BIOENERGETIKA

PENDAHULUAN
BAB I

Latar Belakang
Makhluk hidup membutuhkan energi untuk melakukan aktivitas hidupnya. Untuk mendapatkan energi, makhluk hidup memperolehnya dari sumber energi. Sumber energi dapat diperoleh dari makanan, dimana melalui makanan makhluk hidup menghasilkan energi berupa panas yang berperan dalam menghangatkan suhu tubuh. Makhluk hidup juga memperoleh energi dari cahaya matahari. Cahaya matahari dibutuhkan untuk menghangatkan tubuh makhluk hidup dan khusus untuk organisme autotrof, cahaya matahari dibutuhkan untuk proses fotosintesis. Dengan bantuan energi dari sinar matahari, organisme autotrof akan mengubah zat-zat anorganik menjadi senyawa kompleks yang merupakan sumber makanan dan nantinya akan menjadi sumber energi bagi organisme heterotrof.
Tanpa energi, makhluk hidup tidak dapat melakukan aktivitas hidupnya karena apabila makhluk hidup tidak memiliki energi, maka tubuh makhluk hidup tidak akan memiliki tenaga untuk berfungsi menjalankan kegiatan sehari-hari. Energi digunakan untuk menggerakkan otot yang ada sehingga makhluk hidup dapat bergerak. Dengan demikian, hal yang dilakukan sehari-hari seperti berjalan, menulis, duduk, dan lain sebagainya tidak akan dapat dilakukan tanpa adanya energi yang menggerakkan otot tubuh.
Energi juga dibutuhkan untuk mengatur sistem-sistem yang ada di dalam tubuh makhluk hidup. Makhluk hidup tersusun atas sistem-sistem yang kompleks yang tidak luput dari kebutuhan energi. Sistem-sistem seperti sistem pernafasan, sistem koordinasi, sistem pencernaan, sistem peredaran darah dan lain sebagainya memerlukan energi untuk dapat bekerja dengan baik. Selain itu, energi pada makhluk hidup digunakan untuk menjaga suhu tubuh karena dengan suhu tubuh yang terjaga, maka sistem yang berada dalam tubuh makhluk hidup menjadi tidak terganggu.
Bioenergetika adalah studi mengenai mekanisme molekul dimana energi dihasilkan melalui metabolisme katabolik atau melalui penangkapan cahaya melalui proses fotosintesis diubah agar dapat digunakan untuk proses pertumbuhan sel, motilitas dan bertahan hidup (Nichols, 2004). Menurut Murray (2006), bioenergetika atau yang dikenal dengan termodinamika biokimia adalah studi tentang perubahan kimia yang menyertai suatu reaksi kimia. Biokimia, seperti namanya, adalah kimia dari makhluk hidup. Oleh karena itu biokimia menjembatani antara ilmu kimia dengan ilmu biologi, ilmu yang mempelajari tentang struktur dan interaksi sel dan organisme. Sistem nonbiologik dapat menggunakan energi panas untuk melangsungkan kerjanya, sedangkan sistem biologik bersifat isotermik dan menggunakan energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan.
Prinsip reaksi oksidasi reduksi yaitu reaksi pengeluaran dan perolehan elektron berlaku pada berbagai sistem biokimia dan merupakan konsep penting yang melandasi pemahaman tentang sifat oksidasi biologi. Ternyata banyak reaksi oksidasi dalam sel hidup dapat berlangsung tanpa peran molekul oksigen. Adapun untuk mengetahui pembahasan terkait bioenergetika termasuk di dalamnya energy thermal, termodinamika dan kalor butuh dikaji ulang, sehingga mendapatkan informasi yang tepat.
Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah berdasarkan latar belakang, antara lain:
bagaimana konsep bioenergetika?
bagaimana hukum termodinamika?
bagaimana proses aliran energi pada rantai makanan?
bagaimana hubungan produktivitas primer dan sekunder dalam ekosistem?
Tujuan
Adapun tujuan berdasarkan rumusan masalah, antara lain:
untuk mengetahui konsep bioenergetika
untuk mengetahui hukum termodinamika
untuk mengetahui proses aliran energi pada rantai makanan
untuk mengetahui hubungan produktivitas primer dan sekunder dalam ekosistem
Manfaat
Adapun manfaat berdasarkan tujuan, antara lain:
untuk mengetahui konsep bioenergetika
untuk mengetahui hukum termodinamika
untuk mengetahui proses aliran energi pada rantai makanan
untuk mengetahui hubungan produktivitas primer dan sekunder dalam ekosistem




























