Hipotesis Gaia

Laksana tangan tidak terlihat yang memegang kemudi, umpan balik bekerja di dalam tubuh semua makhluk hidup. Umpan balik memastikan sebisa mungkin bahwa lingkungan internal makhluk hidup dalam keadaan stabil. Akan tetapi, umpan balik tidak hanya bekerja di dalam tubuh individu-individu organisme. Menurut hipotesis Gaia, umpan balik bekerja pada keseluruhan bagian biosfer, mempertahankan kondisi-kondisi yang ideal bagi kehidupan.

Bumi Yang Meregulasi Diri Sendiri
Tidak ada keraguan bahwa terdapat beberapa mekanisme umpan balik yang bekerja pada skala yang luar biasa besar di dunia. Misalnya, jika jumlah karbon dioksida di atmosfer meningkat, pertumbuhan tumbuhan meningkat. Tumbuhan itu menyingkirkan karbon dioksida dari udara dan dengan demikian membantu menghentikan kenaikan kadar karbon dioksida. Serupa dengan itu, jika suhu bumi meningkat, tumbuhan mengeluarkan lebih banyak uap air. Hal tersebut meningkatkan luasan tutupan awan sehingga mengerem kenaikan suhu. Berkat fotosintesis, komposisi keseluruhan atmosfer menjadi seperti itu hanya karena ada kehidupan di bumi.

Di tahun 1970-an, fakta-fakta seperti itu menyakinkan James Lovelock, seorang ahli kimia dan insinyur berkebangsaan Inggris, bahwa biosfer bekerja seperti sebuah sistem tunggal terintegrasi yang mengoptimalkan kondisi-kondisi bagi makhluk hidup. Ia mengembangkan ide ini bersama biolog Amerika, Lynn Margulis, dan menyebutnya hipotesis Gaia (nama dewi bumi dalam kepercayaan Yunani kuno). Menurut hipotesis tersebut, alam kehidupan serupa dengan mesin raksasa yang mengelola dirinya sendiri dan terus menerus membuat penyesuaian-penyesuaian yang diperlukan untuk mempertahankan kondisi yang stabil.

Apakah Gaia nyata?
Sejak pertama kali dicetuskan, hipotesis gaia telah menjadi kontroversi. Lovelock dan Margulis telah mengidentifikasi berbagai mekanisme umpan balik yang sepertinya mendukung hipotesis tersebut, tapi para penentang gagasan juga telah menemukan banyak mekanisme lain yang justru menjatuhkan hipotesis Gaia. Lebih rumit lagi, hipotesis Gaia menyarankan adanya suatu kerjasama global di antara makhluk hidup (sesuatu yang bertentangan dengan gagasan darwinian tentang perjuangan mempertahankan keberadaan diri). Gagasan bahwa organisme-organisme yang berkompetisi ternyata bekerja sama untuk mempertahankan kesetimbangan telah membuat banya ekolog bersikap skeptis terhadap hipotesis Gaia.

Meskipun sambutannya bermacam-macam, hipotesis Gaia telah terbukti sebagai suatu spekulasi yang berharga. Bahkan jika biosfer sesungguhnya bukan suatu entitas tunggal, terkadang secara misterius biosfer berlaku seolah-olah seperti itu.

Gagasan bahwa makhluk hidup mempertahankan kondisi internal yang stabil dilontarkan pertama kali di abad ke-19 oleh seorang fisiolog prancis bernama Claude Bernard (1813 - 78). Di abad ke-20 , fisiolog amerika bernama Walter Canon menamai konsep Bernard 'homeostasis' yang secara harfiah berarti 'berdiri diam'. Homeostasis penting bagi kehidupan. Hal itu karena reaksi-reaksi kimiawi yang terlibat dalam usaha bertahan hidup bekerja paling abaik hanya pada kondisi-kondisi tertentu yang sempit kisarannya.

Kekacauan Dan Kompleksitas

Rantai makanan dan jaring makan makanan menunjujkkan bahwa di alam tidak ada yang benar-benar sendirian. Bahkan di habitat-habitat yang paling sulit dijangkau sekalipun, makhluk-makhluk hidup saling mempengaruhi, dan juga berinteraksi dengan lingkungannya. Banyak di antara interaksi-interaksi itu yang sedemikian rumitnya sampai-sampai tidak peduli seberapa intensifnya diteliti, hasilnya tidak pernah dapat diprediksi.

