Biologi kehidupan

Ukuran organisme

Ukuran organisme di Bumi sangat bervariasi dan tidak selalu mudah diperkirakan. Pada akhirnya, tegakan pohon poplar yang sepenuhnya dihubungkan oleh akar bersama benar-benar merupakan organisme tunggal. Berbagai pengaruh menempatkan batas atas ukuran organisme. Salah satunya adalah kekuatan bahan biologis. Pohon sequoia redwood, beberapa di antaranya melebihi 90 meter (300 kaki), tampaknya dekat batas atas ketinggian suatu organisme. Astronom Italia, Galileo, menghitung pada tahun 1638 bahwa sebatang pohon yang lebih tinggi dari kira-kira 90 meter akan melengkung karena beratnya sendiri ketika dipindahkan sedikit dari vertikal (misalnya, oleh angin sepoi-sepoi). Karena daya apung air, hewan besar seperti paus tidak dihadapkan dengan masalah stabilitas seperti itu. Kesulitan terkait ukuran lainnya muncul. Volume jaringan yang akan dipelihara meningkat sebagai kubus dari panjang karakteristik organisme, tetapi permukaan usus, yang menyerap makanan yang dicerna, meningkat hanya sebagai kuadrat dari panjang untuk morfologi yang tetap. Seiring bertambahnya panjang organisme, titik pengembalian yang berkurang pada akhirnya tercapai ketika nutrisi terhambat pada hewan.

Pekerjaan baru pada sekuens genom, jumlah total dan kualitas semua gen yang membentuk makhluk hidup, memungkinkan penilaian yang lebih akurat atas dasar materi dari organisme hidup bebas yang terkecil secara teori dan terkecil. Sekuens DNA lengkap dari beberapa organisme hidup bebas yang sangat kecil sekarang diketahui — misalnya, Mycoplasma genitalium dengan 480 gennya. Semua molekul yang diperlukan untuk metabolisme harus ada. Sel-sel hidup bebas terkecil termasuk organisme seperti pleuropneumonia (PPLO). Sedangkan amuba memiliki massa 5 × 10 ⁻⁷ gram (2 × 10 ⁻⁸ ons), sebuah PPLO, yang tidak dapat dilihat tanpa mikroskop elektron berdaya tinggi, beratnya 5 × 10 ⁻¹⁶ gram (2 × 10 ⁻¹⁵ ons) dan hanya sekitar 100 nanometer. PPLO tumbuh sangat lambat. Lainnya, bahkan organisme yang lebih kecil yang tumbuh lebih lambat akan sangat sulit dideteksi. Organisme seukuran PPLO yang hanya memiliki ruang sekitar seratus enzim bergantung sepenuhnya pada jaringan hewan tempat ia hidup. Organisme yang jauh lebih kecil akan memiliki ruang untuk enzim yang lebih sedikit. Kemampuannya untuk mencapai fungsi yang diperlukan untuk otopoiesis dalam sistem kehidupan akan sangat dikompromikan. Namun, jika ada lingkungan di mana semua blok bangunan organik yang diperlukan dan sumber energi seperti ATP disediakan "gratis," maka mungkin ada organisme yang berfungsi jauh lebih kecil daripada PPLO. Bagian dalam sel menyediakan lingkungan semacam itu, yang menjelaskan mengapa agen infeksi, seperti prion, plasmid, dan virus, mungkin jauh lebih kecil daripada PPLO. Tetapi harus ditekankan bahwa virus dan kerabatnya, pada prinsipnya, tidak autopoietic.

Metabolit dan air

Kisaran molekul organik yang dapat dimetabolisme oleh organisme, terutama mikroba sangat luas dan kadang-kadang termasuk makanan seperti formaldehida atau minyak bumi yang tampaknya tidak mungkin dari sudut pandang manusia. Bakteri Pseudomonas mampu menggunakan hampir semua molekul organik sebagai sumber karbon dan energi, asalkan hanya bahwa molekul setidaknya sedikit larut dalam air. Mikroorganisme tidak dapat memetabolisme plastik, bukan karena larangan kimia mendasar tetapi mungkin karena plastik belum menjadi bagian dari lingkungan mikroorganisme sejak lama. Kekurangan oksigen dianggap sangat merusak kehidupan, tetapi pandangan ini antroposentris. Banyak bakteri adalah anaerob fakultatif yang dapat mengambil oksigen atau membiarkannya. Banyak bakteri dan protista lainnya adalah anaerob obligat yang sebenarnya diracuni oleh oksigen.

