ADAPTASI

ridwan@sith.itb.ac.id

Respon organisme terhadap perubahan lingkungan

• Setiap organisme berinteraksi dengan lingkungannya

• Perubahan lingkungan perubahan cara hidup organisme

• Respon terhadap perubahan lingkungan adaptasi

Definisi Adaptasi

Adaptasi adalah proses penyesuaian diri terhadap perubahan lingkungan agar

organisme dapat bertahan hidup.

Interaksi Respon biologi Adaptasi

• Behavioral biology is the study of what animals do when interacting with their environment

• Behavior can be interpreted in terms of proximate causes, or immediate interaction with the environment

Tipe adaptasi

• Adaptasi morfologi : penyesuaian struktur dan bentuk tubuh untuk bisa bertahan dalam kondisi lingkungan tertentu

• Contoh : beruang kutub memiliki bulu yang tebal agar dapat melawan temperatur yang dingin ; anjing laut dan singa laut memiliki anggota belakang yang berfungsi untuk berenang

• Adaptasi fisiologi : penyesuaian secara fisiologi akibat perubahan lingkungan agar organisme dapat bertahan hidup secara optimal

• Contoh : perubahan pada sistem sirkulasi darah pada lingkungan tertentu; misal Hb orang yang tinggal di dataran tinggi relatif lebih tinggi dari orang yang hidup di pesisir pantai. ( KENAPA ? )

• Adaptasi perilaku : perubahan perilaku organisme sebagai respon terhadap perubahan lingkungan.

• Contoih : Hibernasi (tidur selama musim dingin )

Salah satu spesies paus dan lumba-lumba dari ordo cetacea (Haley, 1976)

Otter (Haley, 1976) Salah spesies mamalia laut dari ordo sirenia

(Haley, 1976)

Pengaturan Lingkungan Internal

(Homeostasis)

• Termoregulasi

• Osmoregulasi

PENDAHULUAN

• Termoregulasi = proses homeostasis utk menjaga agar suhu tubuh suatu hewan tetap dalam keadaan stabil (steady state)

• Caranya : mengatur keseimbangan antara panas/energi yang diproduksi (termogenesis) dengan panas/energi yang dilepaskan (termolisis).

• Termogenesis = panas dari proses metabolisme (hewan endoterm) atau dapat berupa panas yang diabsorbsi dari lingkungan eksternal (hewan ektoterm)

ENDOTERM vs EKTOTERM

• Laju metabolisme hewan endoterm dapat 5 kali lebih besar dari hewan ektoterm untuk berat tubuh yang sama, mengapa bisa demikian ?

• Hewan heteroterm = panas tubuh diperoleh dari proses metabolisme namun tidak dapat mempertahankan suhu tubuh pada kisaran yang sempit.

• Contoh : mamalia kecil, bangsa burung tertentu, dan serangga terbang.

PENGATURAN SUHU TUBUH

• Hewan yang menjaga suhu tubuhnya tetap stabil = hewan regulator dan dikelompokkan sebagai hewan homeoterm /homoioterm

contoh : mamalia, dan burung.

• Hewan yang suhu tubuhnya dibiarkan mengikuti perubahan suhu lingkungan eksternalnya = hewan konformer dan dikelompokkan sebagai hewan poikiloterm

contoh : ikan, amfibi, reptil, dan semua invertebrata

Neraca keseimbangan panas tubuh

• Suhu tubuh hewan bergantung pada neraca keseimbangan panas ~ antara panas yang dihasilkan dan panas yang hilang

• Panas yang dihasilkan = panas diproduksi (hewan endoterm) atau panas diabsorbsi (hewan ektoterm)

• Panas yang hilang = panas radiasi, panas konduksi, panas konveksi, dan panas evaporasi

Pertukaran panas tubuh dengan lingkungan

Convection Radiation

Evaporation

Conduction

Panas yang hilang

• Radiasi = transfer energi secara elektromagnetik, merambat tanpa mediumEnergi radiasi dirumuskan sbb : (Hukum Stefan-Boltzman)

Qrad = σ ε AT4 , dimana

σ = konstanta Stefan-Boltzman ε = emisivitasA = luas permukaan tubuhT = temperatur dalam derajat Kelvin

Catatan : emisivitas materi biologi = 300 – 500 J/ det.m2

emisivitas matahari = 6,1 x 107 J/ det. m2

Panas yang hilang

• Konduksi = transfer panas secara langsung antara 2 materi padat yang berhubungan langsung tanpa transfer molekul

• Laju konduksi tergantung pada luas kontak fisik antara 2 materi yang berhubungan

• Nilai konduksi panas dapat dihitung sbb : (Hukum Fourier)

Qcond = - k A (T2 – T1) , dimana

x

Qcond = konduksi panask = koefisien konduktivitas panasT = temperatur dalam derajat KelvinA = luas kontak permukaanx = jarak antara 2 suhu yang berbeda

Panas yang hilang

• Konveksi = perambatan panas melalui cairan atau gas.

