Biologi Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

3Organisasi Fungsional Sebuah Tumbuhan Berbunga

Sebatang pohon ek berumur dua abad berdiri pada meter persegi tanah yang sama tempat ia berkecambah. Ia tak pernah makan, tak pernah berpindah, tak pernah menjaga suhunya; namun ia telah membangun empat puluh ton kayu, dan setiap musim panas ia membentangkan lima ratus meter persegi daun ke udara dan permukaan akar yang lebih luas lagi ke dalam tanah. Sebuah tumbuhan berbunga adalah jawaban yang lain atas masalah Bab 1: autotrof yang menetap dan menemui lingkungannya bukan dengan memindahkan pertukarannya ke dalam melainkan dengan menumbuhkan permukaan pertukarannya ke luar, tanpa batas, ke mana pun cahaya dan air berada. Bab ini memerikan bagaimana tubuh semacam itu tersusun — organnya, jaringannya, permukaan yang dibentangkannya, dan pertumbuhan yang membangunnya.

Sebatang pohon ek yang menyendiri pada musim panas. Tajuknya adalah hamparan daun yang dibentangkan untuk menangkap cahaya; sistem akar di bawah rumput selebar tajuknya dan permukaannya beberapa kali lebih luas.

3.1 Tubuh vegetatif

Definisi 3.1 (Akar, batang, daun)

Tubuh vegetatif sebuah tumbuhan berbunga tersusun dari tiga macam organ. Akar menambatkan tumbuhan dan menyerap air serta ion mineral dari tanah; ia tumbuh dari ujungnya, bercabang, dan membawa rambut akar tepat di belakang ujungnya. Batang membawa daun ke arah cahaya dan menghantarkan antara akar dan daun; ia dibangun dari satuan yang berulang, masing-masing berupa sebuah buku yang membawa sehelai daun dan satu tunas ketiak, serta sebuah ruas di antara dua buku. Daun adalah organ fotosintesis: sehelai lembar rata berpermukaan luas dan bertebal kecil, yang dipegang sebuah tangkai daun. Akar membentuk sistem akar; batang dan daun, sistem tajuk.

Proposisi 3.2 (Tubuh yang bermodul dan terbuka)

Tubuh tumbuhan bersifat bermodul: tajuknya adalah deretan satuan yang seragam (buku, daun, tunas, ruas) yang ditambahkan satu demi satu oleh tunas ujung, dan tiap tunas ketiak dapat memulai deretan baru. Pertumbuhannya tak tentu: tidak ada ukuran dewasa, dan tumbuhan itu terus menambah modul, dan dengan demikian permukaan, selama ia hidup. Banyak dan letak modulnya bergantung pada tempatnya — cahaya, air, kerusakan — sehingga jenis yang sama berbentuk lain di tempat yang lain. Sebaliknya tubuh mamalia tertutup: organnya tetap jumlahnya dan ia berhenti tumbuh pada ukuran tertentu.

Tajuk sebagai tumpukan modul. Tiap buku membawa sehelai daun dan satu tunas ketiak; tunas ujung menambah modul di atas, dan tunas ketiak mana pun dapat memulai sebuah cabang. Sistem akar tumbuh dari ujung-ujungnya.

3.2 Jaringan tubuh primer

Definisi 3.3 (Jaringan pelindung, dasar dan pengangkut)

Setiap organ tumbuhan dibangun dari tiga sistem jaringan. Jaringan pelindung adalah epidermis, selapis tunggal sel yang menyelimuti organ, berlapis kutikula berlilin di udara dan tertembus stomata, serta diperpanjang pada akar oleh rambut akar. Jaringan dasar mengisi organ: parenkim (sel hidup berdinding tipis untuk fotosintesis dan penimbunan), kolenkim (sel hidup dengan dinding menebal tak merata, penopang lentur batang muda) dan sklerenkim (sel berdinding tebal berlignin, mati saat dewasa, penopang kaku: serabut dan sel batu). Jaringan pengangkut menghantarkan: xilem membawa air dan mineral ke atas di dalam trakeid dan trakea yang berongga, berlignin dan mati (Bab 24); floem membawa gula di dalam pembuluh tapis hidup yang dijaga tetap hidup oleh sel pengiringnya.