Air, yang sangat penting bagi kehidupan, adalah molekul utama dalam semua organisme. Kecuali jika ada kerangka mineral besar, bahan kering sebagian besar organisme adalah sekitar setengah karbon menurut beratnya. Ini mencerminkan fakta bahwa semua molekul organik tersusun dari karbon yang terikat setidaknya pada hidrogen. Metabolisme menggunakan berbagai elemen kimia lainnya. Asam amino terbuat dari nitrogen dan belerang selain karbon, hidrogen, dan oksigen. Asam nukleat terbuat dari fosfor selain hidrogen, nitrogen, oksigen, dan karbon. Natrium, kalium, dan kalsium digunakan untuk menjaga keseimbangan elektrolit dan memberi sinyal pada sel. Silikon digunakan sebagai bahan struktural dalam cangkang diatom, spikula radiolarian dan heliozoan, dan exoskeleton krisofit. Zat besi memainkan peran mendasar dalam pengangkutan oksigen molekuler sebagai bagian dari molekul hemoglobin. Di beberapa ascidia (penyemprotan laut), vanadium menggantikan besi. Darah Ascidian juga mengandung niobium, titanium, chromium, mangan, molybdenum, dan tungsten dalam jumlah besar. Senyawa vanadium dan niobium dalam darah ascidian mungkin merupakan adaptasi terhadap kadar oksigen yang rendah. Beberapa bakteri menggunakan selenium, telurium, atau bahkan arsenik sebagai akseptor elektron. Yang lain menghasilkan hidrida gas yang sepenuhnya jenuh dari karbon, arsenik, fosfor, atau silikon sebagai limbah metabolisme. Yang lain lagi membentuk senyawa karbon dengan halogen seperti klorin atau iodin. Tidak hanya unsur-unsur sebelumnya tetapi juga tembaga, seng, kobalt, dan mungkin galium, boron, dan skandium melakukan fungsi-fungsi khusus dalam peralatan enzimatik sel-sel tertentu. Unsur-unsur ini, baik yang tidak umum maupun yang umum seperti fosfor, jauh lebih terkonsentrasi dalam materi hidup daripada di lingkungan tempat materi hidup itu berada. Konsentrasi ini menunjukkan bahwa bahan kimia langka seperti itu memainkan peran fungsional unik yang tidak dapat dilayani oleh unsur lain yang lebih berlimpah.

Kemampuan sensorik dan kesadaran

Meskipun setiap organisme tertentu sangat terbatas dalam jangkauan pola perilaku dan kemampuan indera, kehidupan secara keseluruhan sangat sensitif terhadap aspek lingkungan sosial dan fisik setempat. Seekor burung yang diangkat dari telur tanpa adanya anggota spesies lain bermigrasi ketika musim mengisyaratkan, membangun sarang yang layak, dan melakukan ritual pacaran yang rumit. Burung-burung yang gagal mengabadikan pola perilaku tidak meninggalkan keturunan. Akurasi perilaku seperti itu sendiri pasti telah berkembang. Tikus yang melewati labirin dengan mudah kawin, seperti halnya tikus yang melewati dengan susah payah; akhirnya dua populasi dengan karakteristik warisan yang disebut "maze-smart" dan "maze-dumb" diproduksi. Populasi lalat buah yang tertarik pada cahaya dapat dipisahkan dari populasi yang menghindari cahaya. Eksperimen penyimpangan genetik klasik mengungkapkan bahwa kedua populasi ini sebagian besar berbeda dalam sejumlah kecil gen untuk fototropisme. Faktor penentu genetik perilaku yang serupa ada pada manusia. Sebagai contoh, kepemilikan kromosom Y supernumerary pada pria sangat berkorelasi dengan kecenderungan agresif.