• Nilai konvekasi dihitung dengan rumus :

Qconv = - k A (Tb – Ta) , dimana

δQconv = panas konveksik = koefisien konveksiA = luas kontak permukaanT = temperatur dalam derajat Kelvinδ = boundary layer

Panas yang hilang

• Evaporasi = konversi dari zat cair menjadi gas .

Laju kehilangan panas karena evaporasi dihitung dengan rumus :

Qevap = L.k.A.T2 (Po – Pa) , dimana

Qevap = laju air yang berevaporasiL = latent heat of evaporationk = koefisien evaporasiA = luas permukaan tubuh hewanT = temperatur dalam derajat KelvinPo = tekanan uap air pada permukaan tubuh hewanPa = tekanan uap air dari massa udara

Besar pertukaran panas antara hewan dengan lingkungannya dirumuskan :

Qnet = Qrad + Qcond + Qconv + Qevap

Apakah ada pertanyaan

???

Pertukaran panas antara tubuh dan lingkungan

Secara umum laju pertukaran panas ke dalam dan ke luar tubuh tergantung pada:

1. Luas permukaan tubuh : besarnya rasio luas permukaan tubuh dengan berat badan sangat menentukan.

2. Perbedaan suhu : makin kecil perbedaan suhu tubuh

hewan dengan suhu lingkungan akan memperkecil pertukaran panas

3. Konduktansi spesifik = C (wet thermal conductance)

Pertukaran panas antara tubuh dan lingkungan

Pada hewan poikiloterm, jaringan permukaan tubuh merupakan daerah konduksi panas yang tinggi suhu tubuh sama dengan suhu lingkungan

Pada hewan homeoterm umumnya konduksi panas diperkecil karena terdapat lapisan lemak atau bulu/rambut pada permukaan tubuh yang berperan sebagai isolator.

Maka besarnya pertukaran panas antara tubuh hewan dengan lingkungannya dapat dirumuskan :

Qnet = C (Tb – Ta ) , dimana

Qnet = besarnya pertukaran panas ; C = koefisien konduksi panas; Tb = suhu tubuh ; Ta = suhu lingkungan

Produksi panas tubuh

Produksi panas tubuh dipengaruhi oleh :

1. Mekanisme gerakan : misalnya melakukan pemanasan pada atlit sebelum melakukan start, pada beberapa serangga berjemur untuk pemanasan otot sayap sebelum terbang.

2. Mekanisme otonom : melakukan percepatan dalam metabolisme energi cadangan, misal mengaktifkan termogenesis “lemak coklat” yang tersimpan pada leher dan bahu hewan mamalia dengan cara aktivasi saraf simpatik – memberbaskan norepinefrin metabolisme lemak dihasilkan ATP kerja + panas

3. Mekanisme adaptif /aklimasi : dengan jalan meningkatkan metabolisme basal.

Mekanisme pertukaran panas tubuh dengan lingkungan

1. Mekanisme tingkah laku : perilaku atau gerak berpindah ke lingkungan yang suhunya mendekati suhu optimum, contoh : burung bermigrasi ke belahan bumi yang lebih hangat pada musim dingin, atau katak padang pasir membenamkan diri di dalam lubang pada siang hari, kadal berjemur di pagi hari, dsb.

2. Mekanisme otonom : mengatur kecepatan aliran darah untuk menyimpan panas atau melepas panas ke permukaan tubuh, menjulurkan lidah saat anjing kepanasan atau mengangakan mulut pada buaya untuk menurunkan suhu tubuh melalui proses evaporasi.

3. Mekanisme adaptasi : merupakan mekanisme jangka panjang dengan bantuan sistem hormonal; contoh : hewan di daerah dingin akan menebalkan lapisan lemak di bawah kulit sebagai isolator tubuh.

Pengaruh perubahan suhu terhadap metabolismne

• Perubahan suhu laju metabolisme : diukur melalui laju konsumsi oksigen.

• Dalam batas toleransi : suhu meningkat laju konsumsi oksigen meningkat.

