FI5086 �Bumi Antariksa dan Sains Kehidupan�

Galih Restu Fardian Suwandi

KK Fisika Nuklir dan Biofisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Teknologi Bandung

Sains Kehidupan 1��Sains Kehidupan: Perspektif Fisika�

2

Bagian 1

Pengantar

dan

Klasifikasi Kehidupan

3

Diskusi pemancing

What is Life?��https://www.youtube.com/watch?v=QOCaacO8wus

4

What is life?

5

“Life feeds on negative entropy.”

Erwin Schrödinger – Physicist

“Life is a coded chemistry.”

Francis Circk – Biologist

“Life is a network of coupled chemical reactions.”

Lynn Margulis – Biologist

“Life is the steady-state thermodynamic system far from equilibrium.”

Harold Morowitz – Biophysicist

“Life is a self-replicating information system.”

Manfred Eigen – Biophysical chemist

“Life and Earth are inseparable – life regulates the planet.”

James Lovelock – Geophysics enviromentalist

Coba jelaskan “What is life” versi Anda.

What is life?

Perspektif Fisika

Hidup = sistem fisika non-equilibrium yang mempertahankan keteraturan dengan memanfaatkan aliran energi.

​

6

Prinsip yang terlibat:

• Hukum I Termodinamika → kekekalan energi
• Hukum II Termodinamika → entropi bertambah (kehidupan melawan pertambahan entropi secara lokal).
• Prinsip informasi → DNA sebagai “kode energi & entropi”.

​

“Life is a negentropic self-organizing system.”

Makhluk hidup

7

Life is a principle of self-motion, perpetuation, or self-alteration that distinguishes living from non-living things.”

Aristoteles

Living things 🡪 Makhluk hidup

Ciri-ciri makhluk hidup:

1. Bergerak (energi mekanik)
2. Bernapas (konversi kimia → panas)
3. Memerlukan energi (Hukum I)
4. Tumbuh dan berkembang (konversi energi → massa)
5. Bereproduksi (transfer energi + informasi)
6. Peka terhadap rangsang (bioelektrik, transduksi energi)

“Fisika menjelaskan semua proses kehidupan sebagai bentuk konversi energi.”

Klasifikasi Kehidupan

8

• cara dasar manusia memahami dan mengorganisasi dunia kehidupan
• berdasarkan kompleksitas dan efisiensi energi biologis
• Pendekatan ini tidak hanya mempermudah pengenalan makhluk hidup, tetapi juga menunjukkan pola dan keteraturan alam

cara berpikir Fisika

Klasifikasi Kehidupan: Domain

9

Ilmu biologi modern mengelompokkan semua makhluk hidup ke dalam tiga domain utama, berdasarkan struktur sel dan mekanisme genetiknya:

BACTERIA

ARCHAEA

EUKARYA

Jenis sel: prokariotik

Jenis sel: prokariotik

Jenis sel: eukariotik

Tidak punya inti sel, hidup di lingkungan ekstrem (panas, asam, garam tinggi)

Tidak punya inti sel, dinding sel peptidoglikan

Punya inti sel sejati dan organel kompleks

• Sel Eukariotik: memiliki inti (nucleus) dan organel (mitokondria, kloroplas, dsb) → memungkinkan kontrol energi dan informasi yang lebih kompleks.
• Sel Prokariotik: tanpa inti sejati, reaksi biokimia langsung di sitoplasma → lebih sederhana, tapi efisien secara energi.

Domain Eukarya

​

​

10

“tiap kingdom merepresentasikan cara berbeda dalam mengelola aliran energi dan menjaga keteraturan di dalam sistem kehidupannya.”

Contoh klasifikasi: Animalia

11

Bagian 2

Sistem Organisasi Kehidupan

12

Hierarki Biologi

13

Hierarki biologi (hierarki kehidupan)

urutan organisasi kehidupan dari yang terkecil hingga terbesar.

Semakin tinggi tingkatannya, maka organisasinya juga semakin kompleks.

