Hukum Termodinamika Dalam Proses Biologi

Selanjutnya akan dibahas sedikit beberapa teori termodinamika yang menyangkut pertukaran energi yang berlangsung antara makhluk hidup dengan sekitarnya. Termodinamika adalah studi tentang hubungan kuantitatif antara panas dengan energi bentuk lain. Dalam termodinamika terkandung pengertian teori dasar tentang hukum pengubahan energi dan proses pengangkutannya, termasuk difusi, osmosis, mengalirnya suatu cairan melalui saluran, pembentukan potensial listrik pada membran, pertukaran panas, arah dan laju reaksi kimia, dan berbagai proses lain yang berada dalam fisiologi hewan.

Berbagai bentuk energi yang sering berada di sekitar kita, telah disebutkan di atas seperti: kinetis, potensial, gaya tarik bumi (gravitasi), listrik, kimia, panas dan energi cahaya. 

Energi harus dijaga agar tidak hilang; energi tidak dapat diciptakan atau dirusak tetapi dapat berubah dari bentuk satu menjadi bentuk lainnya.

Hubungan antara energi kinetis dengan energi potensial dinyatakan dalam hukum termodinamika. Terdapat dua cabang yang menyangkut pengertian termodinamika :

1. Termodinamika yang “reversibel” (termodinamika klasik atau termodinamika seimbang), terjadi pada sistem yang terisolasi dan tertutup hingga dapat mencapai keseimbangan.
2. Termodinamika yang “irreversibel” (termodinamika tidak seimbang), terjadi pada sistem terbuka yang mampu mencapai keadaan “steady state” (mapan yang dinamis), bukan keadaan seimbang.

• Sistem Terisolasi, Tertutup dan Terbuka

Pengertian sistem disini diterapkan pada bahan dan energi secara bersama-sama yang merupakan subjek termodinamika. Terdapat tiga tipe sistem:

1. Sistem terisolasi, berarti subjek termodinamika terisolasi dari sekelilingnya. Dalam suatu sistem yang benar-benar terisolasi, tidak terjadi penambahan atau penyusutan bahan dan energi, karena tidak terjadi proses pertukaran dengan sistem lain di sekelilingnya. Bagaimanapun juga di dalam sistem tersebut, suatu bahan dapat diubah menjadi energi dan energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Misalnya, energi potensial listrik dapat diubah menjadi panas, cahaya atau suara. Energi kinetis dapat diubah menjadi energi potensial. Misalnya bila sebuah beban diangkat dari tanah ke tempat yang lebih tinggi dan diletakkan pada sebuah penyangga. Pada kejadian tersebut terjadi proses pengubahan energi kinetis (yang digunakan untuk mengangkat beban) menjadi energi potensial yang dimiliki beban pada posisi yang baru.
2. Sistem “tertutup”, dapat membentuk sendiri bahan yang diperlukan dan energi yang diperlukan dapat diperoleh dari sekelilingnya. Sistem tertutup dengan lingkungannya merupakan bagian dari suatu sistem terisolasi yang besar.
3. Sistem terbuka, dapat terjadi pertukaran bahan dan energi dengan sekelilingnya, secara bebas. Organisme hidup benar-benar merupakan sistem terbuka, memperoleh nutrisi (bahan dan energi) dari sekelilingnya dan dapat pula mengeluarkan bahan buangan dan bahan lain ke sekelilingnya. Selama hidupnya organisme tidak pernah mengalami keseimbangan termodinamika, melainkan dapat mencapai proses keadaan mapan yang dinamis atau suatu keseimbangan fisiologis yang dinamis.

Hukum Termodinamika

Organisme hidup merupakan suatu sistem terbuka berlaku suatu keadaan yang irreversibel (tidak seimbang) keadaan yang sangat kompleks meskipun pada organisme yang sangat sederhana sekalipun.

Para ahli biologi mempelajari proses metabolisme yang berlangsung dalam suatu organisme sebagai suatu sistem yang tertutup. Meskipun dengan berbagai keterbatasan namun banyak informasi yang dapat diperoleh melalui pendekatan ini.

Hukum I Termodinamika (hukum kekekalan energi): menyatakan bahwa total energi di dalam sistem yang terisolasi (jagat raya) akan konstan. Energi tidak dapat diciptakan maupun dihilangkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lain. Di dalam suatu sistem tertutup (suatu ruang tanpa adanya pertukaran energi melalui pembatas ruang tersebut) berisi sejumlah energi (E). Kandungan energi di dalam ruang ini tetap.

