SI LABUS
OLEH SUHANDOYO
J URUSAN PENDI DI KAN BI OLOGI
FAKULTAS MATEMATI KA DAN I LMU PENGETAHUAN ALAM UNI VERSI TAS NEGERI YOGYAKARTA
BAHAN AJ AR PERTEMUAN 1
Konsep dan r uang lingkup per soalan biologi per kembangan
Pada hampir semua or ganisme mult iseluler , per kembangan dimulai dar i sebuah sel (hasil f er t ilisasi sel t elur oleh sper mat ozoa) yang kit a kenal sebagai zigot , yang selanj ut nya membelah secar a mit osis unt uk menghasilkan semua sel penyusun t ubuh or ganisme yang ber sangkut an.
Pada umumnya belaj ar t ent ang per kembangan hewan dan t umbuhan dikenal dengan embr iologi. I st ilah ini mer uj uk pada f akt a per kembangan ant ar a zigot dengan kelahir an or ganisme yang dikenal sebagai embr io. Namun demikian per kembangan t idaklah ber hent i hanya sampai lahir (menet as) t et api bahkan sampai masa ket uaan, masih t er j adi per kembangan. Sebagian besar or ganisme t idaklah ber hent i mengalami per kembangan. Set iap har i sel-sel t ubuh ada yang har us digant i ser t a di daer ah sumsum t ulang per kembangan pembent ukan sel-sel dar ah t er us t er j adi, ini membukt ikan bahwa per kembangan t idak per nah t er hent i. Oleh kar ena it ulah, saat ini banyak or ang ber diskusi t ent ang “BI OLOGI PERKEMBANGAN” sebagai sebuah disiplin ilmu yang mendiskusikan t ent ang per kembangan embr io dan pr oses-pr oses per kembangan lainnya.
Biologi per kembangan mer upakan salah sat u bidang st udi yang sangat menant ang dan t umbuh cepat sebagai bagian dar i bidang ilmu biologi. Saat ini, unt uk mempelaj ar i dan menger t i ber bagai f akt a per kembangan or ganisme
The Development s of mult icellular or ganism begins wit h a single cell
“Zygot e”
DEVELOPMENTAL BI OLOGY embr yo development and
seseor ang har us mengint egr asikan ber bagai cabang penget ahuan biologi. Biologi per kembangan membent uk sebuah f r amewor k yang mengint egr asikan ber bagai cabang ilmu biologi seper t i biologi molekuler , f isiologi, biologi sel, anat omi, r iset t ent ang kanker , imunologi dan bahkan evolusi dan ekologi.
Per kembangan t er j adi pada semua or ganisme dan di semua t ingkat an or ganisasi kehidupan. Per kembangan t er j adi pada plant ae, animalia, f ungi, moner a dan pr ot ist a.
Development al biology as biology science
Integrates molecular biology, physiology, anatomy, cell biology, imunnology, evolution and
ecology
I nt er nal Fact or s
DEVELOPMENTAL BIOLOGY OF ORGANISM
(Plant ae, animalia, f ungi, moner a, and pr ot ist )
Pr insip Ut ama Per kembangan
Per kembangan meliput i dua f ungsi ut ama yait u menghasilkan dever sit as seluler pada set iap gener asi dan menj amin kont inuit as (keber langsungan) kehidupan dar i sat u gener asi ke gener asi ber ikut nya. Ter masuk dalam f ungsi per t ama adalah pr oduksi dan or ganisasi semua j enis-j enis sel dalam t ubuh. Sebuah sel “sel yang t er f er t ilisasi” t umbuh ber kembang menj adi sel-sel ot ot , sel kulit , sar af , lymphosit , sel dar ah dan semua j enis sel t ubuh lain. Per kembangan menj adi dan menghasilkan ber bagai j enis sel t er sebut dikenal sebagai “DI FFERENSI ASI ” sedangkan pr oses or ganisasi sel-sel yang t elah mengalami dif f er ensiasi membent uk j ar ingan dan or gan dikenal sebagai MORPHOGENESI S” (menghasilkan bent uk dan st r ukt ur spesif ik) dan “PERTUMBUHAN” (peningkat an ukur an). Fungsi kedua dar i per kembangan adalah r epr oduksi yait u keber langsungan sebuah spesies dar i sat u gener asi ke gener asi ber ikut nya.