Hirarki manusia sebagai organisme

14

Sel dan DNA

15

DNA (Deoxyribonucleic Acid)

• jenis asam nukleat dengan kemampuan pewarisan sifat.
• berada di dalam nucleoprotein yang membentuk inti sel.
• terdiri dari dua unting biopolimer yang berpilin satu sama lainnya membentuk heliks ganda.

Metabolisme Sel: berbagai reaksi kimia untuk menghasilkan energi, membuang limbah, dan melakukan fungsi-fungsi vital lainnya.

Pembelahan Sel: melalui proses yang disebut mitosis (untuk pertumbuhan dan perbaikan) dan meiosis (untuk produksi sel reproduksi).

Sudut pandang Fisika pada hierarki Biologi

16

Atom dan Molekul:

Sistem energi kuantum

Sel:

Sistem termodinamika

Jaringan:

Interaksi mekanik dan elektrik

Organ:

Sistem energi fungsional

Sistem organ:

Koordinasi energi

Organisme:

Stabilitas energi total

Contoh kajian fenomena Fisika 🡪 Biofisika

17

Sel

Difusi, gradien potensial, osmosis

Mekanika & transduksi energi

Otot

Saraf

Potensial listrik, impuls ionik

Fluida dinamis, tekanan, viskositas

Sirkulasi

Respirasi

Difusi gas, hukum Fick

Termodinamika & homeostasis

Tubuh total

Bagian 3

Energi dan Kehidupan

18

Energi

19

Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja: untuk mengubah keadaan suatu sistem.

Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya dapat diubah bentuknya

Energi bersifat universal: berlaku dari skala kosmik (bintang) hingga skala biologis (sel).

Bentuk energi fisik

Energi dalam kehidupan

20

Sistem terbuka dan non-equilibrium

• Makhluk hidup adalah sistem terbuka, selalu menerima dan membuang energi.
• Agar tetap hidup, organisme harus menjaga aliran energi agar entropi internal tetap rendah.

Contoh:

Respirasi seluler = pembakaran glukosa 🡪 energi kimia ke ATP

Fotosintesis = energi cahaya🡪 energi kimia

1. Fotosintesis

21

Transformator energi Cahaya ke Kimia

pada kloroplas tumbuhan, menggunakan energi cahaya matahari.

Foton diserap oleh klorofil → elektron tereksitasi → reaksi redoks → glukosa.

Sudut pandang Fisika

2. Respirasi

22

Proses kebalikan fotosintesis

Sudut pandang Fisika

• Tiap molekul glukosa menghasilkan energi ~686 kcal/mol.
• Energi disimpan sementara dalam molekul ATP → seperti “baterai mini” sel.
• ATP → ADP + Pᵢ melepaskan energi bebas (ΔG ≈ –30 kJ/mol).

Energi kimia → kerja biologis (gerak, sinyal, panas).

Siklus energi di Alam dan Kehidupan

23

“Tidak ada energi baru yang tercipta, hanya berpindah dan berubah bentuk.”

Aliran Energi Alam Semesta → Bumi → Kehidupan

1. Fusi di bintang (energi nuklir)
2. Radiasi elektromagnetik (energi cahaya)
3. Diserap tumbuhan (energi kimia)
4. Ditransfer melalui rantai makanan (mekanik, panas)
5. Dikembalikan ke lingkungan (entropi meningkat)

Siklus energi: Skala Bumi

24

Aliran Energi: Ekosistem dan Metabolisme Tubuh

25

Penutup

26

“Life is physics with chemistry on top.”

Paul Davies (Theoretical physicist, cosmologist, astrobiologist)

�“Living systems are islands of order in an ocean of entropy.”

Harold Morowitz (Biophysicist)

• Dari perspektif fisika, mengapa kehidupan harus ‘memakan energi’ untuk bertahan?
• Apakah mungkin ada bentuk kehidupan lain di alam semesta dengan mekanisme energi yang berbeda?
• Bagaimana Anda menjelaskan fotosintesis atau respirasi sebagai bentuk “konversi energi” dalam pengajaran fisika sekolah?

Diskusi

Selesai

27