EKOLOGI, EKOSISTEM,DAN LINGKUNGAN



Pendahuluan

Bagian pertama dari buku ini akan menguraikan tentang Ekologi, Ekosistem, dan Lingkungan. Ekologi merupakan salah satu cabang biologi yang membahas tentang interaksi antara organisme dan lingkungannya. Pembahasan tentang materi ini dimaksudkan untuk memahami pengertian secara luas tentang lingkungan biologi serta biologi lingkungan. Dalam pertemuan ini juga dibahas tentang pengertian ekologi secara umum, komponen dan fungsi ekosistem, piramida ekologi, siklus biogeokimia serta interaksi-interaksi organisme yang terjadi di dalam lingkungan.



Uraian Materi

EKOLOGI, EKOSISTEM, DAN LINGKUNGAN

Pendahuluan
Ekologi dalam arti proses alam telah dikenal sejak lama, sesuai dengan sejarah manusia. Misalnya tumbuhan memerlukan sinar matahari, tanah dan air, tumbuhan juga menjadi makanan hewan, hewan menjadi makanan hewan lain. Demikian pula proses kelahiran, kehidupan, dan kematian semuanya menjadi pengetahuan manusia. Ekologi biasanya didefinisikan sebagai ilmu tentang interaksi antara organisme-organisme dan lingkungannya. Kehidupan dalam lingkungan terdiri dari berbagai tingkat organisme mulai dari molekul, sel, jaringan, organ, sistem organ dan individu. Ekologi mencakup fenomena jenjang-jenjang tersebut termasuk interaksinya. Untuk memberi gambaran bagaimana interaksi makhluk hidup dan makhluk tak hidup dalam suatu lingkungan, dalam bab ini akan diuraikan secara singkat.

Istilah Ekologi
Istilah ekologi diperkenalkan pertama kali oleh Ernest Haeckel, seorang ahli biologi Jerman tahun 1869. Asal kata nya Oikos dan Logos, oikos artinya rumah atau tempat tinggal dan logos bersifat telaah atau studi. Jadi ekologi adalah ilmu tentang rumah atau tempat makhluk hidup. Ekologi didefinisikan sebagai”Ilmu yang mempelajari hubungan timbal bailik antara makhluk hidup dengan lingkungannya”.Istilah ekologi berkembang pesat setelah tahun 1900 dan sampai sekarang. Istilah ekologi sekarang dikenal dengan Ilmu Lingkungan Hidup (Environmental Sciences) dan Biologi Lingkungan (Environmental Biology). Selanjutnya ekologi dibagi lagi menurut taksonomi makhluk hidup yaitu, ekologi tumbuhan, ekologi hewan, ekologi serangga, ekologi mikroba dan sebagainya. Ekologi menurut habitat yaitu ekologi padang rumput, ekologi hutan, ekologi padang pasir dan sebagainya.
Untuk kelangsungan hidupnya suatu organisme akan bergantung pada kehadiran organisme lain dan sumber daya alam yang ada di sekitarnya untuk keperluan pangan, perlindungan, pertumbuhan, perkembangbiakan dan sebagainya. Hubungan antara suatu individu dengan lingkungannya sangat rumit.

Konsep Ekosistem
Ekosistem atau system ekologi adalah suatu kawasan alam yang di dalamnya terdiri dari unsur-unsur biotik dan unsur-unsur nonbiotik, dan di antara unsur-unsur tersebut terjadi hubungan timbal balik.
Berdasarkan fungsinya, ekosistem terdiri dari dua komponen, yaitu:
1. Komponen Autotrofik, yaitu organisme yang mampu menyediakan atau mensintesis makananya sendiri berupa bahan-bahan organik dari bahan-bahan anorganik dengan bantuan energi matahari atau klorofil.
2. Komponen Heterotrofik, yaitu organisme yang mampu memanfaatkan bahan-bahan organik sebagai bahan makanannya dan bahan tersebut disintesis dan disediakan oleh organisme lain. Yang termasuk kelompok ini yaitu hewan, jamur dan umumnya mikroorganisme.