ΔE = 0 (persamaan energi termodinamika di dalam sistem tertutup)

Pada sistem terbuka, dapat terjadi pertukaran energi, yang diserap sebagai panas (Q) atau dalam bentuk kerja (W).

Δ E = Q – W (persamaan energi termodinamika di dalam sistem terbuka)

Setiap perubahan energi pada sistem terbuka (hewan) harus diikuti dengan perubahan energi dalam jumlah yang sama di lingkungannya, tetapi dengan arah yang berlawanan. Hukum termodinamika pertama menunjukkan hubungan kuantitatif antara perubahan energi (E), kerja yang dilakukan (W) dan panas yang diserap (Q), tetapi tidak menunjukkan arah perubahan energi antara kerja dengan panas.

Hukum II Termodinamika, menyatakan bahwa terjadinya degradasi energi (energi yang dapat dimanfaatkan untuk kerja), tidak dapat dihindar-kan, energi berubah menjadi panas. Energi panas dapat diubah menjadi energi bentuk lain yang dapat menghasilkan kerja, namun dengan efisiensi kurang dari 100 %. Bagaimanapun juga energi dalam bentuk tertentu dapat diubah menjadi panas dengan efisiensi kurang dari 100 %. Hukum termo dinamika kedua menunjukkan terjadinya peningkatan panas dalam sistem manapun. Termodinamika II: Energi “berkualitas lebih tinggi” akan mengalami penyusutan menjadi energi panas (“berkualitas rendah”).

Dari satu molekul glukosa yang dioksidasi di dalam sebuah kalorimeter akan terbentuk CO₂ dan H₂O, dan tidak ada kerja yang dihasilkan. Energi potensial bahan kimia (glukosa) diubah menjadi 673 kcal panas, pada suhu dan tekanan baku.

• Organisme Hidup dan Sistem Terbuka

Organisme hidup biologi bagaimanapun juga merupakan sistem terbuka (merupakan bagian dari sistem terisolasi jagat raya dilihat dari sisi termodinamika) yang harus mengikuti hukum termodinamika. Organisme hidup menyerap berbagai molekul kompleks yang memiliki energi bebas berkualitas tinggi, hingga dapat menjaga dirinya dalam keadaan mantap yang dinamis (steady state) dan menghindarkan penghamburan energi. Dalam hidupnya organisme ini perlu melaksanakan tahapan pertumbuhan dan perbanyakan (reproduksi), suatu proses termodinamika yang sangat terkoordinasi dalam menggunakan energi yang berasal dari makanan.

Organisme hidup dapat bertahan dengan memanfaatkan sisa energi di alam. Bila hubungan dengan sumber energi terputus, organisme akan segera mengalami peluruhan hingga terjadi kematian. Secara mutlak, semua proses biologi bergantung pada penyerapan energi cahaya dari matahari dan energi radiasi panas dari bumi ke angkasa luar.

a. Katabolisme

Protoplasma selalu menunjukkan aktivitas. Aktivitas ini bukan saja mengakibatkan perubahan dari bentuk asal, tetapi juga dalam bentuk produksi panas dan potensial listrik dan juga dalam perubahan secara kimia. Aktivitas tersebut bukan menciptakan energi tetapi merupakan mekanisme termodinamika perubahan energi di dalam protoplasma. Karenanya untuk dapat aktif, kebutuhan akan energi harus dicukupi.

Sumbernya diambil dari energi potensial kimia yang terdapat pada karbohidrat, lipid, dan protein. Senyawa-senyawa ini bukan saja dijumpai dalam makanan, tetapi juga merupakan bagian protoplasma. Agar dapat digunakan dalam proses penting (misal untuk kontraksi otot), maka energi potensial kimia di dalam makanan atau protoplasma harus dilepaskan. Pelepasan energi potensial dikenal sebagai katabolisme.

Pengeluaran energi. Bila molekul organik yang besar dipecah menjadi dua atau lebih molekul lebih kecil, molekul yang terbentuk memiliki energi potensial lebih kecil daripada energi yang terkandung di dalam molekul asalnya. Sejumlah energi telah terlepas. Sebagai contoh pada fermentasi glukosa oleh ragi; glukosa diurai menjadi dua molekul karbondioksida (CO₂) dan dua molekul etil alkohol (C₂H₅OH). Proses ini diikuti oleh produksi panas, sebagian dari energi potensial yang terkandung dalam glukosa telah dilepaskan. Hal yang sama terjadi pula di dalam tubuh hewan, bila molekul glukosa dipecah menjadi dua molekul asam laktat (C₃ H₆O₃). Tetapi bila glukosa mengalami oksidasi sempurna, seluruh energi yang terkandung di dalamnya berubah menjadi energi kinetis.

