Sel dan Asal Sel

SEL: ASAL

Daftar Isi

 Asal bumi dan Kehidupan

 Apakah ada kehidupan di Mars, Venus atau di Planet Lainnya

 Istilah-istilah untuk Sel

 Komponen Sel

 Asal Multiselularitas

 Mikroskop



Asal bumi dan Kehidupan

Estimasi ilmiah asal jagad raya adalah antara 10 and 20 milyar tahun lalu. Teori yang diterima saat ini adalah Teori Big Bang, suatu gagasan bahwa semua zat di alam semesta ada di dalam telur kosmos (lebih kecil dari ukuran atom hidrogen modern) meledak membentuk jagad raya. Penemuan terbaru dari teleskop ruang angkasa dan peralataan lain menunjukkan bahwa teori ini perlu sedikit modifikasi. Bukti Big Bang meliputi:

1) Perubahan Merah: saat bintang gemintang atau galaksi bergerak menjauhi kita maka energi yang dipancarkannya akan diubah ke bagian merah dari spektrum cahaya tampak. Yang bergerak ke arah kita akan menjadi sisi violet. Perubahan ini merupakan salah satu contoh efek Doppler. Efek serupa kita amati bila kita mendengar peluit kereta api , yang akan terdengar lebih keras (panjang gelombang lebih pendek) bila mendekat dan melemah atau menyayup (panjang gelombang lebih tinggi) saat menjauh. Demikian juga panjang gelombang merah lebih besar dibanding violet. Kebanyakan galaksi tampaknya bergerak menjauhi kita.

2) Radiasi Latar: dua ilmuwan menemukan bahwa ruang angkasa antar-bintang ada sedikit radiasi latar yang diduga merupakan residu setelah Big Bang. Segera setelah Big Bang, gaya-gaya utama (seperti gravitasi, tenaga nuklir yang lemah, tenaga nuklir kuat dsb.) berdiferensiasi. Sementara pada telur kosmik, ilmuwan berpikir bahwa zat dan energi yang semula tidak ada akan terbentuk segera setelah ledakan. Setelah 10 hingga 1 milyar tahun, jagad raya menggumpal, dengan zat yang mulai berakumulasi menjadi sistem solar. Salah satu dari sistem solar ini, yakni milik kita, mulai terbentuk sekitar 5 milyar tahun yang lalu, dengan "protostar" yang besar (yang akan menjadi matahari kita) di pusat. Planet-planet berada di orbit yang jauh dari bintang tersebut, meningkatnya medan gravitasinya akan menyatukan fragmen di angkasa menjadi ukuran yang lebih besar yang akhirnya membentuk planet.

Proses peluruhan radioaktif dan panas dihasilkan dari impak planetisimal yang memanasi bumi yang selanjutnya akan berdiferensiasi menjadi kerak yang “dingin” di bagian luarnya (silikon, oksigen dan elemen lain yang relatif ringan) dan bertambah panas di bagian tengahnya (tersusun dari elemen yang lebih berat dan padat seperti besi dan nikel. Impak (asteroid, komet, planetisimal) dan mulainya vulkanisme membebaskan uap air, karbondioksida, methana, ammonia dan gas-gas lain menjadi atmosfer yang berkembang. “Tidak lama” setelah ini dimulailah kehidupan di bumi.

Bagaimana dan dari mana kehidupan berasal?

Extra-terrestrial: Pada tahun 969 ada sebuah meteroit (suatu serpihan kecil yang asalnya dari sistem solar) jatuh dekat Allende, Mexico. Meteroit Allende (dan yang lain dengan jenisnya sendiri) dianalisis dan ternyata mengandung asam amino, rancang bangun protein, salah satu dari empat kelompok molekul organik dasar bagi makhluk hidup. Gagasan panspermia berhipotesis bahwa kehidupan berasal dari ruang angkasa dan sampai ke bumi dari dalam meteorit. Baru-baru ini, gagasan ini diperkuat sebagai nenek moyang kosmos. Asam amino yang ditemukan dari meteorit adalah satu kelompok yang disebut eksotik: asam amino ini tidak dijumpai dalam sistem kimia makhluk hidup. Teori Ekstra-Terestrial saat ini dianggap oleh para ilmuwan sebagai tidak benar, walaupun pada bulan Agustus 1996 penemuan meteorit Martian dan kemungkinan fosilnya memperkuat kembali pemikiran mengenai adanya kehidupan lain di suatu tempat dalam sistem solar ini.

Supernatural: Karena ilmuwan berusaha mengukur dan mempelajari dunia berujud, maka teori ii ada di luar sains (paling sedikit pemahaman kita akan sains saat ini). Kategori ini dikelompokkan sebagai tidak ilmiah.