BAB II
KAJIAN TEORI

Konsep Bioenergetika
Bioenergetika atau termodinamika biokimia adalah ilmu pengetahuan mengenai perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia. Reaksi ini diikuti oleh pelepasan energi selama sistem reksi bergerak dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah. Sebagian besar energi dilepaskan dalam bentuk panas. Pada sistem nonbiologik dapat menggunakan energi panas untuk melangsungkan kerjanya dan dapat diubah menjadi energi mekanik atau energi listrik. Sedangkan pada sistem biologik bersifat isotermik dan menggunakan energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan.

Gambar 2.1. Sistem dan Lingkungan secara Umum
Sumber: Fathuddin, 2013
Secara umum, sistem adalah segala sesuatu yang menjadi pusat perhatian dalam mempelajari perubahan energi dan berubah selama proses berlangsung. Lingkungan adalah benda-benda yang berada di luar dari sistem tersebut. Diantara sistem dan lingkungan, terdapat dinding pembatas yang lebih dikenal dengan batas sistem (sistem boundary).
Sistem sendiri terdiri atas berbagai macam, antara lain:
Sistem Terbuka
Sistem terbuka merupakan sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Contoh dari sistem terbuka adalah saat kita merebus air.
Sistem Tertutup
Sistem tertutup adalah sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) akan tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan. Contoh dari sistem tertutup adalah air yang dibiarkan pada gelas tertutup.
Sistem Terisolasi
Sistem terisolasi adalah sistem yang tidak mengakibatkan terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contoh dari sistem terisolasi adalah air yang disimpan dalam termos.
Pada energi, terjadinya perpindahan energi pada sistem dan lingkungan dapat digambarkan seperti berikut:

Gambar 2.2. Perpindahan Energi pada Sistem dan Lingkungan. (a). Perpindahan energi dari sistem ke lingkungan, dan (b). Perpindahan energi dari lingkungan ke sistem
Sumber: Lewis, 1986
Gambar (a), bahan bakar bereaksi dengan gas oksigen di udara dan menimbulkan panas di sekelilingnya. Pada proses ini terjadi perpindahan energi dari sistem ke lingkungan. Pada Gambar (b), daun yang berklorofil berfungsi sebagai sistem akan menyerap sinar matahari dan CO2 dari lingkungan, karbon dioksida bereaksi dengan air membentuk karbohidrat dan gas oksigen dalam proses fotosintesis. Pada proses ini terjadi perpindahan energi dari lingkungan ke sistem. Berdasarkan ini maka sistem adalah segala sesuatu yang dipelajari perubahan energinya, sedangkan lingkungan adalah segala yang berada di sekeliling sistem. Dalam ilmu kimia, sistem adalah sejumlah zat yang bereaksi, sedangkan lingkungan adalah segala sesuatu di luar zat-zat tersebut misalnya tabung reaksi.
Berdasarkan arah berpindahnya kalor dalam sistem dan lingkungan, maka reaksi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu reaksi eksoterm dan reaksi endoterm. Dikatakan reaksi eksoterm (berasal dari kata eks (keluar) dan therm (panas)) apabila kalor berpindah dari sistem ke lingkungan, artinya sistem melepas kalor. Adapun reaksi endoterm terjadi apabila sistem menyerap kalor atau kalor berpindah dari lingkungan ke sistem.
Reaksi Eksoterm
Setiap kali selesai makan nasi, badan akan menjadi gerah karena nasi yang dimakan akan bereaksi dengan oksigen yang dihirup dengan reaksi seperti berikut:

Persamaan termokimianya:

