Ahli Biologi Modern

Pada akhir abad ke-20, penyakit menular baru mulai muncul. Diantaranya adalah HIV dan AIDS, penyakit Lyme, penyakit tentara, dan  infeksi Escherichia coli. Penyakit menular disebabkan oleh mikroorganisme (kuman) yang memasuki tubuh dan melakukan aksinya. Walaupun sejak tahun 1995, Indonesia telah bebas dari penyakit Polio sama sekali, Depkes dan WHO sempat menemukan virus ini di Cidahu, Sukabumi pada awal abad ke-21. Penyakit  frambusia tahun 2009 masih ditemukan 8.309 kasus yang tersebar di provinsi wilayah timur Indonesia yaitu NTT, Sulawesi Tenggara, Maluku, Papua dan Papua Barat. Virus Flu burung juga termasuk virus baru di Indonesia dan para ilmuan Indonesia ikut serta dalam usaha pembuatan vaksinnya. Penelitian di Unair  nantinya diharapkan akan mampu memproduksi vaksi flu burung hingga 20 juta dosis per tahun.

Ahli biologi berhadapan dengan tugas bertumpuk untuk merunut sejarah hidup mikroorganisme yang dapat menyebabkan wabah serius dan mencari cara mengurangi efeknya. Ahli epidemiologi adalah para ilmuan yang melacak jejak penyakit menular. Mereka menghitung dan mencatat laporan penyakit untuk menunjukkan pola kemunculan. Ahli farmasi dan kedokteran mengusahakan mengembangkan vaksin untuk mencegah persebaran penyakit menular serta antibiotik untuk menyembuhkan orang yang terinfeksi.
Ilmuan lingkungan mempelajari lingkungan, mencari cara menghancurkan populasi nyamuk, pengerat, kutu dan pembawa penyakit lainnya yang mempengaruhi populasi manusia.

Jenis ahli biologi lainnya adalah ahli genetika. Ahli biologi ini khusus mempelajari gen. Gen adalah molekul hereditas yang dapat memberikan kekebalan alami dalam menghadapi kuman penyakit tertentu. Rekayasa genetika menggunakan mikroorganisme untuk membuat zat kimia yang diperlukan untuk melindungi tubuh melawan penyakit. Ahli biokimia dan ahli biofisika mengabdikan dirinya pada teknologi, merancang peralatan untuk mendiagnosa dan merawat penyakit dan organ tubuh yang tidak berfungsi normal.

Pekerjaan ahli biologi modern sangat bervariasi. Ahli biologi menerapkan ilmuanya dalam beragam cara. Beberapa bekerja di industri swasta untuk menghasilkan produk makanan komersial untuk konsumen. Yang lain menerapkan pengetahuannya untuk kehutanan dan pertanian. Dan ada juga yang mempelajari hewan ternak. Ada peneliti yang berkonsentrasi pada lingkungan tak hidup, mengembangkan cara untuk mempertahankan air bersih dan air tawar. Ilmuan mencoba mencari jawaban pertanyaan dengan menerapkan langkah-langkah pemecahan masalah menggunakan metode penelitian.

Metode Ilmiah dan Pemecahan Masalah

Para ilmuan berusaha memecahkan masalah yang ilmiah. Sebagai contoh, seorang ahli biofisika bekerja merancang metode mengukur partikel yang terlalu kecil untuk dapat dilihat oleh mikroskop paling kuat sekalipun. Seorang ahli biologi mencari penyebab penyakit jenis baru. Seorang ahli biokimia mencoba menemukan kuantitas kimiawi kecil dalam paru-paru penyelam laut dalam. Seorang ahli geologi mencoba menentukan usia formasi batuan tertentu. Para ilmuan ini menemukan masalah yang kemudian mereka cari jawabannya. Jawaban atas masalah ini tergantung pada urutan pendekatan eksperimental yang digariskan dalam langkah-langkah metode ilmiah

Langkah-langkah Metode Ilmiah

Langkah pertama dalam metode ilmiah adalah pengamatan. Pengamatan adalah pemeriksaan visual yang teliti pada sebuah peristiwa atau sebuah benda. Ketelitian sebuah pengamatan dianggap sah saat sejumlah orang melihat benda, peristiwa atau akibat yang sama. Sebagai contoh, di awal abad ke-16, Vesalius menyajikan penjelasannya yang teliti mengenai pembuluh nadi dan pembuluh balik pada tubuh manusia. Gambar-gambarnya berdasarkan pengamatan langsung yang diperoleh dengan memotong tubuh manusia. Dalam 400 tahun kemudian, para ahli anatomi telah mengakui ketelitian Vesalius. Perlu diperhatikan kalau walaupun beberapa pengamat yang terlatih dapat setuju dengan sederetan pengamatan, kesimpulan yang mereka tarik dari pengamatan dapat saja berbeda. Kesimpulan adalah penilaian yang dicapai lewat penalaran. Karenanya, pemecahan masalah tergantung pada aktivitas lain yang memungkinkan peneliti menarik kesimpulan berdasarkan pengamatan yang teliti.

