Energi, Lingkungan, Mikrobiologi dan Imunitas

Sebidang sawah menangkap sinar matahari, mengikat karbon, memberi makan rantai makanan — dan kehilangan energi di setiap tahap. Unit ini mengikuti energi dari foton hingga ekosistem, lalu beralih ke peserta terkecil: mikroba yang mendaur ulang, patogen yang mengambil, dan sistem imun yang membela. WBI14 juga merupakan kertas dengan perhitungan terbanyak setelah Unit 1: siap-siaplah untuk NPP, konstanta pertumbuhan, indeks keanekaragaman, dan aritmatika waktu kematian.

WBI14 Energi, Lingkungan, Mikrobiologi, dan Imunitas adalah unit IA2 pertama: 1 jam 30 menit, 90 skor, semua wajib. Ini menilai Topik 5 (Aliran Energi, Ekosistem, dan Lingkungan) serta Topik 6 (Mikrobiologi, Imunitas, dan Forensik).

Reaksi keseluruhan: $6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2}$, didorong oleh energi cahaya. Di membran tilakoid, reaksi tergantung cahaya memfotolisis air (melepaskan O₂ dan H⁺), fotofosforilasi ADP, dan mereduksi NADP. Di stroma, reaksi tidak tergantung cahaya (siklus Calvin) mengikat karbon dioksida pada ribulosa bifosfat dengan rubisko, mereduksi produk menggunakan ATP dan NADP tereduksi dari tahap satu, dan membuat GALP — sebagian untuk glukosa, sebagian besar untuk meregenerasi RuBP.

Struktur sesuai fungsi: tilakoid ditumpuk untuk permukaan penyerapan; stroma padat dengan enzim untuk siklus tersebut.

Pigmen dan spektra

Klorofil a dan b menyerap cahaya merah dan biru; karotenoid memperluas jangkauan dan memberikan perlindungan. Spektra absorpsi menunjukkan apa yang diserap oleh setiap pigmen; spektra aksi menunjukkan laju fotosintesis yang digerakkan oleh setiap panjang gelombang — kesesuaian keduanya adalah bukti bahwa pigmen-pigmen ini melakukan tugasnya. Kromatografi memisahkan pigmen berdasarkan kelarutan; $\mathrm{Rf} = \text{distance moved by pigment} / \text{distance moved by solvent}$.

Faktor pembatas: intensitas cahaya, konsentrasi CO₂, suhu. Rumah kaca meningkatkan faktor terlemah dari ketiganya — dan jawaban ujian menyebutkan mana dan mengapa.

Produktivitas primer kotor (GPP) adalah energi yang diikat oleh fotosintesis per satuan luas per waktu (kJ m⁻² yr⁻¹). Tumbuhan menghabiskan banyak energinya untuk respirasi sendiri; yang tersisa adalah produktivitas primer bersih:

Hanya sekitar 10 % energi pada setiap tingkat trofik yang berpindah ke atas — hilang untuk respirasi sebagai panas, egesti, ekskresi, dan bagian yang tidak pernah dimakan. Itulah sebabnya rantai makanan jarang melebihi empat atau lima tingkat dan mengapa predator puncak langka.

Cek terarah. Padang rumput mengikat 45 000 kJ m⁻² yr⁻¹ dan respirator 19 000. NPP $= 26\,000$ kJ m⁻² yr⁻¹. Sapi yang memakan rumput tersebut menyimpan sekitar 10 %: 2 600 kJ m⁻² yr⁻¹. Manusia yang memakan sapi tersebut menyimpan 260 — aritmatika energi di balik "memakan lebih rendah dalam rantai memberi makan lebih banyak orang".

Empat definisi, secara presisi: habitat (tempat), populasi (individu satu spesies), komunitas (semua populasi), ekosistem (komunitas + lingkungan). Faktor abiotik (cahaya, air, suhu, pH) dan faktor biotik (kompetisi, predasi, penyakit) menentukan siapa hidup di mana dan dengan kelimpahan bagaimana — bersama-sama membentuk niche.

Siklus predator dan mangsa dengan penundaan: kelinci naik, rubah mengikuti, kelinci turun, rubah kelaparan — ada jeda sekitar seperempat siklus.

Suksesi dimulai ketika spesies perintis menjajah tanah gundul; setiap tahap mengubah tanah dan mikroklimat, memungkinkan tahap berikutnya, hingga komunitas klimaks stabil. Pengukuran kelimpahan menggunakan kuadrat dan transek (pengambilan sampel acak untuk estimasi, sistematis sepanjang gradien) dan tangkap-tandai-terima kembali untuk hewan ($N \approx \text{first catch} \times \text{second catch} / \text{marked recaptures}$).

