Saraf, hormon & indra
Bagaimana tubuh merasakan, berpikir, dan menanggapi: sistem saraf, hormon, dan alat indra.
Jenjang yang disarankan: SD, SMP, SMA, kuliah.
Penjelasan untuk SD
Bagaimana kita tahu makanan itu manis, lampu itu terang, atau kompor itu panas? Kita memakai alat indra:
- Mata untuk melihat.
- Telinga untuk mendengar, juga membantu menjaga keseimbangan tubuh.
- Hidung untuk mencium bau.
- Lidah untuk mengecap rasa manis, asin, asam, pahit, dan gurih.
- Kulit untuk meraba dan merasakan panas, dingin, serta sakit.
Pesan dari alat indra dikirim oleh saraf ke otak. Saraf bekerja seperti jalur pengantar pesan yang sangat cepat. Otak adalah pusat pengatur tubuh: tempat kita berpikir, mengingat, merasakan, dan memutuskan gerakan.
Kadang tubuh bergerak sebelum kita sempat berpikir. Saat tangan menyentuh panci panas, tangan langsung ditarik. Gerakan cepat untuk melindungi diri ini disebut gerak refleks.
Tubuh juga memakai pesan kimia bernama hormon yang dibawa darah. Hormon membantu kita tumbuh dan mengatur banyak hal di dalam tubuh.
Hewan punya indra yang luar biasa: lumba-lumba menemukan ikan dengan pantulan suara (ekolokasi), anjing sangat peka terhadap bau, lebah madu bisa melihat sinar ultraviolet, dan ular sanca merasakan panas tubuh mangsanya.
Jaga otak dan indramu: tidur cukup, pakai helm saat bersepeda, membaca di tempat yang terang, dan tidak mendengarkan suara terlalu keras.
Poin kunci
- Lima alat indra: mata, telinga, hidung, lidah, dan kulit.
- Saraf membawa pesan ke otak; otak adalah pusat pengatur tubuh.
- Gerak refleks terjadi cepat tanpa berpikir untuk melindungi tubuh.
- Hormon adalah pesan kimia yang dibawa darah.
Aktivitas
Tutup mata, lalu minta teman menyentuhkan ujung satu atau dua pensil secara bergantian ke ujung jari dan ke punggung tanganmu. Di bagian mana kamu lebih mudah membedakan satu atau dua sentuhan?
Penjelasan untuk SMP
Tubuh dikoordinasikan oleh dua sistem: sistem saraf (cepat, lewat sel saraf) dan sistem hormon (lebih lambat, lewat darah, tetapi efeknya lebih lama).
Sel saraf (neuron) terdiri atas dendrit (menerima rangsang), badan sel, dan akson (meneruskan impuls). Berdasarkan tugasnya ada neuron sensorik (dari reseptor), neuron motorik (ke otot atau kelenjar), dan interneuron (penghubung).
Susunan saraf pusat:
- Otak besar: berpikir, mengingat, berbahasa, menafsirkan rangsang dari indra, dan mengatur gerak sadar.
- Otak kecil: mengatur keseimbangan dan koordinasi gerak.
- Batang otak (termasuk sumsum lanjutan/medula oblongata): mengatur napas, denyut jantung, dan tekanan darah.
- Sumsum tulang belakang: jalur impuls antara otak dan tubuh, serta pusat refleks.
Susunan saraf tepi meliputi saraf yang keluar dari otak dan sumsum tulang belakang, termasuk saraf otonom yang bekerja di luar kesadaran.
Gerak sadar melewati otak, sedangkan gerak refleks melewati jalur pendek (lengkung refleks): reseptor → neuron sensorik → sumsum tulang belakang → neuron motorik → otot.
Alat indra:
- Mata: cahaya melewati kornea, pupil (diatur iris), dan lensa, lalu jatuh di retina. Sel batang peka terhadap cahaya redup; sel kerucut membedakan warna. Rabun jauh (miopi) dibantu kacamata berlensa cekung; rabun dekat (hipermetropi) dengan lensa cembung.