Sebuah pengamatan menjadi berguna hanya bila ada kesimpulan yang dapat ditarik darinya. Sebuah kesimpulan dugaan yang ditarik dari sederetan pengamatan disebut hipotesis. Sebuah hipotesis adalah pernyataan yang sangat umum yang dibuat untuk menyatukan semua hal yang diamati menuju percobaan (eksperimen).

Sebuah percobaan memerlukan sederetan prosedur yang dirancang memberikan data mengenai masalah yang telah dipahami dengan baik. Tujuan percobaan adalah menjawab pertanyaan dengan jujur dan teliti. Sebuah percobaan yang handal memerlukan kondisi percobaan dan prosedur kontrol. Sebuah kontrol adalah pelaksanaan percobaan ilmiah serupa dan berbeda dari prosedur percobaan utama hanya dalam satu kondisi saja. Sebuah percobaan dirancang untuk menguji hipotesis tertentu.

Sebuah hipotesis yang tidak dapat diuji tidak berguna dalam pemecahan masalah karena tidak dapat dibawa ke kondisi percobaan. Contoh hipotesis yang tidak dapat diuji adalah sebagai berikut: lalat berpikir kalau daging adalah tempat yang baik untuk bertelur. Karena tidak ada cara untuk memeriksa proses berpikir lalat, hipotesis ini dianggap tidak berguna.

Contoh klasik percobaan yang dirancang dengan sangat baik adalah percobaan lalat Redi. Keyakinan pada abad ke-17 mengatakan kalau mahluk hidup muncul dari materi yang tidak bernyawa seperti tembikar mendadak menjadi manusia misalkan. Keyakinan ini disebut spontaneous generation. Tahun 1650, dokter dari Itali bernama Francesco Redi merancang dan melakukan percobaan mengagumkan yang meruntuhkan spontaneous generation lalat dari daging yang membusuk:

Redi menyiapkan tiga buah wadah. Didalam ketiganya, Redi meletakkan daging yang sama jenis dan jumlahnya. Wadah pertama dibiarkan terbuka. Wadah kedua ditutup dengan kain berpori. Wadah ketiga ditutup rapat sehingga bau dari daging tidak dapat keluar ke udara (gambar 1). Lalat bertelur di daging yang berada di wadah terbuka dan di kain yang menutupi wadah kedua. Telur tidak diletakkan di kain yang menutup wadah ketiga. Redi mengamati telur menetas menjadi larva (ulat) dan mengamati perubahan larva menjadi lalat dewasa. Tidak ada lalat maupun ulat di daging yang tersimpan di dalam wadah ketiga.

Berdasarkan percobaan ini, Redi menyimpulkan kalau ulat atau lalat tidak muncul dari daging yang busuk, namun dari telur yang diletakkan oleh lalat betina.

Saat sebuah hipotesis didukung data yang dicapai lewat percobaan, hipotesis ini menjadi sebuah teori. Hirarki teori dinamakan sesuai fakta yang dijelaskannya dan kemudian berdasarkan nama orang yang mengajukannya. Sebagai contoh, teori gravitasi dan teori evolusi, keduanya dinamakan sesuai fakta yang ingin dijelaskannya, yaitu gravitasi dan evolusi. Kemudian teori ini dibagi lagi menjadi beberapa teori berdasarkan orang yang menjelaskannya. Teori gravitasi dibagi atas teori gravitasi Newton dan teori gravitasi Einstein. Teori evolusi dibagi menjadi teori evolusi Lamarck dan teori evolusi Darwin. Sebuah teori yang bertahan atas ujian waktu dan percobaan lebih lanjut menjadi hukum atau prinsip. Terdapat juga istilah lain dalam metode ilmiah yaitu konsep. Konsep adalah gagasan yang mencakup beberapa prinsip yang berhubungan.

Peralatan Ahli Biologi

Pemecahan masalah oleh ahli biologi modern memerlukan penggunaan beberapa alat dan teknik laboratorium khusus. Metode ilmiah adalah gagasan utama biologi dimana semua penelitian dibangun. Semua penelitian diawali dengan pengamatan, perilaku yang memerlukan latihan, keahlian dan konsentrasi. Untuk meningkatkan ketelitian pengamatan, ahli biologi memakai alat dan teknik yang akan memperluas pandangannya ataupun inderanya yang lain. Karena kemampuan inderawi manusia terbatas dan beraneka ragam serta tidak terlalu handal untuk melihat dan merekam detil yang halus dan kadang kabur, para ilmuan modern memakai alat dan metode yang memungkinkan mereka memahami, mengukur dan merekam data dengan teliti.