Energi dalam bentuk panas yang dilepas tubuh inilah yang menyebabkan gerah. Di dalam reaksi eksoterm, panas berpindah dari sistem ke lingkungan, karenanya panas dalam sistem berkurang sehingga DH-nya bertanda negatif. Secara matematis, DH dirumuskan sebagai berikut: DH = DH hasil reaksi – DH pereaksi Karena hasilnya negatif, berarti DH hasil reaksi lebih rendah dari DH pereaksi, dan digambarkan dalam diagram berikut:

Gambar 2.3. Diagram Reaksi Eksoterm. Arah panah ke bawah menunjukkan bahwa energi semakin berkurang karena sebagian terlepas
Sumber: Lewis, 1989
Reaksi Endoterm
Reaksi endoterm merupakan kebalikan dari reaksi eksoterm. Dalam reaksi ini, sistem menyerap kalor dari lingkungan sehingga harga entalpi reaksinya bertambah besar dan DH-nya berharga positif, atau DH hasil reaksi– DH pereaksi > 0. Karena hasilnya positif, berarti DH hasil reaksi lebih tinggi dari DH reaksi, dan digambarkan dalam diagram berikut:

Gambar 2.4. Diagram Reaksi Endoterm. Arah panah ke atas menunjukkan bahwa energi semakin bertambah karena sistem menyerap panas dari lingkungan
Sumber: Lewis, 1989
Hukum Termodinamika
Termodinamika merupakan studi yang mempelajari transformasi energi dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Prinsip pertama dari hukum termodinamika adalah hukum kekekalan energi, yang mengambil bentuk hukum kesetaraan panas dan kerja. Sedangkan prinsip yang kedua adalah panas tidak dapat berpindah dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas tanpa adanya perubahan diantara kedua benda tersebut. Terkait dengan hal tersebut, ada beberapa hal yang menjadi dasar transformasi bentuk energi. Berikut hukum termodinamika, antara lain:
Hukum I Termodinamika
Hukum I termodinamika berbunyi, "Although energy assumes many forms, the total quantity of energy is constant, and when energy disappears in one form it appears simultaneously in other forms"(Smith, 2001). Dengan kata lain, energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan. Energi hanya akan dapat berubah bentuk, namun jumlahnya di dalam alam ini adalah tetap. Biasanya kalimat pernyataan hukum I termodinamika sering juga disebut sebagai hukum kekekalan energi atau hukum konservasi energi. Energi pada aplikasi hukum I termodinamika meliputi energi yang terdapat pada sistem dan energi yang terdapat pada lingkungan.
Kedua aspek lingkup energi pada hukum I termodinamika ini kemudian dapat terjabarkan dalam persamaan:
+ =0 ... (1)
Tanda Δ pada persamaan (1) merupakan tanda yang mewakili selisih nilai dari harga karakteristik yang dikhususkan pada masing-masing bentuk energi. Misalnya, energi pada sistem, tanda Δ akan meliputi jumlah dari seluruh perubahan energi kinetik yang terdapat pada sistem ketika sistem itu bergerak pada perubahan kecepatan tertentu. Demikian pula, tanda Δ akan meliputi jumlah dari seluruh perubahan energi potensial yang terdapat pada sistem ketika sistem itu berada pada perbedaan ketinggian tertentu bahkan, hal yang sama pun akan terjadi apabila kedua bentuk energi tersebut dapat ditemukan dalam sistem tersebut.
2. Hukum II Termodinamika
Pernyataan hukum II termodinamika merupakan observasi lebih lanjut terhadap proses yang terjadi dalam hukum I termodinamika. Hukum II termodinamika dapat diekspresikan dalam dua pernyataan berikut:
Statement I: tidak ada instrumentasi yang mampu bekerja sedemikian rupa hanya untuk mengubah panas yang terserap oleh sistem seluruhnya menjadi kerja yang dilakukan oleh sistem.
Statement II: tidak ada proses yang mungkin terjadi hanya terdiri dari perpindahan panas dari level temperatur yang satu menuju level yang lebih tinggi.
Pada Statement I, tidak disebutkan bahwa panas tidak dapat dirubah menjadi kerja, namun proses yang terjadi tidak dapat meninggalkan sistem atau lingkungan begitu saja, keduanya harus diperhatikan. Sebagai contoh, ketika sebuah gas menyerap panas dari lingkungannya, akan menghasilkan kerja yang sama nilainya dengan dikerjakannya pada lingkungan. Pada awalnya mungkin agak berkontradiksi dengan Statement I, namun bahwa proses yang terjadi tidak hanya meliputi sistem, tapi juga lingkungan. Dengan demikian, ketika gas akan kembali ke kondisinya semula, ia akan memerlukan kerja yang digunakannya untuk rekompresi kembali ke tekanan awalnya. Kerja ini memiliki nilai minimal yang sama ketika gas mengalami ekspansi akibat panas yang diserapnya dari lingkungan. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa tidak ada kerja yang dihasilkan sehingga Statement I dapat dimodifikasi menjadi: Statement II: it is impossible by cyclic process to convert the heat absorbed by a system completely into work done by the system (Smith, 2001).