Fotosensitivitas, audiosensitivitas, termosensitivitas, chemosensitivitas, dan magnetosensitivitas

Manusia hanya menggunakan wilayah terbatas dari spektrum elektromagnetik, bagian yang disebut cahaya tampak, yang memanjang dari 400 hingga 700 nanometer dalam panjang gelombang. Sementara tanaman, ganggang, bakteri fotosintetik, dan sebagian besar hewan sensitif terhadap rentang panjang gelombang yang sama, banyak juga yang sensitif terhadap panjang gelombang lainnya. Banyak tanaman menunjukkan pola bunga yang hanya terlihat dalam kisaran ultraviolet pada panjang gelombang di bawah 400 nanometer, di mana serangga penyerbuk sensitif. Lebah madu menggunakan cahaya terpolarisasi — yang tidak dapat dideteksi oleh mata manusia tanpa bantuan — untuk menemukan arah pada hari-hari yang berawan sebagian. "Lubang" ular berbisa seperti ular berbisa adalah reseptor inframerah (panas) yang berfungsi sebagai pencari arah. Reptil ini merasakan radiasi panas yang dipancarkan oleh mamalia dan burung, mangsanya yang berdarah panas. Manusia sepenuhnya tidak sensitif terhadap radiasi panas ini.

Bahwa beberapa hewan seperti anjing peka terhadap suara yang tidak dapat dideteksi telinga manusia jelas bagi mereka yang menggunakan peluit anjing. Kelelawar memancarkan dan mendeteksi gelombang suara pada frekuensi sangat tinggi, di sekitar 100.000 siklus per detik, sekitar lima kali frekuensi tertinggi di mana telinga manusia sensitif. Kelelawar telah menggemakan mangsanya dengan menggunakan suara-suara ini selama jutaan tahun sebelum manusia menemukan radar dan sonar. Reseptor audio banyak ngengat yang menjadi mangsa kelelawar hanya menanggapi frekuensi yang dipancarkan oleh kelelawar. Ketika suara kelelawar terdengar, ngengat mengambil tindakan menghindar. Lumba-lumba berkomunikasi melalui rentang frekuensi yang sangat luas. Mereka menggunakan echolocator "klik".

Beberapa spesies hewan menikmati organ yang sangat khusus dan eksotis untuk deteksi atau transmisi suara. Lumba-lumba dan paus menggunakan lubang sembur mereka alih-alih mulutnya untuk mengeluarkan suara.

Bau dan rasa, atau beberapa bentuk deteksi molekul kimia tertentu, bersifat universal. Yang paling utama dalam spesialisasi penciuman mungkin adalah ngengat jantan, yang antenanya berbulu ditopang oleh mikrotubulus terentang, yang masing-masing ditutupi oleh membran di ujung distal. Mereka mencium bau apa-apa kecuali senyawa epoksida yang disebut disparlure, penarik seks kimia yang dikeluarkan oleh betina. Hanya 40 molekul per detik yang memerlukan dampak pada antena untuk menghasilkan respons yang nyata. Satu ngengat ulat betina hanya perlu melepaskan 10 ^-8 gram (4 × 10 ^–10 ons) penarik seks per detik untuk menarik setiap ngengat ulat jantan dalam jarak beberapa kilometer.

Bakteri magnetotaktik merasakan medan magnet bumi. Bakteri pencari kutub utara berenang menuju antarmuka sedimen-air saat mereka mengikuti garis gaya magnet. Bakteri magnetotactic yang mencari kutub Selatan melakukan hal yang sama di Belahan Bumi Selatan. Karena yang diteliti adalah mikroaerofil — yaitu, mereka membutuhkan oksigen dalam konsentrasi yang lebih rendah dari ambien — pencari kutub cenderung tiba di endapan yang kekurangan oksigen yang memadai untuk pertumbuhan dan reproduksi mereka yang berkelanjutan. Studi ultrastruktural mengungkapkan magnetosom, kristal magnetit domain tunggal kecil, mineral oksida besi yang peka terhadap medan magnet, atau greigite, mineral besi sulfida, di dalam selnya. Magnetosom disejajarkan di sepanjang sumbu sel dan berfungsi untuk mengarahkan bakteri sensitif. Semua jenis bakteri magnetotactic yang berbeda mengandung magnetosom dalam sel mereka. Apakah magnetotaxis bersifat kausal dalam orientasi merpati pelacak, lebah penari pada hari-hari berawan, atau hewan yang berorientasi naluriah lainnya sedang diselidiki.