Berdasarkan penyusunnya, ekosistem dibedakan atas empat komponen, yaitu:
1. Bahan Tak Hidup (Abiotik), yaitu komponen fisik dan kimia terdiri atas tanah, air, udara dan sinar matahari.
2. Produsen, yaitu organisme autotrofik yaitu tumbuhan organisme berklorofil, yang mensintesis makanan dari bahan anorganik yang sederhana.
3. Konsumen, yaitu organisme heterotrofik misalnya hewan dan manusia yang memakan organisme lain.
4. Pengurai, perombak atau ”decomposer”, yaitu organisme heterotrofik yang menguraikan bahan organik yang berasal dari organisme mati (bahan organik kompleks) menyerap sebagian hasil penguraian tersebut dan melepas bahan-bahan sederhana yang dapat dipakai oleh produsen. Bakteri dan jamur temasuk kelompok ini.
Ekosistem merupakan benda dan mempunyai ukuran yang beranekaragam sangat tergantung pada tingkat organisasinya. Baiklah, coba sekarang kita melihat dan mengkaji sebuah ekosistem kolam ! Komponen apa saja yang kita temukan di dalamnya?

Komponen-komponen penyusun ekosistem kolam, yaitu:
1. Komponen Abiotik
Komponen abiotik berupa bahan organik dan anorganik seperti air, CO2, O2, kalsium, fosfor dan garam nitrogen, asam-asam amino dan humus. Sebagian besar bahan-bahan ini masih tersimpan dalam zarah-zarah endapan dan dalam badan organisme itu sendiri.
2. Organisme Produsen
Dalam sebuah kolam organisme produsen terdiri atas dua macam: 1) tumbuhan terapung dan yang berakar di dasar pinggir kolam (IIA) dan fitoplankton (IIB) berupa organisme mikroskopis, terapung di permukaan air, tersebar secara vertikal sampai kedalaman yang dapat ditembus cahaya. Fitoplankton juga bisa dalam jumlah banyak sehingga terlihat sebagai lapisan berwarna hijau di permukaan kolam.
3. Organisme Konsumen
Organisme konsumen yaitu hewan-hewan seperti larva, serangga, udang-udangan dan ikan. Konsumen primer yaitu herbivor atau pemakan tumbuhan (III-1A ,III-1B) langsung memakan tumbuhan hidup dan sisa-sisa tumbuhan, hewan ini terdiri dari zooplankton dan hewan lain yang ada di dasar kolam. Konsumen sekunder yaitu karnivor (III-2, III-3) memakan konsumen.
4. Organisme Perombak (IV)
Organisme perombak berupa mikroorganisme terdiri dari bakteria dan jamur akuatik yang tersebar di seluruh bagian kolam, terutama pada perbatasan air dan dasar kolam. Disini tempat berkumpulnya bangkai hewan dan tumbuhan. Organisme pengurai jumlahnya banyak sekali, jutaan individu per gram endapan lumpur. Sebagian pengurai hanya makan bangkai hewan dan tumbuhan. Bila keadaan suhu baik, maka dekomposisi atau penguraian berlangsung cepat sehingga tumbuhan yang telah mati akan segera diuraikan dan pembusukan juga lebih cepat. Hasil dari pembusukan dilepaskan ke air dan sebagai hara bagi tumbuhan.

Ekosistem kolam adalah ekosistem dengan tingkatan organisasi yang paling sederhana. Danau, sungai, hutan, dan padang rumput adalah ekosistem dengan tingkat organisasi yang lebih kompleks, yang paling komples lagi adalah ekosistem bumi secara keseluruhan.

Proses Produksi dan Dekomposisi
Proses sintesis makanan oleh tumbuhan berklorofil disebut fotosintesis. Reaksinya disederhanakan sebagai berikut:

Karbondioksida + air karbohidrat + Oksigen
(CO2) (H2O) energi matahari (C6H12O6) (O2)
Dan klorofil

Dari proses tersebut, sebagian energi surya disimpan dalam bentuk energi potensial berupa makanan. Bersamaan dengan proses ini, diperkiran terjadi juga sintesis protein, asam amino dan yang lainnya. Dalam tubuh organisme terjadi proses respirasi yang merupakan kebalikan dari fotosintesis, yaitu proses pembakaran bahan makanan yang menghasilkan energi untuk tubuh, aktivitas, reproduksi dan sebagainya. Reaksi respirasi disederhanakan sebagai berikut:

Glukosa + Oksigen energi + air + karbondioksida
( C6 H12 O6 ) ( O2 ) ( H2O ) ( CO2 )

Dekomposisi dilakukan oleh pengurai yaitu bakteri dan jamur. Bakteri belerang dan bakteri nitrogen mampu melakukan sintesis bahan organik dari bahan anorganik sederhana melalui proses oksidasi kima sehingga tidak perlu klorofil dan energi matahari. Energi diperoleh dari oksidasi sulfit menjadi sulfat. Terdapat juga bakteri yang mampu melakukan fotosintesis dan hidup di lingkungan anaerob disebut bakteri anaerob.
Hasil dekomposisi berupa energi dan berbagai enzim yang dimasukkan ke dalam organsime mati, sebagian diserap oleh jasad renik sebagai makananya, sebagian lagi tersimpan dalam tanah. Tidak semua bagian organisme mati dapat diuraikan dengan kecepatan yang sama, misalnya lemak, gula, protein mudah diuraikan tetapi selulosa, lignin, rambut dan tulang hewan sangat lambat diuraikan. Proses dekomposisi terbagi dua tahap yaitu produksi humus yang berjalan cepat dan mineralisasi humus yang berjalan lambat
Maka terakhir kita simpulkan ada tiga fungsi pengurai dalam ekosistem, yaitu:
a. mineralisasi bahan-bahan organik yang telah mati
b. menghasilkan makanan untuk organisme lain
c. menghasilkan zat-zat kimia disebut ”hormon lingkungan”.

Energi dalam Ekosistem

Rantai makanan
Rantai makanan adalah lintasan konsumsi makanan, biasanya dimulai dengan organisme autotrofik yaitu organisme yang melakukan fotosintesis seperti tumbuhan hijau. Organisme ini disebut produsen karena dapat membuat makanan dari bahan mentah anorganik. Setiap organisme misalnya sapi atau belalang yang memakan langsung tumbuhan disebut herbivor atau konsumen primer. Karnivor seperi katak, yang memakan belalang (herbivor) disebut konsumen sekunder. Karnivor seperti ular, yang memakan konsumen sekunder dinamakan konsumen tersier, dan seterusnya. Setiap tingkatan konsumen dalam suatu rantai makanan disebut tingkatan trofik.
Rantai makanan dalam suatu lingkungan saling berkaitan. Kebanyakan hewan mengkonsumsi makanan beragam yang pada gilirannya menyediakan makanan untuk berbagai makhluk lain yang memangsanya.
Setelah mempelajari rantai makanan yang ada dalam jaring-jaring makanan dalam suatu ekosistem, cobalah anda membuat rantai makanan yang ada dalam lingkungan sekitarmu!

Struktur Trofik dan Piramida Ekologi
Dalam ekosistem alami yang kompleks ada tingkat trofik dari kelompok organisme. Suatu populasi tertentu dapat menduduki lebih dari satu tingkat trofik tergantung pada sumber energi yang diperolehnya. Arus energi yang mengalir melalui sebuah tingkat trofik besarnya sama dengan asimilasi total pada tingkat itu. Coba perhatikan di bawah ini yang menggambarkan arus energi dalam suatu ekosistem.
Pada suatu komunitas urutan organisme dalam rantai makanan dilewati energi. Pada setiap urutan tingkatan trofik terjadi kehilangan energi dari system tersebut. (hukum termodinamika II), setiap perubahan energi menimbulkan hilangnya energi yang dipakai. Karena kehilangan yang tidak dapat terelakan, jumlah total energi pada tiap tingkatan trofik lebih rendah dari tingkatan sebelumnya atau bahkan jauh lebih rendah.
Pada herbivor dalam suatu komunitas terdapat sedikit energi daripada tanaman (sebagai produsen) pada komunitas yang sama. Energi pada karnivor lebih sedikit daripada herbivor, dan seterusnya. Jadi distribusi energi dalam suatu komunitas dapat disamakan seperti bentuk piramida, dengan tingkatan trofik (produsen) pada dasar dan tingkatan trofik konsumen terakhir pada puncaknya.
Bentuk piramida energi di atas adalah ciri dari semua ekosistem. Walaupun sifat-sifat ekosistem yang lain dapat membentuk model piramida karena berhubungan dengan arus energi melalui sistem.
Piramida ekologi menggambarkan struktur dan fungsi trofik, berupa a) piramida jumlah individu, b) piramida biomassa, dan c) piramida energi. Piramida ekologi memberikan gambaran kasar tentang efek hubungan rantai makanan untuk kelompok ekologi menyeluruh.