Bukti berasal dari rekaman suhu langsung, inti es (udara terperangkap memberikan CO₂ purba), cincin pohon (dendrokronologi) dan lapisan serbuk sari dalam gambut. Efek rumah kaca diperkuat: radiasi gelombang panjang yang keluar diserap oleh CO₂, metana, dan oksida nitrat, lalu dipancarkan kembali ke bawah. Gas-gas ini berbeda — metana sangat poten tetapi berumur pendek; CO₂ bertahan ratusan tahun; oksida nitrat menggabungkan keduanya — sehingga kebijakan menimbang potensi pemanasan global terhadap masa pakainya.

Mengekstrapolasi tren melampaui datanya adalah sebuah penilaian, bukan fakta: nyatakan asumsinya (tren berlanjut) dan kelemahannya. Dampak yang sudah dibahas: pergeseran curah hujan dan rentang spesies, serta — terkait mata kuliah ini — efek suhu pada laju enzim pada organisme berdarah dingin dan seluruh ekosistem.

Pengecekan kerja. Potensi pemanasan metana adalah sekitar 28× CO₂ per kg, tetapi bertahan ~12 tahun melawan ratusan tahun. Kebocoran metana satu ton lebih berarti 28× kebocoran CO₂ satu ton dekade ini, namun memudar sementara CO₂ bertahan — aritmatika "potensi pemanasan vs beban kumulatif".

Evolusi adalah perubahan frekuensi alel. Memerlukan variasi (mutasi, meiosis) dan filter: seleksi berarah menggeser rata-rata ketika lingkungan berubah; seleksi menstabilkan memotong nilai ekstrem di lingkungan yang stabil. Drift mengubah frekuensi secara kebetulan dalam populasi kecil; aliran gen (migrasi) mencampurnya kembali.

Spesiasi memerlukan isolasi: allopatric (penghalang fisik — allopatric = tanah air berbeda) atau sympatric (isolasi reproduksi di tempat yang sama — perilaku, temporal, atau genetik). Populasi yang terisolasi menyimpang hingga tidak dapat lagi kawin silang.

Teknik aseptis melindungi Anda dan kultur: panaskan loop hingga merah, panaskan leher botol, angkat tutup sebentar, segel pelat dengan pita, inkubasi pada 25 °C (jangan gunakan suhu tubuh agar patogen manusia tidak berkembang biak). Ukur pertumbuhan melalui penghitungan sel langsung (hemositometer), kekeruhan dalam kaldu, atau hitungan viabel melalui pelatan pengenceran (koloni dihitung × faktor pengenceran).

Kurva pertumbuhan: lag (sintesis enzim), log (penggandaan eksponensial), stationer (kematian = pembelahan), kematian. Konstanta eksponensial:

Cek terarah. Dari $2\times10^4$ menjadi $1.6\times10^7$ sel dalam 5 jam: perbedaan logaritma $= 2.903$; $k = 2.903/(0.301\times5) = 1.93$ generasi per jam — waktu penggandaan sekitar 31 menit.

Bakteri: dinding sel, plasmid, ribosom, DNA melingkar, beberapa dengan kapsul dan flagelum. Virus: asam nukleat (DNA atau RNA) dalam kapsid, beberapa dengan selubung — tidak ada organel, tidak ada metabolisme sendiri; mereka mengambil alih sel inang. Mycobacterium tuberculosis menginfeksi paru-paru, bertahan di dalam makrofag; HIV menghancurkan sel T helper, sehingga sistem imun runtuh dan TB bereaktivasi — penyakit khas yang mendefinisikan AIDS.

Hambatan datang pertama: kulit, lendir dan silia, asam lambung, lisozim dalam air mata, dan kaskade pembekuan darah yang menutup luka.

Non-spesifik: peradangan (vasodilatasi dan kebocoran cairan membawa fagosit), fagositosis, interferon. Spesifik — antigen memicu respons ini:

• Humoral: sel B efektor → sel plasma → antibodi; sel B memori tetap ada untuk respons sekunder yang lebih cepat dan kuat.
• Seluler: sel T helper berkoordinasi, sel T pembunuh menghancurkan sel terinfeksi, sel T memori bertahan lama.

Antibodi terdiri dari empat rantai polipeptida (dua berat, dua ringan) dengan daerah variabel membentuk satu situs pengikatan spesifik — bentuk yang cocok dengan satu antigen. Kekebalan terbagi menjadi dua cara: aktif (antibodi sendiri — infeksi alami atau vaksinasi) vs pasif (antibodi diberikan — ibu ke bayi, antiserum); alami vs buatan di masing-masing kategori. Vaksinasi bekerja pada skala populasi juga (kekebalan kawanan) — namun patogen berevolusi kembali: perlombaan evolusi.