Evolusi kimia organik: Hingga pertengahan 1800-an, ilmuwan berpikir bahwa kimia organik (yang punya skeleton-C) hanya dapat terbentuk melalui aksi makhluk hidup. Ilmuwan berkebangsaan Perancis memanaskan kristal mineral (mineral adalah definisi anorganik), dan menemukan bahwa mereka membentuk urea (kimia organik) saat didinginkan. Ilmuwan Rusia dan seorang akademikus A.I. Oparin, pada tahun 1922, berhipotesis bahwa kehidupan sel didahului oleh suatu periode evolusi kimia. Ia berargumen bahwa zat-zat kimia ini pasti muncul secara spontan di bawah kondisi yang ada milyaran tahun yang lalu (beda dengan kondisi saat ini).

Bahan baku yang dipakai dalam eksperimen Miller adalah molekul sederhana yang diyakini ada pada saat itu milyaran tahun lalu. Gambar dari Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com)

Selanjutnya pada tahun 1950 seorang mahasiswa Pasca Sarjana, Stanley Miller merancang suatu eksperimen yang menguji hipotesis Oparin. Hipotesis asli Oparin menyatakan: 1) sedikit atau tak ada oksigen bebas (oksigen tak berikatan dengan elemen lain); dan 2) C H O and N dalam jumlah melimpah. Studi erupsi volkanis modern menopang deduksi adanya atmosfer semacam ini. Miller mengalirkan muatan listrik ke suatu campuran yang diduga sama dengan komposisi atmosfer primordial. Dari suatu kontainer air yang dirancang sebagai model lautan kuno Miller menemukan adanya asam amino. Modifikasi selanjutnya dari atmosfer menghasilkan representatif atau prekursor semua dari empat kelompok makromolekul organik.

Diagram representasi apparatus eksperimen miller. Gambar dari Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com)

Bumi primordial sangat berbeda dengan bumi yang kita tempati saat ini, dengan jumlah energi yang lebih besar, badai yang sangat kuat dan sebagainya Lautan adalah “sup” senyawa organik yang terbentuk melalui proses anorganik.. Eksperimen Miller (dan selanjutnya) tidak membuktikan bahwa kehidupan berasal dari cara ini, hanya bahwa kondisi yang ada 3 milyar tahun lalu seperti itu akan memungkinkan pembentukan makromolekul organik secara spontan. Molekul organik yang ditempatkan Miller di alat penelitiannya menghasilkan berbagai molekul kompleks:

Molekul dari eksperimen Miller dan eksperimen serupa. Gambar dari Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com)

Interaksi molekul-molekul ini makin meningkat sejalan dengan peningkatan konsentrasinya. Reaksi-reaksi selanjutnya akan membentuk molekul yang lebih kompleks dan lebih besar. Kehidupan pre-seluler akan dimulai dengan pembentukan asam nukleat. Zat kimia yang disusun dari asam nukleat ini akan tetap berdekatan dengan asam nukleat itu sendiri. Akhirnya pre-sel harus terbungkus di dalam membran lipo-protein, yang akan menghasilkan sel yang pertama.

Secara biokimia, sistem hidup terpisah dari sistem kimia lain dalam tiga hal.

1. Kemampuan untuk mereplikasi dari satu generasi ke generasi lain. Kebanyakan organisme saat ini menggunakan DNA sebagai materi herediter, walaupun bukti terbaru (ribozim) menunjukkan bahwa RNA mungkin merupakan sistem asam nukleat pertama yang terbentuk. Penerima hadiah Nobel Walter Gilbert menunjuk ini sebagai dunia RNA.
2. Adanya enzim dan molekul kompleks yang esensial bagi proses yang diperlukan oleh sistem hidup. Eksperimen Miller menunjukkan bagaimana caranya hal ini dapat terbentuk.
3. Adanya membran yang memisahkan zat-zat kimia internal dari lingkungan kimia eksternal. Ini juga merupakan batas antara daerah sel dan bukan-sel. Hasil kerja Sidney W. Fox adalah lingkup proteinoid, dan bukan sel menggambarkan rute yang mungkin dari zat kimia ke kehidupan seluler.

Fosil menyokong bukti asal kehidupan di bumi lebih awal dari 3.5 milyar tahun yang lalu. Mikrofosil North Pole dari Australia cukup kompleks dibanding sel yang lebih primitif pasti sudah ada sebelumnya. Dari batuan Ishua Super Group di Greenland ditemukan bahwa terdapat sel yang usianya lebih dari yang kita anggap sebagai sel awal, berumur 3.8 milyar tahun lalu. Batuan yang paling tua di bumi adalah 3.96 milyar tahun ditemukan di Antartika Kanada. Dengan demikian hidup tampaknya dimulai segera setelah pendinginan bumi dan pembentukan atmosfer serta lautan.