Dalam permainan billiar , terjadi segala sesuatu dapat diprediksikan. Secara teoritis, jika kita dapat mengumpulkan cukup banyak data, kita akan dapat menduga sacara tepat ke mana setiap bola akan meluncur jika telah terkena sodokan. Di alam, tidak seperti itu kejadiannya. Dengan data yang cukup banyak untuk mengisi semua memori komputer di bumi sekalipun, kita tetap tidak mungkin memperkirakan arah perkembangan masa depan dari suatu sistem yang melibatkan makhluk hidup. Garis besarnya bisa diprediksikan, tetapi detail-detailnya tidak.

Sistem-sistem seperti itu bersifat chaotic (kekacauan atau ketidakteraturan). Akan tetapi, sistem-sistem chaotic tidak selalu terdiri dari makhluk hidup, melainkan juga mencakup berbagai fenomena fisik pada berbagai skala berbeda, mulai dari pergerakan partikel dalam setumpuk pasir sampai sirkulasi udara dan air di seluruh bumi.

Edward Lorenz

Teori chaos dikembangkan di tahun 1960-an oleh Edward Lorenz, seorang meteorolog. Ia menunjukkan bahwa tidak mungkin memperkirakan secara tepat jalur yang dilalui oleh udara yang naik, walaupun pergerakan keseluruhannya dapat diduga sebelumnya. Lorenz juga menunjukkan bahwa, secara teoritis, perubahan sekecil apa pun (kepakan sayap kupu-kupu misalnya) dapat menimbulkan efek berantai yang jauh lebih besar dari ukurannya. Sejak saat itu 'efek kupu-kupu' dijadikan metafora bagi keterkaitan biosfer secara keseluruhan.

Mempertahankan Jalur
Chaos membuat kehidupan seolah-olah merupakan sebuah kekacau-balauan, penuh pergantian arah yang mendadak. Akan tetapi, bukan seperti itu yang ditemukan para ekolog sewaktu mengkaji alam. Detail hari ke hari dari sistem-sistem kehidupan kerap kali berfluktuasi, akan tetapi, dalam jangka waktu yang lebih panjang, biasanya yang terlihat adalah kontinuitas.

Jadi apa sebenarnya yang mengendalikan chaos?
Salah satu faktor tersebut adalah mekhluk hidup memiliki batasan-batasan alamiah. Sebuah pohon misalnya, tidak mungkin mendadak mengembanghkan cara reproduksi baru, sama tidak mungkinnya seekor gajah mendadak bisa hidup di laut. Melalui sebuah proses yang disebut umpan balik, makhluk hidup mempertahankan kondisi normal yang diperlukannya utuk bertahan hidup. Akan tetapi, sistem-sistem umpan balik memiliki batasan-batasan sendiri. Sevbarapa jauh sistem-sistem tersebut dapat didesak tanpa menghancurkannya merupakan salah satu pertanyaan terpenting yang dihadapi pada ekolog saat ini.

Menyerap Energi Matahari

Jika ditanya mana yang lebih produktif, rawa ataukah sebidang lahan pertanian, sebagian orang akan memilih sebidang lahan pertanian. Akan tetapi, jawaban sebenarnya bergantung pada apa arti 'produktif' itu sendiri. Bagi seorang ekolog, sering kali rawa lah yang lebih produktif, sebab dapat mengubah cahaya matahari menjadi zat hidup pada laju yang luar biasa.

Dalam ekologi, produktivitas adalah ukuran atas laju terciptanya zat hidup baru ketika tumbuhan memanfaatkan energi dari matahari. Dalam waktu satu tahun, satu meter persegi rawa rata-rata menghasilkan pertumbuhan ekstra tumbuhan sekitar 2,5 kg, sementara area yang luasnya sama di hutan hujan tropis menghasilkan sekitar 2 kg. Dibandingkan dengan itu, budidaya seringkali kalah jauh. Walaupun produktif jika ditilik dari sisi makanan manusia, rata-rata produktivitas biologisnya hanyalah sekitar 0,65 kg per meter persegi.


Dalam ekologi, produktivitas primer adalah ukuran kunci, sebab ukuran itu menunjukkan seberapa cepatnya energi disalurkan melalui makhluk-makhluk hidup. Saat ini kita menggunakan kira-kira 40% produktivitas primer bumi (dengan cara menyantap makanan, beternak hewan, dan menebang pohon) yang berarti kini hanya ada sisa 60% untuk spesies-spesies liar yang juga menggunakannya untuk bertahan hidup.