Sayatan melintang batang muda tumbuhan dikotil. Berkas pengangkutnya membentuk sebuah cincin: pada tiap berkas, xilem (terwarna merah, berlignin) menghadap pusat dan floem menghadap sisi luar, di bawah sebuah tudung serabut. Di dalam cincin itu, empulur; di luarnya, korteks dan epidermis.

Sayatan melintang akar muda tumbuhan dikotil. Satu silinder pengangkut di pusat: sebuah bintang xilem dengan floem pada sudutnya, yang dibatasi endodermis; di sekelilingnya korteks yang lebar; di luarnya, epidermis yang membawa rambut akar.

Proposisi 3.4 (Batang dan akar berbeda pada letak jaringan pengangkutnya)

Pada batang muda jaringan pengangkut membentuk berkas yang tersusun melingkar (dikotil) atau tersebar di dalam jaringan dasar (monokotil), tiap berkas dengan xilem menghadap pusat dan floem menghadap sisi luar; tidak ada endodermis, dan jaringan dasarnya terbagi menjadi empulur di pusat dan korteks di luar. Pada akar muda hanya ada satu silinder pusat: xilem membentuk bintang (dua sampai lima lengan pada dikotil, banyak pada monokotil), floem terletak di antara lengannya, dan silinder itu dibatasi endodermis, selingkar sel yang dinding radialnya membawa pita kedap air (Bab 23). Letaknya sesuai dengan fungsinya: batang menahan lenturan, dan cincin berkas dekat permukaannya paling kaku untuk massanya; akar menahan tarikan, dan silinder pusat adalah susunan sebuah kabel.

Metode 3.5 (Mengenali sebuah sayatan tumbuhan)

Satu silinder pengangkut di pusat dengan endodermis: sebuah akar. Berkas melingkar atau tersebar, dengan empulur: sebuah batang. Organ pipih dengan dua epidermis dan lapisan bunga karang: sehelai daun.
Akar dengan sedikit lengan xilem (2–5): dikotil; banyak lengan mengelilingi empulur: monokotil. Batang dengan berkas pada satu lingkaran: dikotil; berkas tersebar: monokotil.
Xilem dikenali dari selnya yang besar, berdinding tebal dan kosong (merah dengan pewarna yang biasa); floem dari selnya yang kecil dan hidup dengan pembuluh tapis serta sel pengiring (hijau atau biru).
Pada sayatan batang, xilem menunjuk ke dalam dan floem ke luar. Pada akar, xilem dan floem berselang-seling pada jari-jari yang sama.

Sayatan melintang sehelai daun. Di antara kedua epidermisnya, sel palisade yang bertiang dan padat kloroplas menghadap cahaya, dan sel bunga karang yang renggang di bawahnya menyisakan ruang udara yang terbuka lewat stomata. Tulang daunnya membawa air masuk dan gula keluar.

Contoh 3.6 (Tempat pertukaran berlangsung)

Karbon dioksida masuk ke sehelai daun lewat stomatanya, melintasi ruang udara lapisan bunga karang dan melarut dalam dinding basah sel palisade; air datang di dalam xilem tulang daunnya dan pergi, sebagai uap, lewat stomata yang sama. Air dan ion masuk ke akar lewat rambut akar dan melintasi korteks menuju xilem di pusat. Kedua organ itu menempatkan permukaan pertukarannya di sisi luar dan jaringan penghantarnya di tengah.

3.3 Hidup menetap: permukaan

Definisi 3.7 (Indeks luas daun)

Yang disebut indeks luas daun $L$ sebuah tudung tumbuhan adalah total luas daun satu sisi tiap satuan luas tanah. Padang rumput pada bulan Juni memiliki $L \approx 3$ , hutan peluruh $4\text{ to }6\,$ , hutan hujan tropis sampai $8\,$ : beberapa lapis daun bertumpuk di atas tiap meter persegi tanah.