C₅H₁₂O₆ + 6 O₂ ↔ 6 CO₂ + 6 H₂O + energi

1) Penggunaan energi yang terlepas

Energi yang dikeluarkan selama katabolisme dapat digunakan oleh protoplasma untuk berbagai keperluan. Dalam protoplasma otot, sejumlah energi yang terlepas, muncul sebagai energi mekanis. Energi mekanis dapat digunakan untuk menggerakkan sebagian atau seluruh tubuh, atau untuk mengalirkan berbagai bahan (darah, makanan) dari satu tempat ke tempat lain dalam tubuh. Di dalam suatu kelenjar, pengeluaran energi digunakan untuk pembuatan bahan (sekret). Di dalam tubuh Mamalia sebagian besar energi yang terlepas (sampai 80%) berada dalam bentuk panas yang dapat digunakan untuk mempertahankan suhu tubuhnya yang sesuai.

Katabolisme terjadi di dalam setiap sel tanpa kecuali, tetapi jumlah katabolisme bervariasi dari satu jenis jaringan atau organ ke jenis lain dan bergantung pada kebutuhannya akan energi. Otot dan beberapa organ lain (seperti: hati) merupakan bagian di dalam tubuh yang paling aktif. Di dalam jaringan ikat, seperti contohnya pada tulang, katabolisme berlangsung kurang aktif.

2) Proses permintaan (kebutuhan) dan pengaturan

Energi yang dilepas akan bermanfaat bila dapat ditangkap dengan baik dan dapat diatur penggunaannya. Misalnya saja terjadi perbedaan manfaat pada pembakaran bensin yang dilakukan secara asal membakar dibandingkan dengan cara pembakaran yang diatur, dalam sistem pembakaran kendaraan bermotor (di dalam karburator kendaraan bermotor terjadi pencampuran antara bensin dengan oksigen; proses selanjutnya adalah pembakaran; gas yang timbul sebagai hasil pembakaran akan mendorong pompa silinder; akibatnya terjadi putaran mesin atau gerakan kendaraan).

Disini dapat dimengerti bahwa sebagian energi kinetis yang terbentuk dapat diubah menjadi energi mekanis yang dapat dipakai dalam menjalankan mesin atau menggerakkan kendaraan bermotor. Dalam hal yang sama tetapi tidak identik, energi kinetis di dalam tubuh juga diperlukan, disebarkan, dikendalikan dan dirangkaikan hingga dapat dimanfaatkan untuk berbagai aktivitas tubuh makhluk hidup.

Dalam oksidasi biologis, sebagian besar energi potensial termodinamika di berbagai senyawa yang dipecah (katabolis) juga diubah menjadi panas. Panas ini digunakan untuk mempertahankan suhu tubuh dan melaksanakan berbagai fungsi metabolisme. Jumlah panas yang terlepas dan tidak dapat digunakan untuk kerja merupakan ukuran dari keadaan yang tidak efisien pada organisme tertentu. Sebagai akibatnya, energi dari luar harus terus dimasukkan, agar tubuh berada dalam keadaan mantap atau “steady”. Keadaan ini menggambarkan “keseimbangan” antara energi dari dalam yang terlepas dengan energi dari luar tubuh yang harus dimasukkan; pertukaran ini harus terus berlangsung selama makhluk itu hidup.

b. Anabolisme

Untuk berbagai aktivitas biologi, organisme hidup memerlukan pula energi yang berasal dari penguraian makanan (katabolisme). Selanjutnya dalam mempertahankan eksistensi dan kelangsungan fungsinya maka dalam setiap perombakan (katabolisme) harus diikuti mekanisme perbaikan (penyusunan) yang dikatakan sebagai anabolisme.

1) “Menelan”

Langkah awal anabolisme adalah memasukkan berbagai bahan ke dalam tubuh untuk mengganti bagian-bagian yang rusak atau yang telah digunakan. Misalnya biologi seekor Amoeba “menelan” bahan makanannya dengan bantuan pseudopoda. Protoplasma sel (tanpa dinding) mengelilingi bahan yang akan ditelan; dan ini disebut fagositosis, organismenya disebut fagosit. Beberapa jenis sel darah putih (limfosit, monosit) berlaku sebagai fagosit, yaitu dapat menelan bakteri. Pada hewan multisel, menelan makanan berarti memasukkan makanannya ke dalam saluran makanan atau saluran pencernaan.

