Sel, Perkembangan, Keanekaragaman Hayati dan Konservasi

Anda dimulai dari satu sel telur yang dibuahi. Unit ini menjelaskan bagaimana sel tersebut membelah, bagaimana salinannya diacak dan dikurangi separuhnya untuk menghasilkan gamet, bagaimana gen identik berubah menjadi jaringan berbeda, serta bagaimana variasi yang dihasilkan dihitung, diklasifikasikan, dan — semakin sering — dipertahankan. Ini adalah unit mikroskop, perhitungan, dan definisi yang dilakukan secara presisi.

WBI12 Sel, Perkembangan, Keanekaragaman Hayati dan Konservasi adalah unit IAS kedua: 1 jam 30 menit, 80 skor, wajib. Unit ini mengevaluasi Topik 3 (Struktur Sel, Reproduksi, dan Perkembangan) dan Topik 4 (Struktur dan Fungsi Tumbuhan, Keanekaragaman Hayati, dan Konservasi). Siapkan diri untuk soal melabeli diagram, perhitungan mikroskop dan pembesaran, indeks keanekaragaman, pertanyaan Hardy–Weinberg, serta jawaban esai panjang tentang evaluasi konservasi.

Sel eukariotik merupakan kumpulan kompartemen khusus:

Sel-sel tersusun menjadi jaringan (sel serupa), organ (jaringan yang bekerja sama), dan sistem organ. Sel prokariotik tidak memiliki organel bermembran: dinding sel, kapsul lendir, satu molekul DNA sirkuler plus plasmid, ribosom 70S, dan terkadang flagelum.

Pembesaran adalah seberapa besar gambar dibandingkan objek aslinya; resolusi adalah jarak terkecil yang masih terlihat sebagai dua objek terpisah. Mikroskop cahaya resolusinya sekitar 200 nm; sinar elektron, dengan panjang gelombang jauh lebih pendek, mencapai resolusi beberapa nanometer — namun membutuhkan irisan tipis berwarna (TEM) atau permukaan berlapis emas (SEM). $M = \text{image size} / \text{actual size}$, pastikan satuan konsisten.

Pengecekan terpecah. Sebuah mitokondria berukuran 14 mm pada foto dengan label ×20 000. Panjang aktual $= 14\,000\ \mu\text{m} / 20\,000 = 0.7\ \mu$ m. Nukleus yang harus dilihat dengan membran ganda memerlukan mikroskop elektron: kedua membran tersebut berada lebih dekat daripada resolusi mikroskop cahaya.

Meiosis adalah dua pembagian berturut-turut setelah satu replikasi DNA, menghasilkan empat sel haploid yang berbeda secara genetik dari satu sel diploid. Dua proses menciptakan variasi:

• Asumsi bebas — setiap pasangan homolog berbaris dan memisah secara acak dalam meiosis I; setiap gamet menerima salah satu dari setiap pasangan, dari orang tua mana pun secara acak ($2^n$ kombinasi).
• Pindah silang — pada profase I, kromatid homolog menukar bagian, mencampur alel di dalam pasangan kromosom.

Gamet mamalia terspesialisasi untuk pengiriman dan penyediaan nutrisi: sperma membawa akrosom (enzim pencernaan), bagian tengah berisi mitokondria, dan flagelum; sel telur menyumbang hampir seluruh sitoplasma dan zona pelusida yang menghalangi sperma berlebih setelah reaksi kortikal. Pada tumbuhan berbunga, tabung sari mengirimkan dua inti jantan: satu membuahi sel telur, yang lain membuahi inti polar — pembuahan ganda.

Mitosis menghasilkan dua sel diploid yang identik secara genetik: pertumbuhan, perbaikan, reproduksi aseksual. Interfase ($G_1$, S — replikasi DNA, $G_2$) mengisi sebagian besar siklus; mitosis itu sendiri meliputi profase (kromosom mengumpal, spindel terbentuk), metafase (kromosom berbaris di ekuator), anafase (serat spindel menarik kromatid ke kutub), telofase (membran nukleus terbentuk kembali), lalu sitokinesis.

Indeks mitotik $=$ sel dalam mitosis $\div$ total sel yang dihitung. Nilai tinggi dalam biopsi jaringan berarti pembelahan cepat — ciri khas kanker.