- Telinga: gendang telinga bergetar, getaran diteruskan tulang martil, landasan, dan sanggurdi ke rumah siput (koklea). Saluran setengah lingkaran di telinga dalam mengatur keseimbangan.
- Hidung: sel pembau di rongga hidung atas.
- Lidah: kuncup pengecap untuk manis, asin, asam, pahit, dan umami tersebar di seluruh permukaan lidah.
- Kulit: reseptor sentuhan, tekanan, panas, dingin, dan nyeri.
Kelenjar hormon (endokrin) melepaskan hormon langsung ke darah:
- Hipofisis: hormon pertumbuhan dan pengatur kelenjar lain.
- Tiroid: tiroksin mengatur laju metabolisme. Kekurangan yodium dapat menyebabkan gondok.
- Pankreas: insulin menurunkan kadar gula darah. Gangguannya menyebabkan diabetes melitus.
- Adrenal: adrenalin menyiapkan tubuh menghadapi bahaya.
- Testis dan ovarium: hormon kelamin yang memicu pubertas.
Narkoba dan zat adiktif mengganggu cara sel saraf berkomunikasi, sehingga dapat merusak kesehatan dan menimbulkan ketergantungan.
Poin kunci
- Saraf: cepat dan singkat; hormon: lebih lambat tetapi lebih lama.
- Otak besar untuk berpikir, otak kecil untuk keseimbangan, batang otak untuk napas dan denyut jantung.
- Lengkung refleks: reseptor → neuron sensorik → sumsum tulang belakang → neuron motorik → otot.
- Insulin menurunkan gula darah; kekurangan yodium menyebabkan gondok.
Aktivitas
Uji waktu reaksi: teman menjatuhkan penggaris tanpa aba-aba, kamu menangkapnya. Catat jarak jatuh 5 kali untuk setiap tangan. Ubah jarak menjadi waktu dengan t = √(2d/g) dan bandingkan hasilnya.
Penjelasan untuk SMA
Impuls saraf adalah perubahan muatan listrik pada membran neuron. Saat istirahat, bagian dalam akson bermuatan negatif (sekitar −70 mV) karena kerja pompa Na⁺/K⁺ dan kebocoran K⁺. Bila rangsang mencapai ambang, kanal Na⁺ bergerbang tegangan terbuka dan Na⁺ masuk (depolarisasi), lalu kanal K⁺ terbuka dan K⁺ keluar (repolarisasi), diikuti hiperpolarisasi singkat. Potensial aksi bersifat “semua atau tidak sama sekali”. Pada akson bermielin, impuls meloncat dari satu nodus Ranvier ke nodus berikutnya (konduksi saltatori) sehingga jauh lebih cepat.
Di sinaps kimia, potensial aksi membuka kanal Ca²⁺ di ujung akson, lalu vesikel melepaskan neurotransmiter (misalnya asetilkolin, dopamin, serotonin, GABA) ke celah sinaps. Neurotransmiter berikatan dengan reseptor di membran sel berikutnya, lalu diuraikan enzim (misalnya asetilkolinesterase) atau diserap kembali. Banyak obat dan zat adiktif bekerja di sinaps; nikotin mengaktifkan reseptor asetilkolin, dan banyak zat adiktif meningkatkan pelepasan dopamin di jalur penghargaan otak.
Sistem saraf otonom terdiri atas saraf simpatik (menyiapkan tubuh untuk “lawan atau lari”: mempercepat denyut jantung, melebarkan pupil, menghambat pencernaan) dan parasimpatik (“istirahat dan cerna”: kebalikannya).
Sistem endokrin bekerja melalui reseptor. Hormon peptida (misalnya insulin) berikatan dengan reseptor di membran dan memicu pembawa pesan kedua di dalam sel; hormon steroid (misalnya estrogen, kortisol) menembus membran dan memengaruhi ekspresi gen. Hipotalamus mengendalikan hipofisis, yang mengatur kelenjar lain melalui umpan balik negatif, misalnya TRH → TSH → tiroksin.