Kehidupan individu bar u dimulai dar i ber sat unya mat er ial genet ik dar i dua sel kelamin yait u sper mat ozoa dan ova (sel t elur ). Penggabungan ini dikenal sebagai f er t ilisasi. Fer t ilisasi akan mer angsang per mulaan per kembangan.
DEVELOPMENTAL BIOLOGY FUNCTION
DIFFERENTIATION CONTINUITY by
REPRODUCTION
MORPHOGENESIS AND
Reproduksi Sebagai Fakt a Biologi
Repr oduksi secar a umum dapat diar t ikan sebagai per kembangan (t er masuk per banyakan)m mat er i kehidupan (or ganik) yang dibat asi oleh r uang dan wakt u. Repr oduksi dengan demikian hanya akan t er j adi apabila per syar at an lingkungan (int er nal dan ekst er nal) dapat t er penuhi. Repr oduksi dapat t er j adi pada semua t ingkat an or ganisasi kehidupan mulai dar i t ingkat molekuler sampai or ganisme mult iseluler .
Sebagai cir i biologik, r epr oduksi mer upakan salah sat u kar akt er ist ik or ganisme hidup. Pembicar aan t ent ang r epr oduksi sebagai ilmu penget ahuan dengan demikian menj adi sangat luas kar ena mencakup semua or ganisme baik t umbuhan maupun hewan, dar i t ingkat an molekuler sampai or ganismik. Sebagai sebuah t eknologi, r epr oduksi mer upakan biot eknologi yait u t eknologi yang menghambat at au memacu, mengat ur segala sesuat u yang ber hubungan dengan r epr oduksi melalui kaj ian biologik.
Ter dapat 4 mekanisme r epr oduksi t ingkat molekuler yait u akumulasi, sint esis enzimat ik, t emplat e dependent synt hesis dan self duplikasi. Akumulasi mer upakan bent uk r epr oduksi molekuler yang paling seder hana dan hanya t er j adi pada bahan-bahan anor ganik melalui pr oses penambahan molekul at au ion yang sej enis yang ber sumber dar i makanan dan minum. Sint esis enzimat ik melibat kan enzim unt uk meningkat kan ef isiensi per ubahan dar i r aw mat er ial menj adi bahan-bahan or ganik yang t idak spesif ik, misalnya kar bohidr at , lemak dan t ur unan-t ur unannya. Templat e dependent synt hesis mer upakan pr oses pembent ukan senyawa-senyawa or ganik yang spesif ik sesuai dengan kode-kode genet ik yang ada, pr ot ein mer upakan senyawa spesif ik yang dihasilkan melalui pr oses ini. Self dependent mer upakan mekanisme duplikasi at au per banyakan dir i dar i senyawa-senyawa t er t ent u yang sama per sis, misalnya duplikasi DNA. Melalui pr oses-pr oses r epr oduksi molekuler , akan dihasilkan sebuah per banyakan bagi or ganisme t ingkat molekuler (misalnya vir us) dan per ut mbuhan bagi or ganisme t ingkat uniseluler dan mult iseluler .
Gambar 1. Skema Hubungan Pola Repr oduksi Pada Or ganisme
Raw Material
Accumulation mn
Synthesis Enzymatic
Template Dependent
Synthesis
Self Duplication
Molecular Reproduction
Cellular Reproduction
Growth of tissue and organs
Formation or Reproductive Unite
Development
Perbanyakan Virus Perbanyakan Organisme Multiseluler
Perbanyakan Organisme
Uniseluler Increase in
cell size
Ragam Siklus Hidup Seksual Pada Or ganisme
Siklus hidup mer upakan sebuah r angkaian at au ur ut an dar i gener asi ke gener asi melalui t ahapan sej ar ah r epr oduksi mulai dar i pembent ukan unit f ungsional r epr oduksi sampai menghasilkan ket ur unan.