Kata siklik diperlukan karena sistem secara periodik akan kembali pada kondisinya semula. Pada kasus gas tadi, proses ekspansi dan rekompresi menuju kondisi awalnya merupakan satu kesatuan siklus. Jika proses ini berlanjut, maka proses ini akan membentuk siklus. Secara garis besar, hukum II termodinamika bukanlah menentang produksi dari kerja yang diperoleh dari panas. Namun, memberikan batasan yang jelas akan berapa banyaknya panas yang diterima oleh sistem yang kemudian dapat dikonversikan menjadi kerja yang dilakukan oleh proses tersebut.
Proses Aliran Energi Pada Rantai Makanan
Fotosintesis dan produksi primer bersih menyediakan energi bagi komunitas. Herbivora makan tumbuhan, karnivora makan herbivora, dan seterusnya karnivora dimakan oleh karnivora lainnya hingga terbentuk rantai makanan. Masing-masing tahap dalam rantai makanan merupakan tingkat trofik. Hubungan makan-memakan pada organisme dalam struktur trofik dalam komunitas memungkinkan terjadinya aliran energi.
Interaksi antara organisme dengan lingkungan dapat terjadi karena adanya aliran energi. Aliran energi adalah jalur satu arah dari perubahan energi pada suatu ekosistem. Proses aliran energi antarorganisme dapat terjadi karena adanya proses makan dan dimakan. Proses makan dan dimakan terjadi antara satu kelompok organisme dengan kelompok organisme lainnya (Endah, 2000).
Dalam proses makan dan dimakan terjadi proses perpindahan ataupun aliran energi. Pada awalnya energi matahari mengalir ke tumbuhan hijau dan digunakan untuk proses fotosintesis. Hasil fotosintesis disimpan sebagai cadangan makanan dan dimakan oleh konsumen. Energi akan berpindah dari konsumen yang satu dengan yang lainnya, jika konsumen puncak mati maka akan diuraikan oleh bakteri dan jamur menjadi unsur mineral yang diserap oleh tumbuhan tersebut kembali. Pada proses perpindahan energi dari satu trofik ke trofik lainnya selalu ada energi yang hilang, sehingga dapat dikatakan bahwa aliran energi merupakan rangkaian urutan perpindahan energi satu ke bentuk energi lain dimulai dari sinar matahari lalu ke produsen, konsumen, sampai ke pengurai di dalam tanah. Organisme memerlukan energi untuk mendukung kelangsungan hidupnya, antara lain untuk proses pertumbuhan dan perkembangan, reproduksi, bergerak, dan metabolisme yang ada dalam tubuh (Beny, 2001).
Rata-rata sekitar 10% dari produksi energi bersih pada satu tingkat trofik diteruskan ke tingkat berikutnya. Proses pengurangan energi yang ditransfer antara tingkat trofik termasuk respirasi, pertumbuhan dan perkembangan, buang air besar, dan kematian non predator (organisme yang mati tetapi tidak dimakan oleh konsumen). Kualitas gizi bahan yang dikonsumsu juga mempengaruhi seberapa efisien energi ditransfer, karena konsumen dapat mengkonversi sumber makanan berkualitas tinggi ke jaringan hidup baru yang lebih efisien daripada sumber makanan berkualitas rendah. Rendahnya transfer energi antara tingkat trofik membuat pengurai umumnya lebih penting daripada produsen dalam hal aliran energi.
Dekomposer memproses sejumlah besar bahan organik dan mengembalikan nutrisi ke ekosistem dalam bentuk anorganik yang kemudian diambil lagi oleh produsen primer. Energi tidak didaur ulang selama proses dekomposisi, melainkan dilepaskan, sebagian besar sebagai panas (Beny, 2001).
Gambar 2.5. Aliran Energi
Sumber: Anonim, 2014
Gambar . menunjukkan aliran energi melalui ekosistem dengan sebagian energi yang dilepaskan dalam bentuk panas. Pada setiap tingkat trofik, emergi yang dilepaskan ke lingkungan dalam bentuk panas dapat mencapai 90%. Jadi hanya 10% dari energi itu yang digunakan untuk kegiatan hidupnya. Oleh karena itu, semakin jauh energi itu dari sumbernya akan semakin kecil alirannya. Hal ini disebabkan karena adanya energi yang beralih dalam bentuk panas tubuh seperti diuraikan tadi. Di dalam ekosistem terjadi pemborosan energi juga tampak bahwa energi itu mengalir dari luar (matahari) ke dalam ekosistem dalam satu alur. Energi tidak dapat berdaur ulang dan tidak dapat kembali lagi ke matahari. Salah satu sifat yang penting adalah energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain sesuai hukum Termodinamika I. Perubahan bentuk energi itu dikenal sebagai transformasi energi. Makhluk hidup mampu melakukan transformasi energi. Misalnya dari energi gula diubah menjadi lemak dan protein kemudian disimpan di dalam jaringan tubuh atau diubah menjadi energi gerak (Soerya, 1994).