Produktivitas tinggi tidak harus berarti bahwa ekosistem disesaki oleh tumbuhan, sebab sering tumbuhnya tumbuhan baru, tumbuhan yang lama pun terurai. Selain itu, tumbuhan hidup mengikat energi dalam waktu yang berbeda-beda. Sebagai hasilnya, beberapa jenis ekosistem menampung tumbuhan dengan berat total yang luar biasa, sementara jenis-jenis ekosistem lain hanya menampung sedikit.

Berat total ini dikenal sebagai biomassa tumbuhan. Di darat, hutan hujan tropis berada di puncak grafik biomassa, dengan berat tumbuhan mencapai 45.000 ton menyesaki setiap kilometer persegi lahan hutan tersebut. Rawa-rawa menampung sekitar 15.000 ton, sementara di gurun hanya ada kurang dari 1.000 ton. Akan tetapi, di lautan terbuka, produktivitas sering kali rendah karena sebagian besar organisme tenggelam ke dasar laut ketika mereka mati, di sini mikroorganisme menggantikan peran tumbuhan, dan rata-ratanya adalah sekitar 3 ton per kilometer persegi (hanya secuil massa terapung-apung di samudra luas. Hal ini berarti nutrien terus menerus terkuras dari lapisan permukaan yang disinari matahari, tempat berlangsungnya semua produktivitas primer. Perkecualiannya adalah tempat-tempat yang terdapat aliran arus yang turut mengangkut nutrien ke atas dari dasar laut. Arus-arus tersebut adalah alasan kenapa kehidupan di lepas pantai barat afrika bagian selatan dan amerika selatan berlimpah.

Rantai Dan Jaring

Di awal 1920-an, seorang ekolog inggris bernama Charles Elton membuat sebuah grafik yang menghubungkan semua tumbuhan dan hewan dis ebuah wilayah kecil tundra arktika, tergantung pada apa yang dimakan organisme tersebut. Pekerjaan yang amat melelahkan tersebut akhirnya memantapkan sebuah konsep yang sejak saat itu menjadi bagian kunci ekologi.

Mata Rantai Yang Tidak Terlihat
Di alam, makanan pastilah diperoleh dari suatu sumber. Dengan cara enelusurinya ketingkat trofik yang lebih tinggi dan lebih rendah, kita dapat melihat di mana awalnya dan di mana akhirnya. Hasilnya adalah rantai makanan, peta jalur yang dilalui energi makanan saat berpindah dari satu spesies ke spesies lainnya.

Rantai makanan mungkin terdiri atas empat atau lima mata rantai

Menghubungkan titik
Walaupun rantai-rantai makanan tunggal itu pendek, mereka biasanya berjumlah banyak. Rantai-rantai itu bersama-sama membentuk sebuah jaring makanan (suatu jaringan garis-garis yang bersilangan dan terkadang mirip peta kereta bawah tanah). Jika jaringnya lengkap (sesuatu yang sulit tercapai), jaring tersebut menunjukkan semua rute yang mungkin dilewati makanan pada keseluruhan suatu komunitas tumbuhan dan hewan. Dalam sebuah jaring makanan yang umum, beberapa anis hewan dihubungkan oleh sedikit garis saja, sementara yang lain merupakan titik persilangan utama. Hal itu mungkin disebabkan karena hewan-hewan di persilangan itu memiliki kisaran makanan yang luas, atau karena mereka cukup sial sehingga menjadi menu banyak jenis predator.

Membuat jaring makanan dapat menjadi tugas yang sangat menarik (terutama jika hal itu harus dilakukan di bagian-bagian dunia terpencil). Akan tetapi jaring makanan bukanlah sebuah catatan yang tidak berubah. Karena menunjukkan keterkaitan antar-spesies, jaring makanan dapat digunakan untuk memperkirakan efek berantai ketika suatu habitat tercemar, atau ketika satu spesies berkurang jumlahnya atau punah.

Salah satu bagian penting dari jaringan makanan apa pun adalah dekomposer (makhluk hidup yang memakan sisa-sisa organisme lain yang telah mati). Dekomposer (terkadang disebut detritivor) mencakup hewan-hewan kecil seperti serangga dan cacing tanah, namun tahapan terakhir proses penguraian itu dilaksanakan oleh fungsi mikroskopik dan bakteri. Satu sentimeter kubik tanah dapat mengandung lebih dari sepuluh juta organisme-organisme itu.