Pengecekan contoh. Squash ujung akar menunjukkan 36 dari 450 sel dalam mitosis: indeks $= 36/450 = 0.08 = 8\%$. Jika siklus memakan waktu 20 jam, mitosis menempati waktu $0.08 \times 20 = 1.6$ jam.

Sel punca totipoten dapat membentuk organisme utuh (pembagian awal zigot); sel pluripoten (dalam blastosis) dapat membentuk jaringan apa pun tetapi bukan organisme utuh. Diferensiasi terjadi melalui ekspresi gen diferensial: setiap sel menyimpan seluruh genom, tetapi setiap jenis hanya mengaktifkan subsetnya sendiri. Satu gen dapat menghasilkan beberapa protein melalui modifikasi pasca-transkripsi — pilihan splicing RNA pada pre-mRNA. Fenotipe akhir juga mencerminkan lingkungan (tinggi badan memerlukan gen dan nutrisi) dan, untuk banyak sifat, beberapa gen bekerja sama (popularitas poligenik memberikan variasi kontinu).

Sel tumbuhan menambahkan dinding sel selulosa yang terhubung dengan tetangga melalui plasmodesmata. Rantai selulosa bundel menjadi mikrofibril yang penempatan silang memberikan kekuatan tarik; penebalan sekunder dengan lignin memperkuat dan membuat kedap air.

Air dan ion penting selain minum: nitrat membangun asam amino, kalsium menghubungkan silang pektin dalam dinding dan sinyal di dalam sel, magnesium berada di inti klorofil — kekurangan menyebabkan daun menguning.

Klasifikasi mengelompokkan organisme berdasarkan karakteristik yang sama; sistem tiga domain (Bakteri, Arkaea, Eukarya) didasarkan pada bukti molekuler—urutan RNA ribosom—yang menunjukkan bahwa Arkaea lebih dekat dengan kita daripada dengan bakteri. Dalam suatu habitat, keanekaragaman diukur melalui dua indikator:

• Kekayaan spesies — jumlah spesies.
• Indeks keanekaragaman — $D = \dfrac{N(N-1)}{\sum n(n-1)}$, di mana $N$ adalah total individu dan $n$ adalah jumlah masing-masing spesies. Semakin tinggi $D$, semakin beragam.

Cek terpecahkan. Habitat A: 3 spesies dengan jumlah 40, 35, 25 ($N = 100$). $D = 100 \times 99 / (40 \times 39 + 35 \times 34 + 25 \times 24) = 9900 / (1560 + 1190 + 600) = 9900/3350 = 2.96$. Habitat B: 3 spesies, jumlah 90, 6, 4: $D = 9900/(8010 + 30 + 12) = 1.23$. Kekayaan spesies sama, namun keseimbangan berbeda—$D$ mengungkap apa yang tidak terlihat oleh kekayaan spesies.

Dalam satu spesies, indeks heterozigositas $H =$ (jumlah heterozigot) $\div$ (jumlah individu) mengukur variasi genetik. Spesies yang hanya ditemukan di satu tempat disebut endemik—dan lokasi pulauannya menjadikannya sekaligus berharga dan rapuh.

Niche adalah cara hidup spesies: perannya, kebutuhannya, dan toleransinya. Adaptasi muncul dalam tiga kategori—anatomi (bulu tebal), fisiologi (varian enzim), dan perilaku (waktu migrasi).

Persamaan Hardy–Weinberg—memantau frekuensi alel dalam populasi besar yang bereproduksi secara acak tanpa seleksi, migrasi, atau mutasi:

$q^2$ = frekuensi genotip homozigot resesif. Jika 4 % populasi menunjukkan fenotipe resesif, maka $q^2 = 0.04$, sehingga $q = 0.2$, $p = 0.8$, pembawa sifat $2pq = 0.32$.

Cek terpecahkan. Dari 500 rubah, 45 homozigot resesif: $q^2 = 0.09$, $q = 0.3$, $p = 0.7$. Pembawa sifat yang diharapkan $= 2pq \times 500 = 0.42 \times 500 = 210$.