Proposisi 3.8 (Penangkapan cahaya oleh kanopi)

Fraksi cahaya datang yang mencapai tanah di bawah sebuah kanopi berindeks luas daun $L$ meluruh secara eksponensial,

\frac{I(L)}{I_0} = e^{-kL},

dengan koefisien pemadaman $k$ antara $0.3$ (daun tegak) dan $0.8$ (daun mendatar), biasanya $0.5$ . Kanopi dengan $L = 5$ dan $k = 0.5$ menangkap $1 - e^{-2.5} = 92\,\%$ cahayanya.

Bukti. Menuruni kanopi, tiap lapis tipis berluas daun $\dd L$ menangkap fraksi $k\,\dd L$ dari cahaya yang mencapainya, dengan $k$ adalah fraksi luas mendatar yang dinaungi satu satuan luas daun (yang bergantung pada arah hadap daunnya). Karena itu $\dd I = -kI\,\dd L$ , yang penyelesaiannya adalah eksponensial tadi. ∎

Cahaya di bawah kanopi terhadap indeks luas daun, bagi tiga arah hadap daun. Melewati L 6 selapis daun tambahan hampir tidak menghasilkan apa-apa, dan karena itulah kanopi berhenti di situ. — Cahaya di bawah kanopi terhadap indeks luas daun, bagi tiga arah hadap daun. Melewati $L \approx 6$ selapis daun tambahan hampir tidak menghasilkan apa-apa, dan karena itulah kanopi berhenti di situ.

Proposisi 3.9 (Permukaan akar melebihi permukaan daun)

Satu batang gandum hitam yang ditumbuhkan empat bulan dalam kotak berisi $0.05\,\mathrm{m}^{3}$ tanah menghasilkan $620\,\mathrm{km}$ akar, berpermukaan $240\,\mathrm{m}^{2}$ , dan $1.4 \times 10^{10}$ rambut akar yang menambahkan $400\,\mathrm{m}^{2}$ : permukaan sekitar seratus kali permukaan daunnya, tersebar dalam tanah pada kerapatan sepuluh kilometer akar tiap liter. Rambut akar, yang masing-masing berupa perpanjangan pipa satu sel epidermis selebar $5\text{ to }20\,\text{µ}\mathrm{m}$ dan sepanjang sampai satu milimeter, adalah tempat sebagian besar penyerapan terjadi; masing-masing hidup beberapa hari dan diganti seiring majunya ujung akar.

Bukti eksperimental. Dittmer (1937) mencuci seluruh sistem akar satu batang gandum hitam keluar dari kotaknya, menghitung dan mengukur cuplikan tiap orde akar serta rambut akarnya di bawah mikroskop, lalu menskalakannya: $13.8\,$ juta akar sepanjang seluruhnya $623\,\mathrm{km}$ , dan $14\,$ miliar rambut sepanjang seluruhnya $10\,620\,\mathrm{km}$ . Air dan mineral tanah bergerak begitu lambat sehingga sebuah akar harus berada dalam satu milimeter darinya untuk menyerapnya; panjang yang luar biasa itulah yang menempatkan sebuah akar dalam jangkauan tiap tetesnya. ∎

Rambut akar pada sebuah kecambah lobak, beberapa milimeter di belakang ujungnya yang gundul. Tiap rambut adalah satu sel epidermis yang tumbuh keluar ke dalam tanah; bersama-sama mereka melipatgandakan permukaan penyerapnya berkali-kali.

Contoh 3.10 (Kedua permukaan pohon ek)

Sebatang pohon ek yang tajuknya menaungi $100\,\mathrm{m}^{2}$ pada $L = 5$ membawa $500\,\mathrm{m}^{2}$ daun. Akar halusnya, pada beberapa kilometer tiap meter kubik melalui $100\,\mathrm{m}^{3}$ tanah, menyediakan beberapa ratus meter persegi, dan rambut akarnya seribu meter persegi lagi: permukaan penyerap di bawah tanah beberapa kali permukaan fotosintesis di atasnya, di atas meter persegi tanah yang sama.