2) Pencernaan

Molekul-molekul karbohidrat, lemak, dan protein yang berada dalam makanan yang tertelan masih terlalu besar untuk dapat langsung dimanfaatkan dalam pembentukan protoplasma. Tambahan lagi, makanan yang masuk umumnya tidak larut; karbohidrat, lemak dan protein tidak larut dalam air. Pada biologi hewan multisel, sel-sel yang membangun tubuhnya sebagian besar tidak mempunyai kemampuan sebagai fagosit terhadap bahan dalam makanan. Hal ini disebabkan sel-selnya telah terdiferensiasi dan terspesialisasi hingga mempunyai fungsi khusus. Jadi harus melakukan persiapan terlebih dahulu agar bahan makanan ini dapat dimanfaatkan oleh setiap sel yang membangun tubuhnya.

Bila kita perhatikan seekor Amoeba yang menelan makanannya, ternyata makanan tadi dihancurkan hingga larut. Proses ini dapat terjadi dengan bantuan senyawa kimia yang dikenal sebagai enzim, yang dapat mempercepat proses penguraian molekul makanan besar menjadi molekul lebih kecil. Molekul-molekul yang dihasilkannya dapat lebih mudah larut sehingga dapat dimanfaatkan oleh protoplasma. Proses tersebut tergolong ke dalam pencernaan.

3) Penyerapan

Di dalam tubuh manusia penyerapan dilakukan di saluran pencernaan, suatu saluran panjang dan sempit. Hasil pencernaan akan “mengalir” (menembus atau melewati) dinding saluran pencernaan hingga mencapai pembuluh kapiler dan akhirnya masuk ke peredaran darah. Peristiwa ini dinamakan penyerapan (absorpsi). Selanjutnya zat makanan akan diedarkan ke seluruh jaringan dan masuk ke setiap sel yang memerlukan, setelah berada dalam cairan jaringan. Perpindahan zat makanan dari satu tempat ke bagian lain hingga berada dalam sel dilakukan melalui transpor aktif. Organisme satu sel tidak memiliki saluran pencernaan seperti yang dimiliki hewan multisel. Jadi bahan makanan langsung “diserap” melewati membran selnya. Mekanisme yang berlangsung dapat terjadi melalui transport pasif maupun aktif. Hal ini akan dijelaskan lebih lanjut pada bagian “transportasi bahan melalui membran”.

c. Ekskresi

Oksidasi makanan menghasilkan dua hal:

1. pengubahan energi kimia menjadi energi kinetis,
2. Pengubahan materi makanan menjadi senyawa lebih sederhana, termasuk bahan-bahan sisa yang harus dibuang.

Ekskresi merupakan usaha sel atau organisme untuk membuang senyawa hasil metabolisme yang tidak dapat dimanfaatkan. Diantaranya adalah air, karbondioksida, urea, dan asam urat. Sebagian akan dibuang melalui proses ekskresi. Tubuh manusia memiliki organ khusus untuk melaksanakan proses ini. Bersama senyawa lain, air, urea, dan asam urat dikeluarkan melalui ginjal dan selanjutnya dikeluarkan dari tubuh sebagai urine (air kemih). Sedangkan karbondioksida dan air dikeluarkan lewat paru-paru dan selanjutnya dikeluarkan sebagai uap air di saat mengeluarkan nafas. Sejumlah bahan lain lagi dikeluarkan bersama sisa makanan yang tidak tercerna lewat saluran pencernaan. Organisme sederhana yang terdiri dari satu sel tidak memiliki sistem ekskretori seperti pada hewan yang kompleks. Namun proses ekskresi tetap berlangsung (lihat bagian “transportasi bahan melalui membran”).

d. Respirasi atau Pernapasan

Karena bagian terbesar energi potensial kimia dalam makanan dapat dimanfaatkan melalui proses oksidasi, maka masukan oksigen harus terus menerus dilakukan. Dari oksidasi akan dihasilkan gas karbondioksida, yang harus dikeluarkan. Karenanya diperlukan mekanisme pertukaran gas dari dan ke dalam suatu organisme, proses ini dinamakan respirasi atau pernapasan. Pada beberapa hewan, proses ini berlangsung di paru-paru, yang mempunyai dua fungsi, yaitu:

1. Pemasukkan oksigen dari udara ke darah, dan
2. Pengeluaran karbondioksida (dan sejumlah kecil air) dari darah ke udara.

Pada organisme satu sel proses pertukaran oksigen dengan karbondioksida berlangsung dengan difusi. Proses terjadi karena terdapat perbedaan konsentrasi antara satu bagian di dalam sel dengan bagian di luar sel.