Soal konservasi membutuhkan keseimbangan. Kebun binatang dan bank benih menjaga spesies dari kepunahan serta melakukan pembiakan penangkaran, namun memakan ruang, menghilangkan perilaku alami, dan melayani sedikit individu; perlindungan habitat dan koridor melestarikan ekologi dalam skala luas tetapi memerlukan lahan, dana, dan kemauan politik. Berikan kredit pada argumen spesifik, bukan sekadar perasaan.

Untuk mikrobiologi ini (dan Unit 4): tumbuhkan bakteri pada agar nutrisi atau dalam kaldu, menggunakan teknik aseptik—sterilkan loop dengan api, panaskan leher botol, bekerja di atas arus udara naik, tutup petri dish, inkubasi di bawah suhu tubuh agar patogen manusia tidak tumbuh. Hitung koloni pada spread plate atau pour plate (setiap koloni berasal dari satu sel atau gumpalan: satuan pembentuk koloni), hitung sel dengan hemositometer, atau pantau kekeruhan dalam kaldu.

Cek terpecahkan. Pada fase eksponensial, konstanta laju pertumbuhan $k = (\log_{10} N_t - \log_{10} N_0)/(0.301 \times t)$. Dari $1 \times 10^4$ hingga $4 \times 10^7$ sel dalam 4 jam: perbedaan $\log$ $= 3.602$, sehingga $k = 3.602/(0.301 \times 4) \approx 3.0$ pembelahan per jam—sekitar waktu generasi 20 menit.

1. Hitung lebar sebenarnya inti sel yang tampak selebar 24 mm pada pembesaran ×4 000. Berikan jawaban dalam µm.
2. Sebutkan dua proses dalam meiosis yang menciptakan variasi genetik, dan jelaskan kapan masing-masing terjadi.
3. Sebuah sel memiliki 2 a.u. DNA pada fase G1. Sketsakan bagaimana konten DNA berubah melalui fase S, meiosis I dan meiosis II.
4. Jelaskan mengapa semua sel blastosis dapat menjadi jaringan apa pun, tetapi sel otot matang tidak dapat.
5. Jelaskan dua cara xilem beradaptasi dengan fungsinya, satu secara struktural dan satu secara kimia.
6. Dua habitat masing-masing berisi 5 spesies tumbuhan. Jelaskan mengapa indeks keanekaragaman dapat tetap berbeda di antara keduanya.
7. Dalam populasi 1 000, 16 orang menunjukkan kondisi resesif. Hitung q, p, dan jumlah pembawa gen yang diharapkan.
8. Satu spesies siput endemik pada sebuah pulau. Jelaskan mengapa spesies endemik memiliki risiko kepunahan yang lebih tinggi.
9. Sebutkan tiga kondisi yang harus dipenuhi populasi agar persamaan Hardy–Weinberg berlaku.
10. Berikan satu manfaat dan satu keterbatasan bank benih dibandingkan dengan perlindungan habitat.

Jawaban: 1 $24\,000/4\,000 = 6\ \mu$m; 2 crossing over pada profase I, asortemen independen pada metafase/anafase I (dan II); 3 naik menjadi 4 di fase S, berkurang separuh menjadi 2 setelah meiosis I, berkurang separuh menjadi 1 setelah meiosis II, dikembalikan menjadi 2 saat fertilisasi; 4 sel blastosis bersifat pluripoten — semua gen masih dapat diaktifkan; sel otot telah mematikan jalur lain secara permanen dalam kondisi biasa; 5 sel mati yang berongga dan berlignin membentuk kolom air kontinu tanpa sitoplasma untuk menghambat aliran; lignin waterproof dan memperkuat dinding agar tidak kolaps; 6 D menimbang keseragaman kelimpahan, bukan sekadar jumlah spesies; 7 $q^2 = 0.016$, $q \approx 0.126$, $p \approx 0.874$, pembawa gen $2pq \approx 0.22$, sekitar 220 orang; 8 kejadian lokal tunggal (badai, penyakit, predator yang diperkenalkan, kehilangan habitat) menghilangkan seluruh spesies sekaligus; 9 populasi besar, perkawinan acak, tidak ada seleksi/mutasi/migrasi; 10 bank benih menyimpan keanekaragaman genetik dengan murah dan aman terhadap kehilangan habitat (manfaat) tetapi spesies berada di luar ekologi mereka — tanpa interaksi, tanpa evolusi di tempat, dan rekolonisasi tidak pasti (keterbatasan).