Rantai makanan adalah perpindahan materi dan energi dari suatu makhluk hidup ke makhluk hidup lain dalam proses makan dan dimakan dengan satu arah. Tiap tingkatan dari rantai makanan disebut taraf trofik atau tingkat trofik. Pada setiap tahap pemindahan energi, 80%-90% energi potensial hilang sebagai panas karena itu langkah dalam rantai makanan terbatas 4-5 langkah saja. Dengan perkataan lain, semakin pendek rantai makanan semakin besar pula energi yang tersedia (Andhi, 1998).
Setiap kelompok organisme yang memiliki sumber makanan tertentu disebut dengan tingkat trofik. Macam tingkat trofik yaitu produsen, konsumen, dan dekomposer (Kimball, 1999).
Gambar 2.6. Tingkat Trofik
Sumber: Silvitiani, 2010
Hubungan Produktivitas Primer dan Sekunder Dalam Ekosistem
Tumbuhan berklorofil mampu menangkap energi cahaya dan mengolah serta menyimpan energi tersebut menjadi energi kimia, yaitu berupa bahan organik. Energi kimia mengalir dari produsen ke konsumen dari berbagai tingkat tropik melalui jalur rantai makanan. Energi kimia tersebut digunakan organisme untuk pertumbuhan dan perkembangan. Kemampuan organisme-organisme dalam ekosistem untuk menerima dan menyimpan energi dinamakan produktivitas ekosistem. Produktivitas ekosistem terdiri dari produktivitas primer dan produktivitas sekunder.
Produktivitas Primer
Produktivitas primer adalah kecepatan organisme autotrof sebagai produsen mengubah energi cahaya Matahari menjadi energi kimia dalam bentuk bahan organik. Hanya sebagian kecil energi cahaya yang dapat diserap oleh produsen. Produktivitas primer berbeda pada setiap ekosistem, yang terbesar ada pada ekosistem hutan hujan tropis dan ekosistem hutan bakau. Produktifitas primer dibagi menjadi dua yaitu produktivitas primer kotor (PPk) dan produktivitas primer bersih (PPB).
Produktivitas primer kotor (PPk) adalah seluruh bahan organik yang dihasilkan dari proses fotosintesis pada organisme fotoautotrof. Lebih kurang 20% dari PPK digunakan oleh organisme fotoautotrof untuk respirasi, tumbuh dan berkembang.
Produktivitas primer bersih (PPB) adalah sisa energi produktifitas primer kotor yang baru disimpan. Biomassa organisme autotrof (produsen) diperkirakan mencapai 50%-90% dari seluruh bahan organik hasil fotosintesis. Hal ini menunjukkan simpanan energi kimia yang dapat ditransfer ke trofik selanjutnya melalui hubungan makan dimakan dalam ekosistem.
Produktivitas Sekunder
Produktivitas sekunder (PS) adalah kecepatan organisme heterotrof mengubah energi kimia dari bahan organik yang dimakan menjadi simpanan energi kimia baru di dalam tubuhnya. Energi kimia dalam bahan organik yang berpindah dari produsen ke organisme heterotrof (konsumen primer) dipergunakan untuk aktivitas hidup dan hanya sebagian yang dapat diubah menjadi energi kimia yang tersimpan di dalam tubuhnya sebagai produktivitas bersih.
Demikian juga perpindahan energi ke konsumen sekunder dan tersier akan selalu menjadi berkurang. Pergerakan energi melalui komunitas bergantung dengan efisiensi, yang organisme mengkonsumsi sumber makanan dan mengubahnya ke dalam biomassa. Efisiensi ini berkaitan dengan rantai makanan. Perbandingan produktivitas bersih antara trofik dengan trofik-trofik di atasnya dinamakan efisiensi ekologi. Efisiensi ekologi bergantung kepada efisiensi dari tiga tahap utama dalam aliran energi, yaitu eksploitasi, asimilasi, dan produksi bersih.
Jumlah total energi kimia berupa bahan organik yang dibentuk oleh tumbuhan per satuan luas waktu yang disebut produksi primer. Kecepatan penyimpanan energi kimia oleh produsen dalam bentuk senyawa organik sebagai bahan makanan disebut produksi primer bersih (PBB). Produksi bersih inilah yang berguna untuk manusia dan binatang (organisme) heterotrof. Organisme heterotrof dapat mensintesis kembali energi yang diperolehnya dan disimpan dalam jaringan yang disebut produksi sekunder (Sasongko, 2001).