Pengukuran adalah syarat dasar semua penelitian. Seorang peneliti harus menjawab pertanyaan mengenai kuantitas, panjang, ketebalan, periode, massa, berat, dan semacamnya dengan ketelitian sangat tinggi. Alat modern untuk mengukur memiliki ketelitian numerik yang mengesankan. Biometrik adalah ilmu yang menggabungkan matematika dan statistik yang perlu untuk menghadapi fakta dan gambar dalam biologi. Ahli biologi menggunakan sejumlah besar hal yang harus diatur dan disederhanakan sehingga menjadi berguna dalam analisa data. Komputer sangat membantu tugas ilmuan karena mampu menangani sejumlah besar data numerik dan menghitung dengan kecepatan mengesankan. Data numerik adalah bilangan, gambar dan statistik yang dipakai oleh ilmuan dan didapat lewat pengukuran.

Ahli biologi mendapatkan data numerik dengan memakai segala jenis alat ukur yang dirancang dengan ketelitian tinggi. Untuk mengukur berat benda yang sangat kecil, diperlukan timbangan analitik yang mampu menimbang dalam pecahan mikrogram. Mikrogram adalah satuan ukur yang menunjukkan satu gram dibagi satu juta bagian. Contoh benda yang beratnya sekitar satu gram adalah sebutir kacang hijau.

Manometer mengukur asupan gas yagn terlibat dalam respirasi dan fotosintesis sel. Spektrofotometer mampu mengukur perbedaan kepadatan cairan dengan perbandingan warna yang tidak dapat dibedakan oleh mata manusia. Radioaktivitas dicari dan diukur dengan pencacah Geiger, sebuah mesin yang terstruktur untuk memberikan pulsa listrik ke alat pencacah elektronik. Pencacah scintilasi mengukur kilatan cahaya yang tidak dapat dibedakan mata, sementara sinar ultraviolet dipakai untuk mengukur benda yang lebih tipis daripada selaput bawang.

Memisahkan Zat

Penemuan dalam biologi melibatkan kemampuan memisahkan zat seluler sehingga rahasia kegiatan biokimianya dapat diungkap. Teknik kromatografi memungkinkan ahli biologi memisahkan kuantitas yang sangat kecil menjadi beberapa bagian. Sebagai cotoh 1/100 ribu gram protein dapat dipisahkan menjadi balok asam amino dasar dalam satu jam. Sebelum penemuan kromatografi, ilmuan perlu 100 gram protein dan waktu satu tahun untuk memisahkannya. Seperti dari namanya, kromatografi artinya “penulisan warna”, sebuah teknik yang menggunakan kertas atau kolom kapur sebagai fase diam. Sampel uji, terlarut dalam pelarut yang sesuai, dimungkinkan bergerak naik di kertas tersebut atau kolom kapur tersebut. Penyusun sampel ini terhenti di berbagai posisi tinggi sebagai pita atau titik warna (Gambar 2). Elektroforesis adalah teknik yang menggunakan muatan listrik untuk memisahkan asam amino pada protein yang ditandai di lempengan gelas khusus 

Ahli biologi belajar bagaimana mahluk hidup terbangun (struktur) dan bagaimana mereka bekerja (fungsi) dengan pengamatan dan pengukuran, dengan memisahkan zat-zat dan menganalisanya, dan juga dengan mengambil benda. Pengambilan bagian tanaman atau tubuh hewan disebut pembedahan. Mahasiswa kedokteran membedah mayat (cadaver) untuk mempelajari lokasi organ tubuh. Organ tubuh tersusun dari jaringan. Jaringan tersusun dari sel. Sel dapat dilihat hanya melalui mikroskop.

Seorang ahli biologi yang ingin mempelajari proses yang terjadi di dalam sel harus mengambil bagian-bagian yang tersimpan di dalam sel itu. Bagian ini disebut organel. Dengan dua alat, blender dan centrifuge, ahli biologi mampu memecahkan sel dan mendapatkan bagian-bagian sel tersebut untuk dipelajari.

Tahun 1898, William Conrad Roentgen menemukan sinar X, yaitu radiasi elektromagnet dengan panjang gelombang pendek yang membawa energi besar. Sinar X mampu menembus struktur tubuh yang padat, seperti tulang, dan membekaskan citranya pada lempengan fotografik. Panjang dari berbagai gelombang dalam spektrum elektromagnetik ditunjukkan dalam 

Sejumlah teknik dan alat membantu ilmuan melihat lebih baik. Difraksi sinar X adalah metode dimana sinar X dipancarkan melewati sebuah kristal dan menunjukkan pola molekul dan atom yang termuat di dalam kristal tersebut. Teknik ini dipakai untuk menentukan struktur materi hereditas DNA (asam deoksiribosa nukleat).