3.4 Pertumbuhan dan bentuk

Definisi 3.11 (Meristem, pertumbuhan primer dan sekunder)

Yang disebut meristem adalah jaringan sel kecil yang belum terdiferensiasi dan terus membelah. Meristem apikal pada ujung tiap tajuk dan akar menghasilkan pertumbuhan primer: pemanjangan, dan jaringan primer di atas tadi. Meristem lateral — kambium pembuluh di antara xilem dan floem, serta kambium gabus di bawah epidermis — menghasilkan pertumbuhan sekunder: penebalan, dengan menambahkan kayu (xilem sekunder) ke dalam dan kulit kayu ke luar, pada batang dan akar pohon serta perdu. Mekanisme kerja meristem menjadi bagian jilid Tahun ke-2.

Sayatan membujur sebuah ujung akar. Di belakang tudung pelindungnya, meristem apikal membelah; hasilnya memanjang, lalu berdiferensiasi menjadi jaringan akar dewasa dan menumbuhkan rambut akar. Seluruh urutan itu menempati beberapa milimeter dan bergerak maju seiring tumbuhnya akar.

Proposisi 3.12 (Bentuk mengikuti tempat)

Karena pertumbuhannya bermodul dan tak tentu, sebuah tumbuhan membentuk tubuhnya menurut tempatnya (keplastisan fenotipe): sebatang pohon yang tumbuh di tempat terbuka bercabang rendah dan lebar, jenis yang sama di dalam hutan menumbuhkan batang jangkung yang gundul; tumbuhan di tanah kering mengalokasikan lebih banyak pertumbuhannya ke akar, di tempat teduh lebih banyak ke daun. Jenis dari habitat kering (xerofit) membawa kutikula tebal, stomata yang terbenam dalam lekuk atau terlindung rambut, daun kecil atau berair, dan akar yang dalam; jenis dari habitat basah (hidrofit) membawa kutikula tipis, stomata pada permukaan atas daun yang mengapung, dan jaringan berisi udara (aerenkim) yang membawa oksigen turun ke akar di dalam lumpur tanpa oksigen.

Contoh 3.13 (Mamalia dan tumbuhan, berdampingan)

Nutrisi: mamalia memakan materi organik; tumbuhan membuatnya dari karbon dioksida, air dan cahaya. Permukaan pertukaran: di dalam, tetap ukurannya, dialiri darah; di luar, terus tumbuh, diventilasi angin dan tanah. Lingkungan internal: cairan yang diatur pada suhu dan susunan tetap; tidak ada — selnya mengatur isinya sendiri dan suhu tumbuhan adalah suhu udara. Pertumbuhan: sampai bentuk dewasa yang tertentu; terbuka dan bermodul, seumur hidup. Gerak: hewan mendatangi makanannya; tumbuhan tumbuh ke arah cahaya dan air. Pemaduan: saraf dan hormon dalam sekon sampai jam; hormon saja, dalam jam sampai hari. Tiap lajur adalah satu cara yang taat asas untuk menjadi sistem terbuka.

3.5 Latihan

Latihan 3.1 ★

Sebutkan ketiga organ vegetatif sebuah tumbuhan berbunga dan fungsi utama masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 3.1.

Akar: penambatan, penyerapan air dan ion mineral. Batang: penopang daun ke arah cahaya, penghantaran antara akar dan daun. Daun: fotosintesis (dan pertukaran gas, transpirasi).

Latihan 3.2 ★

Definisikan satu modul tajuk dan jelaskan apa arti “pertumbuhan tak tentu”.

Solusi

Solusi Latihan 3.2.

Satu modul adalah satu buku dengan daun dan tunas ketiaknya, ditambah ruas di bawahnya. Pertumbuhan tak tentu: tidak ada ukuran dewasa; tunas ujung dan tunas ketiak terus menambah modul selama tumbuhan itu hidup.

Latihan 3.3 ★

Untuk tiap jaringan — epidermis, parenkim, kolenkim, sklerenkim, xilem, floem — sebutkan apakah selnya hidup saat dewasa dan apa kerjanya.

Solusi

Solusi Latihan 3.3.