Tingkat Kehidupan

Ketika seekor rusa memakan dedaunan pohon, rusa tersebut mengambil energi yang telah dikumpulkan pohon secara langsung dari matahari. Akan tetapi ketika seekor serigala memakan mangsanya, energi yang dikumpulkannya mungkin telah melewati tiga atau empat makhluk hidup lainnya. Perbedaan-perbedaan seperti ini memugkinkan makhluk hidup digolongkan menjadi 'tingkat-tingkat trofik' yang berbeda, tergantung pada posisinya dalam rabtai energi.

Dalam sistem-sistem hidup, tingkat trofik terendah selalu diisi oleh produsen (bentuk-bentuk kehidupan yang melaksanakan langkah pertama yang esensial, yakni menangkap energi dan menyusunnya menjadi zat organik).di darat, produsen nyaris selalu tumbuhan, tapi di air produsen bisa saja berupa bermacam-macam organisme yang jauh lebihkecil dan sederhana, misalnya diatom dan alga lainnya. Produsen-produsen yang mengapung itu terlalu kecil untuk dilihat dengan mata telanjang, tapi secara keseluruhan mereka bertanggung jawab atas sebagian besarenergi total yang dikumpulkan makhluk hidup dari matahari.

Tingkat trofik berikutnya adalah konsumen tingkat satu. Konsumen ini melahap makanan yang dibuat oleh para produsen, dan mereka sendiri dilahap oleh konsumen tingkat dua, yang kemudian mungkin dilahap oleh konsumen tingkat tiga. Tapi pada titik itu, rantai energi telah terhenti. Jarang sekali terdapat produsen tingkat empat (predator super di alam).

Alasan mengapa rantai energi terhenti adalah pada setiap langkah menaiki tingkat trofik, hanya sebagian kecil energi yang dioperkan diubah menjadi zat hidup. Sisanya (dalam beberapa kasus mencapai sembilan persepuluh) digunakan sebagai bahan bakar, agar tubuh organisme dapat bekerja. Energi tersebut lolos ke lingkungan, sering kali dalam bentuk panas, dan tidak dapat dioperkan ke makhluk hidup lain.

Hilangnya energi dari langkah demi langkah ini menunjukkan bahwa cara terbaik untuk mengumpulkan energi bagi konsumen adalah memotong perantaranya dan memakan langsung produsen. Hal ini menjelaskan mengapa hampir semua hewan-hewan terbesar di dunia bukanlah pemburu, melainkan pemakan tumbuhan. Hal itu juga menjelaskan mengapa predator-predator tingkat tinggi, seperti singa dan hiu cevderung tidak banyak jumlahnya.

Konsumen Multilevel
Ada juga konsumen multilevel yang bukan hanya menempati satu trofik saja, beberapa konsumen mengambil posisi di beberapa tingkat yang berbeda. Contoh utamanya adalah manusia. Kamu, misalnya, adalah konsumen tingkat satu kalau memakan apel, tapi merupakan konsumen tingkat dua jika melahap burger sapi. Jika menyukai ikan, hal itu dapat mengangkat statusmu menjadi konsumen tingkat tiga atau bahkan empat, sebab kemungkinan ikan itu memperoleh energinya dari tangan kedua atau ketiga.

Energi Dan Keteraturan

Bayangkan sebuah gula batu yang dapat menyatukan diri kembali setelah dilarutkan. Hal itu tidaklah mustahil, tapi kemungkinan hal itu terjadi luar biasa kecilnya. Meskipun demikian, proses-proses mustahil seperti itu tampaknya terjadi sepanjang waktu pada makhluk hidup. Hai ini dikarenakan makhluk hidup (tidak seperti semua jenis zat lainnya) dapat meggunakan energi untuk menjadi semakin teratur seiring berlalunya waktu.

Organisme-organisme mikroskopik yang disebut diatom menunjukkan betapa berartinya beberapa proses semacam itu. Diatom hidup di air da menyokong hidupnya sendiri dengan cara membuat selubung sarat hiasan yang terbuat dari silika (mineral yang digunakan untuk membuat kaca). Di air, kadar silika seringkali sangatlah rendah (hanya beberapa bagian per juta) yang jauh lebih rendah daripada kadar gula dalam ssecangkir kopi. Namun bagaimanapun juga, diatom berhasil mengumpulkan silika yang tersebar itu dan membentuknya dengan cara yang amat kompleks.