Ber dasar kan banyak dan komposisi kr omosom (diploid – haploid) selama f ase hidup mult iseluler , set idaknya t er dapat t iga macam siklus hidup seksual pada or ganisme yait u diplont ic, haplont ic, dan diplohaplont ic.
Siklus hidup diplont ic t er j adi pada manusia dan sebagian besar hewan. Pada siklus hidup diplont ic, gamet mer upakan sat u-sat unya sel yang haploid, oleh kar ena it u pembelahan meiosis hanya t er j adi pada saat pr oses pr oduksi gamet (gamet ogenesis). Sel gamet t idak akan membelah lagi apabila belum mengalami f er t ilisasi membent uk zigot . Zigot akan membelah dir i secar a mit osis unt uk menghasilkan or ganisme mult iseluler diploid.
n Gamet
n n n
2n 2n
Gambar 2. Siklus Hidup Diplont ic, Pada Hewan dan Manusia
Siklus hidup haplont ic t er j adi pada sebagian besar f ungi, beber apa pr ot ist a dan beber apa j enis algae. Pada siklus hidup haplont ic, sesudah gamet ber f usi (f er t ilisasi) membent uk zigot diploid akan mengalami meiosis yang t idak menghasilkan unit per kembangan (gamet ), selanj ut nya sel haploid t er sebut akan mengalami pembelahan mit osis unt uk menghasilkan or ganisme mult iseluler yang haploid. Pembelahan mit osis akan t er us ber langsung dan sel akan ber kembang menj adi gamet yang haploid. Sat u-sat unya t ahap diploid hanya dit emukan pada zigot yang ber sel t unggal.
Meiosis Fertilisasi
Organisme multiseluler
n
mit osis mit osis n n n
2n 2n
Gambar 2. Siklus Hidup Haplont ic, Pada Sebagian besar Fungi, dan beber apa pr ot ist a
Siklus hidup diplohaplont ic t er j adi pada t umbuhan dan beber apa spesies algae. Pada or ganisme ini t er j adi per gilir an gener asi, mencakup t ahapan diploid maupun haploid yang mult iseluler . Tahap diploid mult iseluler disebut spor of it (spor ophyt e), sedangkan t ahap haploid mult iseluler disebut gamet of it (gamet ophyt e). Sel-sel gamet osit menghasilkan gamet melalui pr oses mit osis. Per sat uan dua gamet haploid akan menghasilkan zigot diploid yang akan ber kembang menj adi gener asi spor of it yang mult iseluler haploid. Oleh kar ena it u dalam t ipe siklus hidup ini, spor of it akan menghasilkan gamet of it sebagai ket ur unan,s edang gener asi gamet of it akan menghasilkan gener asi spor of it ber ikut nya.
n
mit osis mit osis n n n
2n zigot 2n
Gambar 3. Siklus Hidup Diplohaplont ic, Pada Tumbuhan, dan beber apa J enis Algae
Meiosis Fertilisasi
Zigot uni seluler Organisme Multiseluler
Haploid
Meiosis Fertilisasi
Organismne multiseluler diploid (sporofit)
Organisme Multiseluler
Mekanisme Repr oduksi dan Seksualit as Or ganisme
Salah sat u cir i kehidupan t er pent ing adalah kemampuan or ganisme unt uk membiakkan (ber epr oduksi) j enisnya. Selama kehidupan set iap or ganisme, ada kalanya diket emukan keadaan t er hent inya met abolisme, per t umbuhan dan t anggapan t er hadap r angsangan luar , ser angan pr edat or at au pemangsa, kelapar an, per ubahan-per ubahan lingkungan ser t a pr oses penuaan (aging), yang semuanya it u dapat ber muar a pada kemat ian or ganisme yang ber sangkut an. Kenyat aan didapat i, spesies or ganisme yang ber sangkut an t et ap saj a ada. Nyat a bahwa usia set iap individu apapun, selalu lebih pendek dibandingkan lama kehadir an spesies yang ber sangkut an. Hal ini dapat t er j adi kar ena individu bar u akan dihasilkan oleh yang t ua sebelum dia mat i. Tiap gener asi menghasilkan gener asi bar u, unt uk menggant i yang mat i kar ena pemangsa, par asit , kecelakaan, umur t ua, penyakit dan lain-lain.