Kadar gula darah dijaga dua hormon pankreas: insulin dari sel beta (menurunkan gula darah) dan glukagon dari sel alfa (menaikkannya). Diabetes tipe 1 terjadi karena sel beta dirusak sistem imun; diabetes tipe 2 terutama karena resistensi insulin yang dipengaruhi genetika dan gaya hidup.
Pada mata, pigmen rodopsin di sel batang berubah bentuk saat terkena cahaya dan memulai sinyal ke saraf optik. Lensa mengubah kecembungannya (akomodasi) untuk memfokuskan benda dekat dan jauh.
Poin kunci
- Potensial aksi: Na⁺ masuk (depolarisasi), K⁺ keluar (repolarisasi).
- Mielin mempercepat impuls melalui konduksi saltatori.
- Di sinaps, pesan diteruskan secara kimia oleh neurotransmiter.
- Insulin dan glukagon menjaga gula darah melalui umpan balik negatif.
Aktivitas
Amati refleks lutut dan refleks pupil (sorotkan senter sebentar dari samping, dengan hati-hati). Gambar lengkung refleks masing-masing dan jelaskan mengapa refleks lebih cepat daripada gerak sadar.
Penjelasan untuk kuliah
Potensial kesetimbangan setiap ion ditentukan gradien konsentrasinya (persamaan Nernst). Dengan konsentrasi khas mamalia, potensial kesetimbangan K⁺ sekitar −90 mV dan Na⁺ sekitar +60 mV. Potensial istirahat mendekati nilai K⁺ karena membran saat istirahat jauh lebih permeabel terhadap K⁺; persamaan Goldman memperhitungkan permeabilitas beberapa ion sekaligus.
Integrasi sinaptik: satu neuron menerima ribuan masukan berupa potensial pascasinaps eksitatori (EPSP) dan inhibitori (IPSP). Penjumlahan spasial dan temporal di bukit akson menentukan apakah potensial aksi dicetuskan. Plastisitas sinaptik, misalnya potensiasi jangka panjang (LTP) yang melibatkan reseptor glutamat NMDA, dianggap sebagai dasar seluler belajar dan ingatan.
Neuroendokrin: sumbu hipotalamus–hipofisis–adrenal mengatur respons stres melalui kortisol; paparan kortisol berkepanjangan memengaruhi metabolisme dan imunitas. Ritme sirkadian dikendalikan nukleus suprakiasmatik yang menerima informasi cahaya dari retina dan mengatur pelepasan melatonin.
Evolusi sistem saraf: Cnidaria memiliki jaring saraf tanpa otak terpusat; cacing pipih memiliki ganglia kepala dan tali saraf seperti tangga; artropoda memiliki otak dan tali saraf ventral berganglia; vertebrata memiliki tali saraf dorsal. Kecenderungan pemusatan saraf di kepala (sefalisasi) berkaitan dengan simetri bilateral dan gerak terarah.
Ekologi indra: ekolokasi pada banyak kelelawar pemakan serangga dan lumba-lumba, elektroresepsi pada hiu (ampula Lorenzini), lubang peka panas pada ular sanca dan ular berbisa tertentu, penglihatan ultraviolet pada lebah, dan bukti kuat magnetoresepsi pada burung yang bermigrasi. Organisme model seperti Caenorhabditis elegans, yang jaringan saraf lengkapnya telah dipetakan, membantu menghubungkan sirkuit saraf dengan perilaku.
Poin kunci
- Potensial istirahat mendekati potensial kesetimbangan K⁺.
- Neuron mengintegrasikan EPSP dan IPSP; LTP mendasari belajar.
- Sumbu HPA mengatur stres; SCN mengatur ritme sirkadian.
- Sefalisasi berkaitan dengan simetri bilateral dan gerak terarah.
Aktivitas
Hitung potensial kesetimbangan K⁺ (dalam 140 mM, luar 5 mM) dan Na⁺ (dalam 15 mM, luar 145 mM) pada 37 °C dengan persamaan Nernst. Jelaskan mengapa potensial istirahat mendekati nilai K⁺ dan apa yang terjadi bila K⁺ di luar sel meningkat.