Sepintas lalu, proses ini seolah melanggar sebuah prinsip fisika yang penting (hukum kedua termodinamika). Hukum ini menyatakan bahwa setiap kali energi diteruskan atau ditransformasikan, sebagian diantaranya selalu berubah menjadi bentuk yang tidak dapat digunakan. Sebagian hasilnya, ketidakteraturan selalu cendurung mengalami peningkatan. Dalam istilah fisika, entropi sistem peningkatan.

Kekuatan Pendorong
Hukum-hukum fisika berlaku untuk semua jenis zat, jadi bagaimana bisa diatom (dan juga makhluk hidup lainnya) berhasil menjungkirbalikkan hukum tersebut?jawabannya adalah sebenarnya mereka tidak melanggarnya. Jika dipandang secara terpisah, satu diatom tentunya menjadi semakin teratur, tapi itu hanyalah sebagian saja dari cerita utuhnya. Dilihat secara keseluruhan, diatom dan lingkungannya menjuadi semakin tidak teratur seiring berlalunya waktu, sebab energi dan bahan-bahan mentah pada akhirnya menjadi semakin terpencar. Diatom dapat terus tumbuh dan bereproduksi semata karena suplai baru energi tiba sepanjang waktu, dalam bentuk sinar matahari. Jika suplai energi itu terputus, diatom akan mati dengan cepat dan ketidakteraturan pun segera menyusul.

Apa yang berlaku untuk diatom, berlaku pula untuk semua makhluk, tidak peduli apa sumber energinya. Kehidupan laksana mesin: tanpa suplai energi terus menerus, pada akhirnya kehidupan pun terhenti.

Hidup Dari Cahaya (Energi Matahari)

Setiap tahun bumi menerima cukup energi matahari untuk mempertahankan kehidupan umat manusia selama kira-kira 30.000 tahun. Sebagian kecil energi tersebut (sekitar 1%) ditangkap oleh tumbuhan, dan dengan demikian terciptalah mata rantai pertama dalam permainan estafet ekologi yang menyediakan energi bagi kehidupan.

Tumbuhan memanfaatkan energi matahari melalui proses fotosintesis, yang berarti 'menyusun dengan bantuan cahaya'. Secara kimiawi, fotosintesis amatlah rumit, tapi hasil akhirnya sederhana : dua zat anorganik (karbon diksida dari udara dan air dari tanah) berkombinasi menjadi senyawa-senyawa organik sarat energi. Senyawa-senyawa tersebut menyusun jaringan tumbuhan dan mendorong pertumbuhan. Energi senyawa-senyawa tersebut kemudian dioperkan ketika tumbuhan dimakan.

Tumbuhan bukanlah organisme pertama yang mengembangkan fotosintesis, tapi tumbuhan telah menjadi pelaksana yang paling penting dari cara hidup seperti itu. Tumbuha menghasilkan sekitar 100 miliar ton senyawa kaya energi setiap tahun (makanan yang pada akhirnya menjadi bahan bakar sebagian besar kehidupan di bumi).



Makanan Hasil Operan
Ditilik dari segi energi, fotosintesis membuat tumbuhan spenuhnya berswasembada. Untuk bertahan hidup, yang diperlukan tumbuhan hanyalah cahaya dan suplai bahan-bahan mentah sederhana. Sebagian besar bentuk kehidupan yang lain (termasuk hewan) agak berbeda, sebab mereka memperoleh energi dengan cara memecah zat organik. Jika tidak ada pembuat zat organik itu terlebih dahulu, maka pemecah zat organik pun tidak akan ada. Perbedaan mendasar tyersebut menmbagi mekhluk hidup menjadi dua golongan, yaitu autotrof dan heterotrof. Autotrof mengumpulkan energi secara langsung, sedangkan heterotrof mengumpulkan energi hasil operan, baik dari autotrof maupun dari sesama heterotrof.

Kehidupan Dalam Gelap
Ada sedikit kehidupan di bumi yang kehidupannya tidak bergantung pada cahaya. Disemburan-semburan vulkanik dasar laut, gua, dan mata air panas, beberapa jennis bakteri memperoleh energi dan bahan mentah langsung dari zat-zat kimia yang terlarut di air. Jika matahari mendadak berhenti bersinar, organisme-organisme primitif tersebut mungkin akan menjadi satu-satunya makhluk hidup yang dapat bertahan.