Cek terpecahkan. Dosis kedua vaksin menghasilkan kadar antibodi sepuluh kali lipat dosis pertama dan dalam hitungan hari bukan minggu: seleksi klonal menemukan sel B memori, yang membelah cepat menjadi sel plasma — respons sekunder yang dibangun oleh respons primer.

Antibiotik bakteriostatik menghentikan pertumbuhan bakteri; bakterisidal membunuhnya. Resistensi muncul melalui mutasi dan menyebar melalui seleksi setiap kali paparan membunuh yang rentan dan menyisakan yang resisten — menyelesaikan seluruh疗程 dan menghindari penggunaan tidak perlu keduanya memperlambat prosesnya. Infeksi yang diperoleh di rumah sakit berkembang biak di mana pasien rentan, alat invasif, dan strain resisten bertemu; kebersihan tangan, prosedur steril, dan isolasi pembawa memecah rantai tersebut.

Pengurai mendaur ulang karbon dan nitrogen — sistem limbah ekosistem. Rantai polimerase melakukan siklus denaturasi (95 °C), annealing primer (50–60 °C) dan perpanjangan (72 °C), menggandakan DNA target setiap siklus: $n$ siklus menghasilkan $2^n$ salinan. Elektroforesis gel menarik fragmen DNA bermuatan negatif melalui gel — fragmen pendek bergerak paling jauh. Profil posisi pita mengidentifikasi individu (cukup banyak lokus berbeda antar orang tak terkait) dan mengukur kerabat (pita bersama).

Waktu kematian disempitkan oleh empat indikator: suhu tubuh (turun ~1 °C per jam, dimodifikasi oleh ukuran, pakaian, udara), kerekakuan mayat (terjadi lalu hilang), tingkat dekomposisi, dan suksesi serangga pada jenazah — kedatangan setiap tahap memberi cap waktu pada interval.

Cek terpecahkan. Jenazah ditemukan pada suhu inti 22 °C di ruangan 15 °C: $(37-22)/(1\ ^\circ\text{C per hour}) \approx 15$ jam — tetapi nyatakan asumsiannya (udara tenang, postur rata-rata) sebelum mempercayainya.

1. Sebutkan produk reaksi terang yang digunakan oleh Siklus Calvin.
2. Sebuah tanaman menghasilkan 60 000 kJ m⁻² yr⁻¹ dan respirator 20 000. Hitung NPP dan energi yang mencapai tingkat trofik ketiga pada transfer 10 % di setiap langkah.
3. Jelaskan mengapa spektrum aksi merupakan bukti bahwa klorofil melaksanakan fotosintesis.
4. Bedakan seleksi arah dan menyeimbangkan dengan satu contoh masing-masing.
5. Berikan dua alasan mengapa rantai makanan jarang melebihi lima tingkat trofik.
6. Kultur tumbuh dari $5\times10^3$ ke $4\times10^6$ dalam 6 jam. Hitung k dan waktu penggandaan.
7. Jelaskan mengapa dosis vaksin kedua meningkatkan titer antibodi jauh lebih cepat daripada dosis pertama.
8. Jelaskan perbedaan antara bakteristatik dan bakterisidal, serta mengapa pembedaan ini penting bagi pasien dengan sistem imun lemah.
9. Tiga siklus PCR dari satu templat untai ganda: berapa banyak salinan?
10. Suhu inti tubuh adalah 30 °C. Perkirakan waktu sejak kematian berdasarkan asumsi standar dan sebutkan satu faktor yang akan memperpanjang interval sebenarnya.

Jawaban: 1 ATP dan NADP tereduksi; 2 NPP $= 40\,000$; tingkat ketiga $= 400\,\text{kJ m}^{-2}\text{yr}^{-1}$ (10 % dari 4 000); 3 panjang gelombang yang diserap klorofil paling baik adalah panjang gelombang yang mendorong fotosintesis paling efektif; 4 arah — resistensi antibiotik menggeser nilai rata-rata; menstabilkan — berat badan bayi lahir; 5 energi hilang pada setiap tahap ke respirasi/panas/ekskresi, sehingga sedikit yang tersisa; produsen juga kehilangan energi melalui respirasi sebelum transfer pertama; 6 selisih log 2.903, $k = 2.903/(0.301\times6) = 1.61$ jam⁻¹, penggandaan ≈ 37 menit; 7 sel B memori bertahan; paparan kedua memilih klone yang membelah cepat menjadi sel plasma — respons sekunder; 8 bakteristatik menghentikan pertumbuhan (sistem imun harus membersihkannya), bakterisidal membunuh secara langsung — sistem imun lemah memerlukan dukungan bakterisidal; 9 $2^3 = 8$ salinan; 10 $(37-30)/1 = 7$ jam; pakaian tebal atau ruangan hangat memperlambat pendinginan, sehingga waktu sebenarnya lebih lama.