Fosil kuno ini dijumpai di batuan lautan seperti limestones (batuan yang utamanya tersusun dari kalsium karbonat) dan sandstones (batuan sedimen yang utamanya terdiri dari butir-butir pasir) yang terbentuk di lautan kuno. Organisme yang hidup saat ini yang paling mirip kehidupan kuno adalah archaebacteria. Kelompok ini sekarang terbatas pada lingkungan marginal. Penemuan terbaru mengenai bakteri pada pematang tengah-laut menambahkan kemungkinan lain asal kehidupan: pada pematang tengah-laut ini terjadi pemanasan dan pelelehan batuan yang muncul ke permukaan bumi.

Apakah ada Kehidupan di Mars, Venus atau di planet lain?

Kedekatan bumi dengan matahari, pembentukan kerak bumi (campuran silikat, adanya air dan sebagainya) serta ukuran bumi menunjukkan bahwa kita mungkin unik paling tidak di sistem tata surya kita sendiri. Mars lebih kecil dan lebih jauh dari matahari mempunyai medan gravitasi (yang menjaga agar atmosfer tak lari ke ruang angkasa) dan menunjukkan bukti adanya aliran air di masa lalu. Namun bila kehidupan tidak dimulai di Mars, maka tampaknya tak pernah ada kehidupan (yang kita ketahui saat ini). Venus, planet kedua yang lebih dekat dengan matahari tampaknya sama dengan bumi dalam banyak hal. Karbon-dioksida yang terbentuk menyebabkan "planet rumah-kaca" dengan badai yang kuat dan hujan asam yang kuat pula. Dari semua planet di sistem matahari, Venuslah yang paling mungkin punya bentuk kehidupan yang berdasar-C. Planet terluar sangat sedikit diketahui walau tampaknya diragukan adanya kehidupan di Yupiter dan Saturnus. Seperti Goldilocks yang mengatakan bahwa "Venus terlalu panas, Mars terlalu dingin, yang tepat adalah Bumi!"

Mars: Pada bulan Agustus 1996, bukti kehidupan di Mars (atau paling tidak zat kimia kehidupan), diumumkan. Hasil studi selama bertahun tahun ternyata belum dapat disimpulkan dengan baik. Yang diyakini sebagai bakteri ternyata jauh lebih kecil dari bakteri yang kita kenal di bumi, tidak berongga dan mungkin juga sebenarnya hanya serpihan mineral. Namun banyak ilmuwan yang menganggap bahwa kimia kehidupan tampak ada di Mars. Pencarian kehidupan di ruang angkasa masih berlanjut hingga saat ini.

Istilah-istilah Sel

Heterotrof (pemakan-lain): adalah organisme yang memperoleh energi dari organisme lain. Hewan, fungi, bakteri dan sebagian protista adalah heterotrof.

Autotrof (pemakan-sendiri): suatu organisme yang menghasilkan makannya sendiri, mengubahnya menjadi energi dari sumber anorganik dalam satu atau dua cara. Fotosintesis adalah perubahan energi matahari menjadi ikatan kovalen karbohidrat C-C, suatu proses dengan mana mayoritas ototrof mendapatkan energinya. Kemosintesis adalah penangkapan energi yang dibebaskan dari reaksi kimia anorganik tertentu. Pada pematang tengah-laut, ilmuwan menemukan adanya asap hitam yang membebaskan zat kimia ke dalam air. Reaksi kimia ini mungkin dihasilkan dari ekosistem awal sebelum berkembangnya lapisan ozon yang memungkinkan kehidupan menempati bagian dangkal lautan. Bukti keantikan fotosintesis meliputi:

a) prekursor biokimia untuk zat kimia fotosintesis dapat disintesis kembali dalam eksperimen; dan

b) bila dikenakan cahaya maka zat-zat kimia ini melangsungkan reaksi kimia yang sama yang sama dengan yang terjadi pada bakteri fotosintetik primitif.

Prokariot merupakan bentuk kehidupan yang paling primitif di bumi. Ingat bahwa pengertian primitif dalam hal ini bukan berarti ketinggalan jaman dan tidak ikut berevolusi, sebab bakteri primitif sedikit berubah bahkan dapat digambarkan bahwa ia beradaptasi baik selama 3.5 milyar tahun. Prokariot (pro=sebelum, karyo=inti): organisme ini tak memiliki organel yang terikat-membran, walau dijumpai adanya organisasi membran internal pada beberapa prokariot ototrof seperti lamellae bermembran yang berhubungan dengan zat kimia fotosintetik seperti yang ditunjukkan pada bakteri fotosintetik Prochloron.