Epidermis: hidup; penyelimut, kutikula, stomata, rambut akar. Parenkim: hidup; fotosintesis, penimbunan. Kolenkim: hidup; penopang lentur. Sklerenkim: mati; penopang kaku. Sel penghantar xilem: mati; pengangkutan air. Pembuluh tapis floem: hidup (dengan sel pengiringnya); pengangkutan gula.

Latihan 3.4 ★

Dari gambar penangkapan cahaya, berapa fraksi cahaya yang mencapai tanah di bawah padang rumput dengan $L = 3$ dan $k = 0.3$ , dan di bawah hutan berdaun lebar dengan $L = 6$ dan $k = 0.5$ ?

Solusi

Solusi Latihan 3.4.

$e^{-0.9} = 0.41$ , yakni $41\,\%$ ; $e^{-3} = 0.05$ , yakni $5\,\%$ .

Latihan 3.5 ★★

Sebuah sayatan memperlihatkan bintang xilem berlengan empat di pusat, floem di antara lengannya, selingkar sel dengan dinding radial menebal di sekelilingnya, dan zona lebar berisi sel membulat di luarnya. Kenali organ dan kelompoknya, dengan menyebutkan dua ciri yang menentukan masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 3.5.

Sebuah akar (satu silinder pusat, endodermis, xilem dan floem berselang-seling pada satu jari-jari) tumbuhan dikotil (sedikit lengan xilem, tanpa empulur di pusat).

Latihan 3.6 ★★

Jelaskan, dengan mekanika sebuah balok dan sebuah kabel, mengapa jaringan pengangkut terletak pada cincin tepi di batang dan pada silinder pusat di akar.

Solusi

Solusi Latihan 3.6.

Sebuah balok yang dilenturkan mengalami tegangan terbesar di permukaannya dan tidak sama sekali sepanjang sumbunya, sehingga bahan yang ditempatkan pada cincin tepi menahan lenturan dengan massa paling kecil (sebuah pipa). Sebuah kabel yang ditarik mengalami tegangan merata pada penampangnya dan melentur bebas; untai di pusat memikul tarikannya sementara korteks tetap lentur, dan akar samping dapat menembusnya.

Latihan 3.7 ★★

Sebuah tanaman pertanian memiliki $L = 4$ dan $k = 0.6$ . Berapa fraksi cahaya yang ditangkapnya? Berapa besar kenaikan penangkapannya bila $L$ menjadi 6? Beri tanggapan tentang imbalan daun tambahan itu.

Solusi

Solusi Latihan 3.7.

$1 - e^{-2.4} = 0.91$ ; pada $L = 6$ , $1 - e^{-3.6} = 0.97$ : dua lapis daun lagi menambah $6\,\%$ cahaya sementara memakan biaya $50\,\%$ daun lebih banyak.

Latihan 3.8 ★★

Tanaman gandum hitam Dittmer memiliki $623\,\mathrm{km}$ akar dan $240\,\mathrm{m}^{2}$ permukaan akar. Hitunglah garis tengah akar rata-ratanya. Bila daunnya seluruhnya $5\,\mathrm{m}^{2}$ , berapa rasio permukaan akar ditambah rambut terhadap permukaan daunnya?

Solusi

Solusi Latihan 3.8.

$S = \pi d L$ : $d = 240/(\pi\times 623\,000) = 1.2 \times 10^{-4}\,\mathrm{m}$ , sekitar $0.12\,\mathrm{mm}$ . $(240 + 400)/5 = 128$ .

Latihan 3.9 ★★

Rambut akar selebar $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ dan sepanjang $0.8\,\mathrm{mm}$ , sebanyak $250\,$ tiap milimeter akar. Berapa kali lipat rambut itu melipatgandakan permukaan akar bergaris tengah $0.4\,\mathrm{mm}$ ?

Solusi

Solusi Latihan 3.9.

Permukaan akar tiap mm: $\pi\times 0.4 = 1.26\,\mathrm{mm}^{2}$ . Rambut tiap mm: $250\times\pi\times 0.010\times 0.8 = 6.3\,\mathrm{mm}^{2}$ . Seluruhnya $7.5/1.26 = 6$ : rambutnya melipatgandakan permukaan enam kali.