Selain indera penglihatan, pendengaran, penciuman, rasa, dan sentuhan yang akrab, organisme memiliki beragam indera lainnya (lihat kemampuan sensoris dan kesadaran di atas). Orang-orang memiliki sistem orientasi inersia dan akselerometer di kanal koklea telinga. Kalajengking air (Nepa) memiliki fathometer yang sensitif terhadap gradien tekanan hidrostatik. Banyak tanaman memiliki sensor gravitasi yang diperkuat secara kimia yang terbuat dari kloroplas yang dimodifikasi. Beberapa ganggang hijau menggunakan sistem deteksi barium sulfat dan ion kalsium untuk merasakan gravitasi. Kunang-kunang dan cumi-cumi berkomunikasi dengan jenis mereka sendiri dengan menghasilkan perubahan pola cahaya pada tubuh mereka. Ikan air tawar Afrika malam, Gymnarchus niloticus mengoperasikan generator medan elektrostatik dipol dan sensor untuk mendeteksi amplitudo dan frekuensi gangguan di perairan yang bergolak.

Merasakan dengan teknologi

Dari contoh kepekaan di atas, jelaslah bahwa repertoar sensor yang luas pada makhluk hidup memberi pada pemiliknya suatu kesadaran akan lingkungan yang berbeda dengan umat manusia. Manusia, bagaimanapun, memiliki kemampuan yang ditingkatkan untuk memperluas kemampuan indera dan intelektual mereka melalui penggunaan instrumentasi jauh melampaui yang mereka miliki saat mereka dilahirkan.

Sistem sensorik Bumi diperluas oleh kemampuan mesin manusia. Dari yang mendeteksi radiasi pengion, kecepatan angin, rasa anggur, konsentrasi garam dalam larutan, beberapa foton cahaya di koridor gelap, atau suhu darah bayi hingga yang merekam gempa mikro, senyum berbaring, atau panas tungku, sistem sensorik dari biosfer — yang bukan manusia, yang diperantarai manusia — telah meningkat seiring waktu. Memang, seperti halnya anjing penglihatan mengirimkan informasi visual kepada pemiliknya yang buta, sistem sensorik kehidupan jauh melampaui spesies hewan apa pun dan mesin-mesinnya hingga seluruh biota sensitif dalam biosfer yang berdenyut ini. Sensitivitas terhadap suara, bahan kimia, panas, cahaya, gerakan mekanis, magnet, dan partikel bermuatan telah dihitung oleh banyak ilmuwan pekerja keras. Apakah seluruh kategori informasi sensorik hilang dari daftar itu tidak sepenuhnya jelas. Sensitivitas yang besar terhadap lingkungan berlimpah bahkan dalam bentuk kehidupan terkecil, bakteri. Kehidupan telah merasakan dan merespons lingkungannya sejak awal lebih dari 3,7 miliar hingga 3,5 miliar tahun yang lalu. Selain itu, tidak jelas pada titik mana dalam sejarah evolusi, atau di mana tepatnya di antara organisme, kesadaran masuk. Manusia sadar dan sadar diri. Tetapi apakah protista yang memilih bentuk dan ukuran manik-manik kaca tertentu di atas yang lain sadar akan pengambilan keputusan mereka? Charles Darwin mengakui seleksi di antara berbagai peminat lelaki oleh perempuan sebagai instrumen dalam evolusi spesies seksual, termasuk burung dan serangga. Sejauh mana kesadaran dan pengambilan keputusan penting dalam evolusi tetap menjadi bahan perdebatan.