Teori Sel adalah salah satu dasar biologi modern. Doktrin utamanya adalah :

1) Semua makhluk hidup tersusun dari satu atau lebih sel;

2) Reaksi kimia sel hidup berlangsung di dalam sel;

3) Semua sel muncul dari sel yang telah ada sebelumnya; dan

4) Sel-sel mengandung informasi herediter, yang berjalan dari satu generasi ke generasi selanjutnya.

Komponen Sel

Membran sel (juga dikenal sebagai membran plasma atau plasmalemma) dijumpai di semua sel. Membran ini :

1) memisahkan bagian dalam sel dengan lingkungan luar; dan

2) berperan sebagai sawar yang selektif permeabel yang memungkinkan zat-zat kimia tertentu yakni air, untuk melewatinya dan mencegah molekul lainnya. Pada organisme multisel zat kimia tertentu di permukaan membran bertugas pengenalan diri. Antigen adalah zat yang terletak di luar sel, bisa virus dan pada beberapa kasus zat kimia lainnya. Antibodi adalah zat kimia (berbentuk-Y) yang dihasilkan oleh hewan dalam merespon antigen yang spesifik. Ini adalah dasar imunitas dan vaksinasi.

Materi herediter ( DNA dan RNA) diperlukan oleh sel untuk dapat mereplikasi atau mereproduksi. Kebanyakan organisme menggunakan DNA. Virus and viroid kadang menggunakan RNA sebagai materi genetiknya. Retrovirus termasuk HIV (Human Immunodefficiency Virus, agen penyebab AIDS) dan Feline Leukemia Virus (hanya retrovirus yang vaksinnya berhasil dikembangkan). Viroid adalah potongan telanjang RNA yang kurang mengandung sitoplasma, membran dan sebagainya. Mereka adalah parasit pada beberapa tetumbuhan dan sekilas tampaknya berfugsi sebagai kehidupan pre-sel. DNA prokariot terorganisasi sebagai kromosom sirkuler yang terkandung dalam satu area yang disebut nukleoid. DNA eukariot terorganisasi dalam struktur linier, kromosom eukariot yang berasosiasi dengan DNA dan protein histon yang terkandung dalam membran rangkap inti, suatu area yang disebut inti sel.

Organel adalah badan-badan yang terbentuk dalam sitoplasma yang melakukan fungsi tertentu.

Ribosom adalah tempat sintesis protein. Mereka tidak terikat membran dan ada pada semua sel, walaupun ada perbedaan antara ukuran subunit dalam ribosom eukariot dan prokariot.

Dinding Sel adalah struktur yang mengelilingi membran plasma. Dinding sel prokariot dan eukariot (bila memiliki) berbeda struktur dan komposisi kimianya. Sel-sel hewan tidak memiliki selulosa pada dinding selnya, sehingga dikatakan tidak berdinding sel.

Organel terikat membran hanya ada pada sel eukariot. Sel eukariot umumnya berukuran lebih besar dibanding sel prokariot. Kompleksitas internal biasanya lebih tinggi pada eukariot, dengan pembentukan kompartemen berupa organel bermembran dibanding prokariot. Beberapa prokariot, seperti Anabaena azollae, and Prochloron, memiliki membran internal yang berhubungan dengan pigmen fotosintesis.

Asal Multiselularitas

Fosil prokariot tertua yang ada saat ini berumur sekitar 3.5 milyar tahun; Fosil eukariot antara 750 juta tahun dan mungkin antara 1.2-1.5 milyar tahun. Fosil multisel, terutama hewan, ditemukan berumur sekitar 750 juta tahun di batuan berbagai tempat di dunia. Tidak diragukan lagi bahwa eukariot yang pertama adalah protista, kelompok yang dipercaya akan berkembang menjadi kingdom eukariot yang lain. Multiselularitas memungkinkan sspesialisasi fungsi, misalnya serabut otot terspesialisasi untuk kontraksi, sel-sel neuron untuk menghantarkan pesan melalui saraf.

Mikroskop

Mikroskop adalah alat yang penting untuk mempelajari struktur sel. Dalam hal ini yang kita bicarakan adalah mikroskop cahaya. Ada banyak istilah dan konsep yang akan membantu anda memaksimalkan studi mikroskopi. Ada berbagai jenis mkroskop yang dipakai untuk mempelajari biologi. Termasuk disini adalah mikroskop cahaya, mikroskop elektron (transmisi dan pemayar atau scanning) serta mikroskop atom.