Siklus unsur-unsur kimia

Siklus Karbon
CO2 yang terkandung dalam atmosfir dan larut dalam air membentuk persediaan (sumbrr) C anorganik dari mana hampir semua C organik berasal. Forosintesa, terutama oleh tanaman hijau, yang mengekstrak C dari cadangan batuan arang ini tercampur ke dalam molekul organik kompleks sebagai ciri bahan untuk hidup.Beberapa molekul organik ini segera terurai lagi dan C-nya dilepaskan sebagai CO2 oleh tanaman dalam respirasi, atau diubah dalam bentuk yang lebih kompleks dalam bahan sisa, atau tetap berada dalam hewan sampai mati. Baisanya sisa tanaman dan bahan mati dari tanaman maupun hewan diuraikan oleh pengurai, dan C-nya dilepas sebagai CO2.
Cadangan CO2 dalam atmosfir juga meningkat melalui oksidasi bahan organik segera setelah masuk ke tanaman yang tumbuh di daerah yang baru di jalan raya atau di sekitar bangunan atau tanah pertanian. (Tanah pertanian mengikat CO2 lebih sedikit daripada vegetasi alam yang digantikannya, karena sangat produktif hanya dalam waktu relatif singkat, sementara itu cadangan sisa organik yang terbangun dalam tanah oleh vegetasi alam lambat laun terurai, melepaskan C ke atmosfir sebagai CO2). Aktivitas manusia meningkatkan CO2 atmosfir (udara) sampai 15% pada 100 tahun terakhir, mungkin sekali akan melipatgandakan konsentrasi CO2 pada 100 tahun yang akan datang.