Untuk mempelajari fungsi tubuh normal dan mendiagnosa penyakit, dokter memakai mesin pemindai yang menghasilkan citra komputerisasi organ tubuh. Pemindai ini mendeteksi tumor yang sangat kecil serta kejanggalan jaringan lainnya yang terlepas dari pencitraan teknik sinar X standar. Ahli biologi modern menggunakan pengetahuan kimia dan fisikanya begitu juga insinyur memperluas indera mereka dan meningkatkan pengamatan.

Pembesaran adalah ukuran seberapa mampu sebuah mikroskop mampu memperbesar citra sebuah spesimen. Kualitas mikroskop dilihat berdasarkan  daya resolusinya, yaitu kemampuan membedakan dua titik yang berdekatan. Daya resolusi mata manusia normal sendiri hanyalah 0.1 milimeter.

Mikroskop cahaya terbaik mampu memperbesar benda 2000 kali (gambar 5). Saat ahli biologi melihat sebuah spesimen lewat mikroskop cahaya, bukan hanya mereka tertarik dengan bentuk dan detilnya, namun juga ukurannya. Satuan pengukuran yang dipakai mikroskop cahaya adalah mikron. Dihubungkan dengan satuan lainnya, satu mikron sama dengan satu perseribu milimeter, atau sama dengan seribu nanometer, atau sama dengan 10 ribu angstrom.

Saat memakai mikroskop cahaya, ukuran spesimen dapat diperkirakan. Dengan lensa objektif berkekuatan rendah, diameter bidang dinyatakan dengan bilangan, biasanya 1.6 mm. Ini artinya diameter bidang tersebut adalah 1600 mikron. Pada objektif berkekuatan tinggi, diameter bidang biasanya 0.4 mm, sehingga diameter bidang tersebut 400 mikron, seperempat panjang bidang objektif lemah. Karenanya, bila spesimen berukuran separuh diameter bidang objektif lemah, ia pastinya ½ dari 1600 mikron, yaitu 800 mikron. Tipe pengukuran ini hanyalah pendekatan. 

Untuk pengukuran yang lebih teliti, dipakai mikrometer okuler. Mikrometer okuler adalah sebuah cakram kaca dimana skala mikron dipasang. Cakram ini dimasukkan kedalam lensa okuler mikroskop. Skala di mikrometer okuler memiliki 100 pembagian, yang harus dikalibrasi dalam satuan mikrometer landasan. Hal ini dilakukan dengan menindihkan skala mikrometer okuler dengan skala mikrometer landasan. Perhatikan gambar 7. Perhatikan kalau garis 0 di mikrometer okuler dan landasan berhimpit. Sekarang lihat pembarisan antara garis 20 dari mikrometer okuler dan garis kesembilan dari mikrometer landasan. Masing-masing pembagian mikrometer landasan sama dengan 10 mikron. Dari 0 ke garis 20 di mikrometer okuler sama dengan delapan spasi dari mikrometer landasan. Karenanya jarak antara 0 dan 20 di mikrometer okuler adalah 80 mikron. Mikormeter okuler sekarang dikalibrasi dengan standar dan dapat dipakai untuk mengukur secara teliti sebuah spesimen daripada sekedar perkiraan.

Gambar 7. Kalibrasi mikrometer

Mikroskop kontras fase membuat spesimen yang transparan kelihatan, sementara mikroskop medan gelap atau mikroskop ultra memberikan gambar organisme transparan yang lebih jelas lagi seperti spirochaeta yang menyebabkan sipilis. Mikroskop ultraviolet dipakai untuk memotret bakteri hidup dan zat pendar alami.

Yang paling mengesankan adalah mikroskop elektron. Ia mampu memperbesar benda hingga lebih dari 200 ribu kali. Dengan memakai elektron bukannya cahaya dan magnet bukannya lensa, mikroskop elektron telah merevolusi ilmu sel (Gambar 8). Mikroskop elektron pemindai adalah mikroskop elektron yang lebih kuat lagi. Mikroskop ini mengarahkan dan memfokuskan berkas elektron pada material yang dipelajari. Pemindaian dapat dilakukan dengan cepat dan memberikan detil yang lebih terang lagi daripada yang dapat dilakukan oleh mikroskop elektron standar.

Mikroskop elektron tegangan tinggi adalah struktur raksasa setinggi tiga tingkat yang menghasilkan 3 juta elektron volt. Energi yang besar ini membuat spesimen yang ingin dilihat dapat diamati tanpa harus membuat potongan tipis seperti yang harus dilakukan pada mikroskop elektron biasa. Selain itu, mikroskop elektron tegangan tinggi menghasilkan mikrograf (potret) tiga dimensi yang tidak mungkin dihasilkan mikroskop elektron lainnya.