akan tetapi, upaya ilmiah pertama untuk klasifikasi dikaitkan dengan filsuf Yunani, Aristoteles, yang mencoba membangun suatu sistem yang akan menunjukkan hubungan semua hal satu sama lain. Dia mengatur segala sesuatu di sepanjang skala, atau “tangga alam,” dengan benda-benda tak hidup di dasar; tanaman ditempatkan di bawah binatang, dan manusia di atas.
Skema lain yang telah digunakan untuk mengelompokkan spesies termasuk kesamaan anatomi yang besar, seperti sayap atau sirip, yang menunjukkan hubungan alami, dan juga kesamaan dalam struktur reproduksi.
Taksonomi didasarkan pada dua asumsi utama: satu adalah bahwa konstruksi tubuh yang sama dapat digunakan sebagai kriteria untuk pengelompokan klasifikasi; yang lain adalah bahwa, di samping kesamaan struktural, hubungan evolusi dan molekul antara organisme dapat digunakan sebagai sarana untuk menentukan klasifikasi.
E. Perilaku dan hubungan timbal balik
Studi tentang hubungan makhluk hidup satu sama lain dan lingkungannya dikenal sebagai ekologi. Karena hubungan timbal balik ini sangat penting untuk kesejahteraan Bumi dan karena mereka dapat secara serius terganggu oleh aktivitas manusia, ekologi telah menjadi cabang biologi yang penting.
F. Kontinuitas
Apakah suatu organisme adalah manusia atau bakteri, kemampuannya untuk bereproduksi adalah salah satu karakteristik kehidupan yang paling penting. Karena kehidupan hanya berasal dari kehidupan yang sudah ada sebelumnya, hanya melalui reproduksi generasi penerus dapat membawa sifat-sifat suatu spesies.
Studi Tentang Struktur
Makhluk hidup didefinisikan dalam hal kegiatan atau fungsi yang hilang dalam benda-benda tak hidup. Proses kehidupan setiap organisme dilakukan oleh bahan khusus yang dirangkai dalam struktur tertentu.
Jadi, makhluk hidup dapat didefinisikan sebagai suatu sistem, atau struktur, yang mereproduksi, berubah dengan lingkungannya selama periode waktu tertentu, dan mempertahankan individualitasnya dengan metabolisme yang konstan dan berkelanjutan.
1. Sel dan konstituennya
Ahli biologi pernah bergantung pada mikroskop cahaya untuk mempelajari morfologi sel yang ditemukan pada tumbuhan dan hewan tingkat tinggi. Fungsi sel dalam organisme bersel tunggal dan multiseluler kemudian didalilkan dari pengamatan struktur; penemuan kloroplasid dalam sel, misalnya, mengarah pada penyelidikan proses fotosintesis.
Dengan penemuan mikroskop elektron, organisasi plastid yang baik dapat digunakan untuk studi kuantitatif lebih lanjut dari berbagai bagian proses tersebut.
Analisis kualitatif dan kuantitatif dalam biologi memanfaatkan berbagai teknik dan pendekatan untuk mengidentifikasi dan memperkirakan kadar asam nukleat, protein, karbohidrat, dan unsur kimiawi lainnya dari sel dan jaringan.
Banyak teknik semacam itu menggunakan antibodi atau probe yang mengikat molekul tertentu di dalam sel dan yang ditandai dengan bahan kimia, umumnya pewarna fluoresen, isotop radioaktif, atau pewarnaan biologis, sehingga memungkinkan atau meningkatkan visualisasi mikroskopis atau deteksi molekul molekul. bunga.
Label kimia adalah sarana yang sangat kuat yang digunakan oleh para ahli biologi untuk mengidentifikasi, menemukan, atau melacak zat-zat dalam makhluk hidup.
Beberapa contoh tes yang banyak digunakan yang menggabungkan label termasuk pewarnaan Gram, yang digunakan untuk identifikasi dan karakterisasi bakteri; hibridisasi fluoresensi in situ, yang digunakan untuk mendeteksi sekuens genetik spesifik dalam kromosom; dan uji luciferase, yang mengukur bioluminesensi yang dihasilkan dari reaksi luciferin-luciferase, memungkinkan untuk kuantifikasi beragam molekul.
2. Jaringan dan organ
Ahli biologi awal memandang pekerjaan mereka sebagai studi tentang organisme. Organisme, yang kemudian dianggap sebagai unit dasar kehidupan, masih menjadi perhatian utama beberapa ahli biologi modern, dan memahami bagaimana organisme mempertahankan lingkungan internal mereka tetap menjadi bagian penting dari penelitian biologi.
Untuk lebih memahami fisiologi organisme, para peneliti mempelajari jaringan dan organ tempat organisme itu terbentuk. Kunci untuk pekerjaan itu adalah kemampuan untuk mempertahankan dan menumbuhkan sel in vitro (“dalam gelas”), atau dikenal sebagai kultur jaringan.
Beberapa upaya pertama pada kultur jaringan dilakukan pada akhir abad ke-19. Pada tahun 1885, ahli zoologi Jerman, Wilhelm Roux memelihara jaringan dari embrio ayam dalam larutan garam. Terobosan besar pertama dalam kultur jaringan, bagaimanapun, datang pada tahun 1907 dengan pertumbuhan proses sel saraf katak oleh ahli zoologi Amerika, Ross G. Harrison.
Beberapa tahun kemudian, peneliti Prancis Alexis Carrel dan Montrose Burrows telah menyempurnakan metode Harrison dan memperkenalkan istilah kultur jaringan.
Dengan menggunakan teknik laboratorium yang ketat, pekerja telah mampu menjaga sel dan jaringan hidup dalam kondisi kultur untuk jangka waktu yang lama. Teknik untuk menjaga organ tetap hidup dalam persiapan untuk transplantasi berasal dari eksperimen tersebut.
Kemajuan dalam kultur jaringan telah memungkinkan banyak penemuan dalam biologi. Sebagai contoh, banyak percobaan telah diarahkan untuk mencapai pemahaman yang lebih dalam tentang diferensiasi biologis, terutama faktor-faktor yang mengendalikan diferensiasi.
Yang penting bagi penelitian tersebut adalah pengembangan metode kultur jaringan pada akhir abad ke-20 yang memungkinkan pertumbuhan sel induk embrionik mamalia — dan pada akhirnya sel punca embrionik manusia — pada lempeng kultur.