Siklus Nitrogen
Unsur lain dalam komunitas adalah nitrogen, unsur dari asam amino yang membentuk protein dan nucleosid yang membentuk asam inti (nucleic acid). Cadangan nitrogen anorganik adalah gas N2, yang membangun ± 78% udara. Tetapi N2 mempunyai aktivitas biologis yang kecil. Gas ini memasuki semua tubuh organisme tetapi umumnya keluar lagi tanpa berperan penting dalam proses hidupnya. Tetapi ada beberapa mikro-organisme yaitu beberapa bakteri, algae biru dan beberapa jamur dapat menggunakan N2 dalam sintesis bahan yang dapat dipergunakan oleh organisme yang lain. Proses ini disebut fiksasi nitrogen. Walaupun beberapa fiksasi nitrogen bisa juga terjadi akibat pelepasan listrik, seperti petir, namun jumlahnya kecil, dan fiksasi nitrogen biologis oleh mikroorganisme itulah yang menyediakan nitrogen terpakai untuk ekosistem bumi.
Terdapat bakteri pengikat nitrogen hidup dalam simbiosis erat dengan akar tanaman tinggi, yang terdapat pada nodule (butir) yang menonjol. Leguminosa (tanaman yang termasuk famili polong, kacang-kacangan, clover, alfalfa, lupine, dan lain-lain) terutama terkenal karena mempunyai nodule (butir) akar dalam jumlah banyak demikian juga tanaman yang lain, mikroorganisme pengikat N yang lain hidup bebas di air atau dalam tanah. Semua mikroorganisme pengikat N ini dapat meredusir N2 menjadi amonia (NH3) yang seringkali dalam tanaman beupa ammonium (NH4) kemudian mikro-organisme tersebut menggunakan ammonium dalam sitensis bahan yang mengandung N organik atau melepaskannya ke tanah atau air di mana mereka hidup.
Bakteri simbiosis pada bintil akar akan segera melepaskan sebagian besar N terikat yang dihasilkan ke cytoplasma tanaman inang, terutama dalam bentuk asam amino. Telah diestimasikan bahwa  90% N terikat dapat dilepaskan ke cytoplasma inang dengan cara tersebut, di mana simpanan N terikat dalam bakteri atau bintil hanya sedikit atau tidak ada sama sekali. Bakteri pada bintil tidak saja mensuplai nitrogen terikat yang dibutuhkan tanaman, tetapi sebenarnya memproduksir lebih tinggi di antaranya ada yang dikeluarkan dari akar leguminosa ke dalam tanah. Jadi tanaman leguminosa (dan tanaman lain yang mempunyai bintil yang sama) cenderung meningkatkan kesuburan tanah yang ditumbuhinya. Petani seringkali membentuk kandungan N ditanahnya dengan jalan secara periodik menanaminya dengan leguminosa.
Mikroorganisme pengikat N yang hidup bebas dalam tanah dan air melepaskan amonia ke media di sekelilingnya. Bila mikroorganisme tersebut mati N terlihat dalam sel-selnya, terutama menjadi amoniak oleh organisme pengurai. Pengurai berfungsi sama pada gabungan N organik dalam tubuh tanaman hijau atau hewan atau mikro-organisme lain bila mati, juga pada bahan N dalam urine dan faeces hewan. Beberapa amonia bebas ini diambil dalam bentuk ion-ion ammonium oleh akar tanaman hutan tertentu, dan dicampur menjadi bahan yang lebih kompleks. Tetapi sebagian besar tanaman yang sedang berbunga lebih menggunakan nitrat daripada amonia. Nitrat tampaknya merupakan sumber utama N untuk tanaman tinggi. Nitrat ini diprodusir dari amonia dalam tanah oleh bakteri nitrifikasi.
Walaupun N tidak perlu kembali ke udara pada setiap perputaran siklus, namun selalu ada pelepasan dari tanah atau air kembali ke udara. Hal ini karena beberapa bakteri melakukan proses denitrifikasi yang menguba amonia atau nitrit atau nitrat menjadi N2 dan melepaskannya. Pada pokoknya bakteri denitrifikasi mengambil N dari organisme tanah ke bagian dan siklus N dan mengembalikannya ke udara, sedangkan organisme pengikat N baliknya : mengambil N2 atmosfir dan menambahkannya pada organisme ke bagain dari siklus.

Siklus Phosphat
Mineral lain yang penting untuk kehidupan adalah P, seperti N, P adalah salah-satu unsur utama dalam pupuk komersil. Berbeda dengan C dan N, dimana cadangannya ada di udara P mempunyai cadangan dalam karang.
Pada kondisi alam P yang tersedia jauh lebih rendah daripada N bagi organisme; misalnya pada air alam, ratio P : N  1 : 23. Tetapi manusia dengan menggali  3 juta ton/tahun, sangat mempercepat perpindahan mineral ini dari karang ke organisme air bagai dari siklus. Akibatnya adalah peningkatan-peningkatan populasi algae dengan cepat, dimana P sebelumnya meruapakan sumber pembatas utama pada banyak kolom dan jeram. Sebaliknya proliferasi lagae menimbulkan perubahan lain dalam ekologi air segar kita, seperti dapat terlihat pada urutan ekologi.
Walaupun pembentukan karang dari sedimen (endapan) laut di mana P tekumpul, adalah proses yang lambat, ahli-ahli geologi mengatakan bahwa kita tidak akan kehabisan karang phosphat karena cadangannya besar.

Siklus Air
Bila air hujan jatuh di tanah, segera menguap kembali ke udara. Dari air yang tidak segera menguap, di antaranya ada yang diserap tanaman atau diminum hewan, ada yang mengalir pada permukaan tanah menjadi aliran air atau danau, dan ada yang menembus tanah ke tingkat air di bawah. Air pada aliran air dan danau maupun air permukaan kemudian mengalir ke laut. Terdapat evaporasi konstan dari aliran air, sungai kecil, danau dan laut, demikian juga dari tanaman dan hewan. Energi untuk evaporasi ini sebagian besar berasal dari radiasi matahari langsung maupun tidak langsung.
Siklus air yang tak pernah berhenti dari bumi sebagai hujan, kembali ke atmosfir melalui evaporasi dan kembali lagi ke bumi melalui hujan mempertahankan lingkungan air murni dan memberikan suplai kebutuhan air lagi bagi kehidupan di bumi. Siklus air adalah faktor utama yang mengubah suhu dan menjadi alat pengangkut bagi berbagai unsur kimia dalam ekosistem.

