Pertumbuhan & perkembangan
Dari biji menjadi pohon, dari zigot menjadi manusia: bagaimana makhluk hidup tumbuh dan berkembang.
Jenjang yang disarankan: SD, SMP, SMA, kuliah.
Penjelasan untuk SD
Semua makhluk hidup tumbuh: bayi menjadi anak, anak menjadi remaja, biji menjadi pohon. Tumbuh berarti tubuh bertambah besar dan tinggi. Pertumbuhan bisa diukur, misalnya dengan penggaris atau timbangan.
Makhluk hidup juga berkembang, yaitu menjadi makin dewasa dan makin mampu. Bayi belajar tengkurap, duduk, berjalan, lalu berbicara. Tumbuhan yang sudah dewasa bisa berbunga dan berbuah.
Biji tumbuh menjadi tanaman. Kalau biji kacang hijau direndam lalu diletakkan di kapas basah, biji itu akan berkecambah: keluar akar kecil, lalu batang dan daun. Tanaman butuh air, udara, suhu yang cocok, dan cahaya. Kecambah yang disimpan di tempat gelap tumbuh tinggi tetapi pucat dan lemah.
Hewan juga tumbuh dan berubah. Anak kucing tumbuh menjadi kucing dewasa dan bentuknya mirip induknya. Katak berbeda: telur menetas menjadi berudu yang hidup di air, lalu tumbuh kaki, ekornya hilang, dan menjadi katak.
Agar tubuhmu tumbuh baik, makanlah makanan bergizi, minum air cukup, tidur cukup, dan rajin bergerak.
Poin kunci
- Tumbuh: bertambah besar dan tinggi, bisa diukur.
- Berkembang: menjadi makin dewasa dan mampu.
- Biji butuh air, udara, suhu cocok, dan cahaya; kecambah di tempat gelap pucat.
Aktivitas
Tanam beberapa biji kacang hijau di dua gelas berisi kapas basah. Letakkan satu gelas di tempat terang dan satu di kotak gelap. Ukur tinggi kecambah dan lihat warnanya setiap hari selama seminggu.
Penjelasan untuk SMP
Pertumbuhan adalah bertambahnya ukuran, massa, atau jumlah sel yang bersifat tidak dapat kembali (ireversibel) dan dapat diukur. Perkembangan adalah proses menuju kedewasaan: sel berdiferensiasi, organ terbentuk, dan fungsi tubuh menjadi lengkap. Perkembangan lebih mudah diamati daripada diukur.
Pada tumbuhan:
- Perkecambahan epigeal: keping biji terangkat ke atas tanah, misalnya kacang hijau. Perkecambahan hipogeal: keping biji tetap di dalam tanah, misalnya jagung.
- Pertumbuhan primer oleh meristem ujung akar dan ujung batang membuat tumbuhan bertambah panjang. Pertumbuhan sekunder oleh kambium membuat batang bertambah besar dan membentuk lingkaran tahun pada pohon di daerah bermusim.
- Faktor dalam: gen dan hormon tumbuhan. Faktor luar: air, cahaya, suhu, unsur hara, dan oksigen. Kecambah di tempat gelap mengalami etiolasi: tumbuh lebih cepat memanjang tetapi pucat karena tidak membentuk klorofil.
Pada hewan: zigot membelah berulang kali (pembelahan), membentuk embrio, lalu organ-organ. Sebagian hewan mengalami metamorfosis: serangga (sempurna atau tidak sempurna) dan katak (telur → berudu → katak muda → katak dewasa).
Pada manusia: tahapannya masa dalam kandungan, bayi, anak, remaja (pubertas), dewasa, dan lansia. Gizi pada seribu hari pertama kehidupan, sejak masa kehamilan sampai anak berusia dua tahun, sangat menentukan. Kekurangan gizi kronis dapat menyebabkan tengkes (stunting): anak lebih pendek dari standar usianya dan perkembangan otaknya dapat terganggu. Tengkes masih banyak dijumpai di Indonesia.
Poin kunci
- Pertumbuhan ireversibel dan terukur; perkembangan menuju kedewasaan.
- Perkecambahan epigeal (kacang hijau) dan hipogeal (jagung); etiolasi di tempat gelap.
- Seribu hari pertama kehidupan menentukan; kurang gizi kronis menyebabkan tengkes.
Aktivitas
Lakukan percobaan pengaruh cahaya terhadap pertumbuhan kecambah dengan tiga perlakuan (terang, redup, gelap) dan masing-masing lima kecambah. Buat grafik tinggi rata-rata terhadap hari dan jelaskan hasilnya.
Penjelasan untuk SMA
Hormon tumbuhan (fitohormon) bekerja dalam jumlah sangat kecil:
- Auksin: memanjangkan sel, menyebabkan fototropisme dan dominansi apikal (tunas ujung menghambat tunas samping), serta merangsang akar pada stek.
- Giberelin: memanjangkan batang, memecah dormansi biji, dan dipakai untuk membuat buah tanpa biji pada beberapa tanaman.
- Sitokinin: merangsang pembelahan sel dan menunda penuaan daun; perbandingan auksin dan sitokinin mengatur pembentukan akar atau tunas pada kultur jaringan.