Latihan 3.10 ★★★

Sebatang pohon di dalam hutan memiliki batang gundul setinggi $20\,\mathrm{m}$ dan tajuk yang kecil; jenis yang sama di ladang lebar dan bercabang mulai $2\,\mathrm{m}$ . Jelaskan kedua bentuk itu dari pertumbuhan bermodul dan nasib tunas ketiak di tempat teduh dan di tempat terang, lalu sebutkan biaya dan keuntungan keplastisan ini.

Solusi

Solusi Latihan 3.10.

Di dalam hutan tunas ketiak yang rendah ternaungi; modul yang akan dibuatnya tidak dapat membayar dirinya sendiri, sehingga tunas itu tinggal tidur atau cabangnya mati, dan pertumbuhannya dialokasikan ke tunas ujung yang berlomba naik ke arah cahaya. Di ladang tiap tunas terkena cahaya dan tiap cabang membayar, sehingga tajuknya terisi penuh sampai bawah. Biayanya: batang jangkung yang kurus adalah tanaman modal besar dalam kayu yang tak menghasilkan, rentan terhadap angin; keuntungannya: tumbuhan itu menyesuaikan bentuknya dengan tempat cahaya berada, tanpa rencana yang tetap.

Latihan 3.11 ★★★

Sebuah xerofit memiliki stomata yang terbenam dalam lekuk berlapis rambut. Jelaskan apa pengaruhnya terhadap gradien uap air antara ruang udara daun dan angin, dan apa biayanya dalam penyerapan karbon dioksida. Mengapa ini pertukaran yang baik di gurun dan yang buruk di hutan hujan?

Solusi

Solusi Latihan 3.11.

Lekuk dan rambutnya menahan selapis udara lembap yang diam di atas liangnya; gradien uap dari ruang udara ke udara yang bergerak terbentang sepanjang lintasan yang lebih panjang dan transpirasinya turun. Karbon dioksida harus berdifusi masuk sepanjang lintasan panjang yang sama, sehingga penyerapannya juga turun, meskipun lebih sedikit, karena gradien $\mathrm{CO_2}$ ditentukan atmosfer dan pemakaian daunnya. Di gurun air adalah sumber daya yang membatasi dan pertukaran itu menyelamatkan hidup tumbuhannya; di hutan hujan air gratis dan perolehan karbonlah yang diganjar persaingan.

Latihan 3.12 ★★★

“Sebuah tumbuhan tidak memiliki lingkungan internal.” Bahaslah dalam satu paragraf: apa yang tidak dimiliki tumbuhan tetapi dimiliki mamalia, apa yang karenanya dihadapi selnya, dan apa yang dilakukannya sebagai gantinya — permukaan, pertumbuhan, dan pengaturan yang memang dijalankannya.

Solusi

Solusi Latihan 3.12.

Tumbuhan tidak memiliki cairan ekstrasel teratur yang dijaga pada suhu dan susunan tetap antara selnya dan dunia luar: selnya menemui air tanah, udara dan sinar matahari secara langsung, dan suhunya adalah suhu udara. Karena itu tiap selnya mengatur isinya sendiri (ion, air, pH) melintasi membran dan dindingnya; tumbuhan itu mengatur pertukarannya pada permukaan (stomata membuka dan menutup, endodermis memilih apa yang masuk ke xilem) dan menyetel tubuhnya lewat pertumbuhan (lebih banyak akar di tanah kering, lebih banyak daun di tempat teduh). Ia memang mengatur, tetapi pengaturannya ada pada permukaan dan pada bentuk, bukan di dalam sebuah cairan pribadi.