• Estimasi hubungan suhu – laju konsumsi oksigen dilakukan dengan hukum Van’t Hoff : bahwa setiap kenaikan suhu 10oC akan meningkatkan laju konsumsi oksigen sebesar 2 kali laju konsumsi semula

• Jika Q10 adalah peningkatan laju konsumsi oksigen karena peningkatan suhu dari T1 ke T2 , maka :

Q10 = R2 10/T2 –T1

R1

dimana R1 dan R2 adalah laju konsumsi oksigen pada suhu T1 dan T2

Jika : T2 – T1 = 10o , maka Q10 = R2

R1

Termoregulasi hewan homeoterm

• Hewan homoeterm memiliki suhu tubuh yang konstan walau suhu lingkungan berubah-ubah.

• Suhu tubuh dipertahankan sekitar 37-40oC (mamalia) dan 41-42,5oC (burung)

• Untuk menjaga suhu tubuh stabil (steady state) hewan homeoterm melakukan regulasi secara kimia (metabolisme) dan secara fisik (gemetar, evaporasi/berkeringat).

• Bila suhu lingkungan meningkat ekstrim, maka aktivitas regulasi akan meningkat sejalan dengan perubahan ekstrim tersebut.

• Pada kondisi normal/moderat, kecepatan produksi panas seimbang dengan kehilangan panas ke lingkungan melalui respon : vasomotor, perubahan postur tubuh, regulasi pilometer, dan efektivitas insulasi bulu/rambut

• Bila suhu turun : vasokonstriksi, mendirikan bulu, mengecilkan permukaan tubuh

• Bila suhu naik : vasodilatasi, peningkatan evaporasi, berteduh, mandi, dsb.

Termoregulasi

Ada yang mau bertanya

???

Bagaimana peristiwa termoregulasi pada hewan poikiloterm ?

dan bagaimana pula termoregulasi hewan

heteroterm ?

Tugas 1

Bagaimana peristiwa termoregulasi pada hewan poikiloterm ?

dan bagaimana pula termoregulasi hewan

heteroterm ?

Tugas 1

Dormansi

• Dormansi = hewan/tumbuhan dalam keadaan tidak aktif (aktivitas seminimal mungkin) untuk menghemat energi dan menghindari kematian

• Tidur : dipicu fungsi otak sensitivitas batang otak(nukleus raphe)↑ serotonin↑ hewan tidur : laju metabolisme rendah

• Jika nukleus raphe rusak insomania

• Torpor : tidur bermalas-malasan saat suhu lingkungan rendah untuk menghemat energi cadangan

• Hibernasi : tidur pada musim dingin dalam waktu yang lama. Mengapa setelah tidur lama (5 bulan) hewan bisa bangun lagi ?

• Estivasi : tidur di musim panas, untuk menghindari dehidrasi (hipovolemia).Contoh : Achatina fulica menarik tubuhnya ke dalam cangkang dan menutup lubang cangkang untuk mengurangi evaporasi. Atau ikan gabus yang membenamkan dirinya ke lumpur saat musim kemarau panjang

Tugas

2. Apa yang dimaksud dengan hipovolemia, heat stroke, dan dehidrasi

3. Apa yang dimaksud : zona suhu neutral, zona suhu kritis, zona regulasi fisik, zona hipertermia, dan hipotermia

4. Di laboratorium seekor katak dengan berat badan 20 gram diaklimatisasi pada suhu 10oC selama seminggu. Selanjutnya diukur laju konsumsi oksigen pada suhu 10, 20, 30oC. Pada suhu 10oC tercatat laju konsumsi oksigen sebesar 80 ml/gram/jam. Bila Q10 = 1,5 , maka :a. Buatlah grafik yang menggambarkan hubungan antara suhu lingkungan dengan laju konsumsi oksigenb. termasuk hewan apakah katak ditinjau dari panas tubuh yang diperolehnya, dan mekanisme apa yang dilakukan katak untuk menjaga stabilitas suhu tubuhnya.

Hibernasi bisa bangun kembali

Selama hibernasi berlangsung , termoregulator pada hipotalamus di set sampai 1oC di atas suhu lingkungan. Sehingga jika suhu lingkungan jatuh ke tingkat yang membahayakan (zona hipotermia) maka hewan akan segera meningkatkan laju metabolismenya untuk menghindari kematian.

Kembali

Endoterm vs Ektoterm

Karena hewan endoterm harus mempertahankan suhu tubuhnya dengan cara metabolisme,

sedangkan pada hewan ektoterm panas tubuh diperoleh dari panas lingkungannya, terutama dari panas radiasi matahari

Kembali