Mikroskop adalah alat yang dipakai para biologiwan untuk memperbesar obyek yang ukurannya kecil. Ada beberapa konsep yang mendasari mikroskopi.

Perbesaran adalah rasio pelipatan ukuran antara spesimen dan gambar yang diperolehnya (bisa berupa hasil foto atau gambar maya melalui mata). Untuk menghitung perbesaran kita kalikan kekuatan masing-masing lensa melalui mana cahaya dari spesimen lewat, menunjukkan bahwa hasilnya GGGX, dimana GGG adalah produk. Misalnya : bila cahaya melewati dua lensa (lensa okuler dan obyektif) maka kita kalikan 10X nilai okuler dengan nilai lensa obyektif (umpamanya saja 4X): maka perbesarannya adalah 10 X 4=40, atau 40X

Resolusi adalah kemampuan untuk membedakan antara dua obyek (titik). Makin dekat dua obyek makin mudah membedakan jarak di antaranya. Apa yang dilakukan mikroskop adalah membawa obyek yang kecil "mendekati" ke pengamat dengan meningkatkan perbesaran sample. Karena jarak sample sama dari pengamat maka akan diperoleh suatu "gambaran maya" sebagai cahaya (atau tembakan elektron) yang melalui lensa perbesaran. Obyek seperti rambut manusia tampak mulus bila dilihat dengan mata telanjang. Namun saat dilihat di bawah mikroskop tampak SANGAT berbeda.

Jarak Kerja adalah jarak antara spesimen dan lensa pembesar.

Kedalaman pandang adalah ukuran jumlah spesimen yang ditempatkan dalam fokus.

Perbesaran dan resolusi merupakan istilah yang sering dipakai dalam studi biologi sel, sering tanpa definisi akurat mengenai artinya. Perbesaran adalah rasio pembesaran (gambar atau hasil foto cetak), biasanya dinyatakan sebagai X1, X1/2, X430, X1000, dst. Resolusi adalah kemampuan untuk membedakan antara dua titik. Umumnya resolusi akan meningkat sejalan dengan peningkatan perbesaran, walaupun akan sampai pada suatu titik yang akan mengurangi resolusi tersebut.

Para ilmuwan mengadopsi sistem metrik untuk menyatakan ukuran dan volume spesimen. Unit dasar panjangnya adalah meter. Awalan ditambahkan ke kata "meter" untuk menggandakan meter (kilometer) atau fraksi meters (millimeter). Berikut adalah nilai beberapa awalan yang dipakai dalam sistem metrik.

kilo = seribu unit dasar

meter = unit dasar panjang

senti = seperseratus (1/100) unit dasar

milli = seperseribu (1/1000) unit dasar

micro = sepersejuta (1/1,000,000) unit dasar

nano = sepersemilyar (1/1,000,000,000) unit dasar

Unit dasar panjang adalah meter (m), dan volume adalah liter (l). Gram (g). Awalan yang disenarai di atas dapat diaplikasikan ke semua unit dasar, disingkat sebagai km, kg, ml, mg, nm....dst. Huruf Latin mikron (µ) diaplikasikan untuk pengukuran kecil (Seperseribu milimeter), hasilnya adalah micrometer (µm). Pengukuran mikroskopi biasanya diaplikasikan dalam sistem metrik. Unit umum yang akan anda jumpai dalam biologi adalah micrometer (µm, 10^-6m), nanometer (nm, 10^-9m), and angstrom (Å, 10^-10m).

Mikroskop cahaya yang pertama kali dikembangkan, dan hingga saat ini masih banyak dipakai. Resolusi mikroskop cahaya terbaik (LM) adalah 0.2 µm. Perbesaran LM umumnya dibatasi oleh sifat kaca yang dipakai dalam lensa mikroskop dan sifat fisik sumber cahayanya. Umumnya diterima perbesaran maksimum dalam penggunaan biologi adalah antara 1000X and 1250X. Kalkulasi perbesaran LM dilakukan dengan mengalikan ukuran lensa okuler dan obyektif.

Untuk menggambarkan obyek yang relatif besar pada perbesaran rendah kita menggunakan dissecting microscope atau mikroskop bedah. Penggunaan umum mikroskop termasuk mengamati preparat dengan perbesaran rendah, irisan organ hewan atau tetumbuhan, dan mengamati permukaan obyek. Perbesaran mikroskop bedah dikalkulasi dengan mengalikan lensa okuler (di mata) dengan lensa obyektif( biasanya 10X).