BAB III
PENUTUP

KESIMPULAN

SARAN




DAFTAR RUJUKAN

Andhi, Moch. 1998. Rantai Makanan Ekosistem. Surabaya: Airlangga Press
Anonim. 2014. Aliran Energi Dan Daur Biogeokimia Dalam Ilmu Biologi. Online, (http://pelajaranbiologi.info/aliran-energi-dan-daur-biogeokimia-dalam-ilmu-biologi/) diakses pada tanggal 22 januari 2016
Beny, D. 2001. Aliran Energi dan Daur Biogeokimia I. Jakarta: Gramedia
Endah, Lestari. 2000. Energi Dalam Ekosistem. Jakarta: UI Press
Fathuddin, Hilman. 2013. Bab 2: Termodinamika. Online, (https://sfseiei1010.wordpress.com/2013/10/28/bab-2-termokimia/) diakses pada tanggal 22 Januari 2016
Kimball. 1999. Biologi Jilid 3. Jakarta: Erlangga
Lewis, M., Waller, G. 1986. Thinking Chemistry: GCSE Edition. Oxford: OUP Oxford
Murray, Harper's Illustrated Biochemistry 27th Edition, 2006
Sasongko, Agus. 2001. Biologi. Surakarta: Pabelan
Silvitiani, Kaulina. 2010. Ekosistem Mangrove Di Taman Nasional Ujung Kulon Jawa Barat. Online, (https://ulincool.wordpress.com/category/marine-ecology/) diakses pada tanggal 22 Januari 2016
Soerya. 1994. Piramida Ekologi. Bandung: Gerda perkasa