- Etilen: gas yang mematangkan buah dan merangsang gugurnya daun. Pemeraman pisang dengan karbit bekerja karena gas asetilena yang terbentuk meniru etilen.
- Asam absisat: menutup stomata saat kekeringan dan mempertahankan dormansi biji.
Tumbuhan juga merespons cahaya melalui fitokrom. Fotoperiodisme membuat sebagian tumbuhan berbunga hanya jika panjang hari atau malam sesuai.
Perkembangan embrio hewan:
- Pembelahan: zigot membelah tanpa bertambah besar menjadi morula, bola sel padat.
- Blastulasi: terbentuk blastula, bola sel berongga (blastosol).
- Gastrulasi: sel-sel bergerak membentuk tiga lapisan benih: ektoderm (kulit luar dan sistem saraf), mesoderm (otot, tulang, darah, jantung, ginjal), dan endoderm (lapisan saluran pencernaan, hati, pankreas, paru-paru).
- Organogenesis: lapisan benih membentuk organ. Pada vertebrata, tabung saraf terbentuk dari ektoderm di punggung.
Sel-sel dengan DNA yang sama menjadi berbeda karena ekspresi gen yang berbeda. Metamorfosis katak diatur hormon tiroid, sedangkan metamorfosis serangga diatur ekdison dan hormon juvenil.
Poin kunci
- Auksin, giberelin, sitokinin, etilen, dan asam absisat mengatur tumbuhan.
- Embrio: pembelahan → blastula → gastrula (ektoderm, mesoderm, endoderm) → organogenesis.
- Diferensiasi terjadi karena ekspresi gen yang berbeda.
Aktivitas
Uji pengaruh etilen: simpan pisang mentah dalam tiga kondisi, yaitu terbuka, dalam kantong kertas, dan dalam kantong kertas bersama buah yang sudah matang. Amati warna dan kelunakan setiap hari, lalu kaitkan dengan peran etilen.
Penjelasan untuk kuliah
Biologi perkembangan menjelaskan bagaimana informasi genetik menjadi bentuk tubuh. Prinsip utamanya:
- Morfogen dan pola posisi: gradien protein seperti Bicoid pada embrio Drosophila menentukan sumbu depan–belakang. Gen segmentasi dan gen Hox kemudian memberi identitas setiap ruas; urutan gen Hox pada kromosom sejajar dengan urutan ekspresinya di sepanjang tubuh (kolinearitas). Penemuan ini diganjar Nobel 1995.
- Induksi: satu jaringan mengarahkan nasib jaringan lain, seperti “pengatur Spemann” pada embrio amfibi (Spemann dan Mangold, 1924).
- Garis keturunan sel dan apoptosis: seluruh garis keturunan sel Caenorhabditis elegans telah dipetakan, dan gen-gen apoptosis pertama kali ditemukan pada cacing ini (Nobel 2002). Apoptosis juga memisahkan jari-jari pada embrio vertebrata.
- Sel punca dan pemrograman ulang: sel dewasa dapat diprogram ulang menjadi sel punca pluripoten terinduksi (iPSC) dengan beberapa faktor transkripsi (Nobel 2012 untuk Gurdon dan Yamanaka), membuka jalan bagi pemodelan penyakit dan kedokteran regeneratif.
Perkembangan tumbuhan bersifat terbuka karena meristem terus membentuk organ baru sepanjang hidup. Model ABC pada Arabidopsis menjelaskan identitas organ bunga melalui kombinasi tiga kelas gen. Sinyal pembungaan “florigen” ternyata adalah protein FT yang bergerak dari daun ke meristem pucuk; vernalisasi dan fotoperiode mengatur kapan FT dihasilkan.
Evo-devo menunjukkan bahwa keragaman bentuk sering berasal dari perubahan pengaturan gen yang sama, bukan dari gen yang sama sekali baru. Plastisitas perkembangan juga menjelaskan mengapa lingkungan awal, termasuk gizi pada seribu hari pertama kehidupan, berdampak jangka panjang pada kesehatan.
Poin kunci
- Morfogen, gen Hox, induksi, garis keturunan sel, dan apoptosis membentuk tubuh.
- iPSC: sel dewasa dapat diprogram ulang menjadi pluripoten.
- Tumbuhan: model ABC bunga dan florigen (protein FT).
Aktivitas
Pilih satu gen Hox atau gen pembungaan dan telusuri datanya di basis data (misalnya NCBI Gene atau TAIR). Rangkum fungsi, pola ekspresi, dan fenotipe mutannya, lalu jelaskan kaitannya dengan pembentukan pola tubuh.
Spesies contoh
- Padi (Oryza sativa)
- Jagung (Zea mays)
- Arabidopsis (Arabidopsis thaliana)
- Pisang liar (Musa acuminata)
- Belalang kayu (Valanga nigricornis)
- Kupu-kupu raja helena (Troides helena)
- Kodok buduk (Duttaphrynus melanostictus)
- Aksolotl (Ambystoma mexicanum)
- Cacing C. elegans (Caenorhabditis elegans)
- Lalat buah (Drosophila melanogaster)
- Manusia (Homo sapiens)