Hubungan Ketergantungan Organisme
Kehidupan tiap organisme dipengaruhi oleh species lain yang hidup dalam komunitasnya. Organisme bersaing dan berinteraksi untuk memperoleh makanan, menghindari agar tidak dimakan sehingga dapat bertahan. Banyak species berusaha memperkecil kemungkinan untuk dimangsa yaitu;
1). penyamaran (warna sembunyi), contoh pada kupu-kupu Biston betularia.
2). pertahanan, contoh duri landak dan kelenjar bau dari insekta.
3). mimikri, misalnya pada bunglon
4). tingkah laku kelompok, contoh ikan mengeluarkan feromon dalam air bila terancam.
5). respons perlindungan diri, yaitu dengan melarikan diri.
Parasitisme, yaitu hubungan organisme dimana yang satu merugikan species lainnya. Parasit adalah organisme yang hidup di atas atau di dalam organisme lain (inang). Parasit merugikan inang dengan cara a) memakan jaringannya, b) mengambil sebagian makanannya, atau c) mengeluarkan toksin. Contoh tumbuhan yang dihinggapi cacing atau bakteri.
Komensalise, yaitu hubungan simbiotik antar organisme tanpa merugikan keduanya. Contoh ikan hiu dengan ikan remora. Ikan remora melekat pada hiu memakan sisa-sisa makanan dari hiu.
Mutualisme, yaitu hubungan simbiotik antar organisme yang saling menguntungkan. Seekor buaya membuka mulutnya dan membiarkan sejenis burung Mesir memakan lintah yang melekat di gusinya.

Keseimbangan dalam Ekosistem
Dalam suatu ekosistem terdapat suatu keseimbangan dinamakan homeostasis yaitu kemampuan ekosistem untuk mempertahankan perubahan secara keseluruhan. Keseimbangan diatur oleh berbagai factor yaitu mekanisme yang mengatur penyimpangan bahan-bahan, pelepasan hara makanan, pertumbuhan organisme, reproduksi, dan dekomposisi bahan organik. Meskipun suatu ekosistem mempunyai daya tahan yang besar terhadap perubahan, tetapi biasanya mekanisme homeostasis dapat dengan mudah diterobos oleh manusia.
Misalnya sebuah sungai tercemari dengan sampah yang tidak terlalu banyak, sungai itu dapat dijernihkan kembali secara alami sehingga keseluruhan tidak tercemar. Tetapi bila sampah yang masuk sangat banyak dan mengandung racun, maka batas homeostasis alami sungai akan terlampaui. Sistem dalam sungai tidak mempunyai mekanisme homeostasis lagi sehingga air sungai berubah secara permanen dan bahkan rusak. Contoh lain penebangan hutan alam, merupakan suatu proses yang sering malampaui batas dan merusak homeostasis dalam ekosistem hutan.

Review
1.Apa yang dimaksud ekologi? Jelaskan!
2.Jelaskan komponen ekosistem ditinjau dari fungsinya?
3.Amatilah ekosistem sebuah kolam! Jelaskan komponen yang menyusun ekosistem
tersebut ?
4.Buatlah rantai makanan berdasarkan pengamatan terhadap lingkungan ekosistem kolam
tersebut !
5.Mengapa dalam suatu jaring-jaring makanan, komponen pengurai mempunyai
peranan yang sangat penting dalam ekosistem, jelaskan!
6.Jelaskan tentang siklus air yang terjadi dalam ekosistem!
7.Identifikasilah bagaimana hubungan yang terjadi pada Komensalisme dan
Mutualisme?
8.Bagaimana pendapat saudara dengan maraknya pembalakan hutan secara
besar-besaran? Buatlah analisa singkat apa yang terjadi dengan ekosistem hutan
tersebut? bagaimana solusinya agar keseimbangan hutan dapat dikembalikan!
9.Gambar siklus Air!
10.Buat Poster dengan topik Lingkungan Sehat dan Bersih!