Dewasa Tua, Penyakit , pr edat or Mat i
Pr oses per t umbuhan or ganisme Sel gamet
Z igot Fer t ilisasi
Bagan 2 : Siklus Kehidupan Or ganisme. Dar imana Mulainya ?
khayalan lain. Bahkan sampai saat ini, pembicar aan masalah r epr oduksi mer upakan pembicar aan yang mengasyikkan dalam mer amaikan suasana silat ur ahmi seolah t ak ada habis-habisnya.
Beber apa Cat at an Sej ar ah Penemuan Biologi yang secar a langsung at au t idak langsung mendukung per kembangan I lmu Repr oduksi-Embr iologi Hewan
dikenal dengan adanya dokt r in “Pangenesis” yang menyat akan bahwa semen ber asal dar i cair an di selur uh t ubuh.
2. Her ophillus (Yunani, 100 t ahun sesudah zaman Ar ist ot eles) menemukan alat pembent uk t elur pada mamalia yang kemudian disebut nya sebagai “t est es bet ina”.
3. Fallopius (I t alia, per t engahan abad XVI ), menulis t ent ang salur an t elur pada mamalia secar a t elit i, sehingga pada t ahun 1562 salur an yang dimaksud kemudian diber i nama “t uba Fallopii”.
4. Coit er (I t alia, ) pada t ahun 1573 mengur aikan pengamat annya t ent ang cor pus lut eum. 5. William Har vey (I nggr is), pada 1651 melakukan pengamat an r epr oduksi melalui
pengamat an embr io ayam yang sedang dier ami induknya. Dar i car a ini kemudian lahir lah ilmu “Embr iology”. 11. Bar r y, 1840, menemukan sper mat ozoa dalam t elur mamalia.
12. Waldeyer , 1870. mengemukakan bahwa bakat sel kelamin ber asal dar i epit el coelom
yang membungkus bakal kelenj ar kelamin yang pada wakt u it u disebut gonade.
penyelidikan asal bakal sel kelamin t elah dilakukan pada ikan, amphibia, t ikus, kucing, mar mut dan j uga pada manusia.
14. Lat est e 1887, menelit i mengenai siklus bir ahi pada hewan r odent ia, yang selanj ut nya disusul oleh pengamat an Heape pada ker a.
15. Heape, 1900, mencoba mambagi siklus bir ahi t ikus menj adi beber apa f ase dan selanj ut nya diket ahui ada per kecualian pada kelinci.
16. Sej ak saat it u ber kembang t er us pemahaman r epr oduksi dar i dit emukan car a mengawet kan sper mat ozoon, f er t ilisasi in vit r o, t r ansf er embr io, t r ansf er or gan pada embr io sampai pada clonning. Penget ahuan ini masih akan ber kembang t er us. Yang dahulu menj adi mit os akhir nya akan ber gugur an sat u demi sat u dengan dit emukannya bukt i-bukt i ilmiah yang bar u dan kuat . I mplement asi di bidang ilmu ini j uga semakin luas hampir ber sent uhan dengan selur uh aspek kehidupan dewasa ini.
Mengapa kit a mempelaj ar i penget ahuan r epr oduksi ?. Dalam hal apa ilmu r epr oduksi pent ing bagi usaha kesej aht er aan umat manusia ?. I lmu penget ahuan t er cipt a dan akan t umbuh subur apabila dir asa manf aat nya bagi kesej aht er aan umat manusia. Pada masa kini Kit a dihadapkan kenyat aan disat u sisi lahan-lahan pr odukt if sudah semakin t er bat as, sedang disisi lain kebut uhan pangan semakin meningkat . Keadaan ini membut uhkan suat u upaya pengadaan pangan t er us-mener us, sehingga dapat t et ap t er penuhi. Semua penget ahuan yang mengar ah ke peningkat an ef isiensi pr oduksi sangat diper lukan. Penget ahuan r epr oduksi memiliki andil yang besar dalam hal ini. Ter dapat dua kebij akan yang ber hubungan dengan kondisi ini yait u : (1) pada
M ekanism e Repr oduksi Or ganism e
zygot (lihat Tabel I -1).
Ber dasar pada j umlah anakan, t er dapat dua macam pembelahan sel pada hewan uniseluler yait u pembelahan biner dan pembelahan ganda (mult iple). Pada pembelahan biner , hewan akan membelah menj adi dua dengan ukur an yang sama dan ident ik (misalnya pada pr ot ozoa, met azoa t ingkat r endah). Ber dasar pada bidang pembelahan, t er dapat beber apa macam pembelahan biner yait u pembelahan biner t r ansver sal, biner seder hana/ or t hodox,
biner longit udinal, biner oblique, dan St r obilasi/st r obilat ion (lihat Tabel I -2). Pada pembelahan ganda (mult iple f ission), int i membelah secar a cepat menj adi banyak int i. Set iap anak int i t er sebut kemudian dikelilingi oleh sedikit sit oplasma unt uk selanj ut nya ber kembang menj adi individu bar u yang banyak misalnya pada amuba, plasmodium, monocyst ic dan lain-lain.
Tabel I-1. Tipe Reproduksi Pada Organisme (hew an)
Reproduksi
Sifat Tipe organisme
Vegetatif
Pembelahan Amuba, Euglena, plasmodium, Monocystis
pertunasan Hydra, leucosolenia fragmentasi Bryophyta
Gemullae/statoblas Spongidae, Bryozoa regenerasi Planaria
Generatif Syngami Aves, mamalia, dll
Repr oduksi veget at if melalui pembent ukan t unas t er j adi misalnya pada hydr a, leucosolenia (Por if er a). Sesudah t unas t er bent uk, t unas dapat t er us lepas dar i induknya at au t et ap ber gabung unt uk membent uk koloni yang semakin besar .
Tabel I -2. Macam Pembelahan Biner belum mengalami dif f er ensiasi dan mengandung cadangan makanan. Sel-sel t er sebut t er let ak di sebelah dalam dan t er lindung oleh selaput yang mengandung chit in (pada st at oblas). Baik gemullae maupun st at oblas t er pisah dar i induk dengan j alan dest r uksi at au ker usakan t ubuh induk yang disebabkan oleh lingkungan t ak mengunt ungkan, induk akan mat i dan mer eka akan ber kembang menj adi individu bar u apabila kondisi lingkungan menj adi baik.
Tabel I -3. Repr oduksi Gamet ik (seksual) betina dihasilkan oleh sel atau organisme yang sama dan kemudian keduanya bersatu untuk membentuk zygot. Misal pada actinosphaerium dan paramaecium.
Exogamy :gamet jantan dan betina dihasilkan oleh dua individu yang berbeda, kemudian bersatu membentuk zygot
Hologamy. : pada hewan-hewan tingkat rendah individu atau organisma setelah mencapai dewasa penuh, bertindak sebagai gamet kemudian bersatu dengan individu dewasa lain untuk membentuk anak.
Paedogamy : adalah penyatuan kelamin dari individu-individu yang masih muda yang dihasilkan segera setelah pembelahan mitosis sel induk
Merogamy : Merupakan penggabungan gamet-gamet yang secara morfologi maupun ukurannya berbeda.
Isogamy :Penggabungan gamet-gamet yang secara morfologi maupun physiology identik
Anisogamy : Beberapa organisme menghasilkan dua jenis gamet. kedua gamet tersebut berbeda baik bentuk, ukuran maupun perilakunya dike nal sebagai anisogamet (heterogamet). Gamet jantan biasanya dapat bergerak (motile), lebih kecil ukurannya dan dikenal sebagai mikrogamet. Gamet betina tak dapat bergerak (immotil) dan memiliki ukuran lebih besar dikenal sebagai makrogamet atau megagamet. Persatuan makro dan mikrogamet untuk membentuk sigot dikenal sebagai anisogami.
Macrogamy. : Merupakan persatuan antara macrogamet.
Konyugasi Adalah persatuan yang bersifat sementara dari dua individu pada spesies