3.6 Soal: Permukaan Sebatang Pohon Ek

Soal 3.1

Soal akhir pekan — daun sebatang pohon ek yang dihitung menurut luasnya, stomatanya menurut miliaran, karbon dan airnya menurut kilogram, dan akarnya menurut kilometer, berakhir pada permukaan pertukaran yang dibentangkannya di atas tiap meter persegi tanahnya

Tajuk sebatang pohon ek menaungi $100\,\mathrm{m}^{2}$ tanah dengan indeks luas daun $L = 5$ dan koefisien pemadaman $k = 0.5$ . Permukaan bawah daunnya membawa $150\,$ stoma tiap milimeter persegi; sebuah liang stoma yang terbuka berukuran $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ kali $5\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Dirata-ratakan atas seluruh kanopi dan sebuah hari $12\,\mathrm{h}$ , tiap meter persegi daun menyerap $4\,\text{µ}\mathrm{mol}$ $\mathrm{CO_2}$ dan kehilangan $1\,\mathrm{mmol}$ uap air tiap sekon. Akar halus (garis tengah $0.5\,\mathrm{mm}$ ) membentang $5\,\mathrm{km}$ tiap meter kubik melalui tanah setebal $1\,\mathrm{m}$ di bawah tajuknya; rambut akar ( $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ kali $0.5\,\mathrm{mm}$ ) tumbuh sebanyak $200\,$ tiap milimeter akar halus. Massa molar: $\mathrm{CO_2}$ $44\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , C $12\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , $\mathrm{H_2O}$ $18\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

Bagian I — Daun dan cahaya.

Hitunglah total luas daun satu sisi tajuknya.
Hitunglah fraksi cahaya yang mencapai tanah dan fraksi yang ditangkap.
Hitunglah fraksi yang ditangkap seandainya pohon ek itu hanya memiliki $L = 2$ , dan seandainya $L = 8$ .
Jelaskan dari angka-angka itu mengapa sebatang pohon ek berhenti pada $L \approx 5$ .
Daun rata-rata seluas $50\,\mathrm{cm}^{2}$ . Berapa helai daun yang dibawa tajuknya?

Bagian II — Stomata dan karbon.

Hitunglah banyaknya stoma pada tajuknya.
Hitunglah luas satu liang yang terbuka dan fraksi permukaan bawah daun yang diwakili liang yang terbuka itu.
Hitunglah penyerapan $\mathrm{CO_2}$ tajuknya dalam mol tiap sekon dan dalam gram tiap sekon.
Hitunglah $\mathrm{CO_2}$ yang diserap dalam satu hari $12\,\mathrm{h}$ , dalam kilogram, dan karbon yang dikandungnya.
Sepanjang satu musim tumbuh $150\,$ hari, berapa banyak karbon yang difiksasi tajuknya? Bila separuhnya direspirasi pohon itu sendiri, berapa massa kayu ( $50\,\%$ karbon) yang dapat ditambahkannya?

Bagian III — Air.

Hitunglah air yang hilang dari tajuknya dalam mol dan dalam gram tiap sekon.
Hitunglah kehilangan air hariannya dalam liter.
Hitunglah rasio molekul air yang hilang terhadap molekul $\mathrm{CO_2}$ yang diperoleh. Mengapa rasio itu begitu besar?
Hujan $2\,\mathrm{mm}$ jatuh pada $100\,\mathrm{m}^{2}$ itu. Berapa

Bagian IV — Akar.

Hitunglah volume tanah yang dijelajahi dan total panjang akar halusnya.
Hitunglah permukaan akar halusnya (sebagai tabung).
Hitunglah banyaknya rambut akar.
Hitunglah permukaan rambut akarnya.
Hitunglah total permukaan penyerap di bawah tanah, dan rasionya terhadap luas daun satu sisi.
Akar halusnya berada dalam $1\,\mathrm{mm}$ dari berapa fraksi volume tanahnya? (Anggap tiap akar sebagai sumbu sebuah tabung berjari-jari $1\,\mathrm{mm}$ .)
Bandingkan dengan tanaman gandum hitam pada bab ini ( $620\,\mathrm{km}$ akar dalam $0.05\,\mathrm{m}^{3}$ ): manakah dari kedua tumbuhan itu yang menjelajahi tanahnya lebih saksama, dan berapa kali lipat?
Jumlahkan permukaan daun dua sisi dan permukaan akarnya. Bagilah dengan $100\,\mathrm{m}^{2}$ tanahnya.
Bandingkan ini dengan rasio, bagi seorang manusia, antara permukaan pertukaran yang terlipat ( $130\,\mathrm{m}^{2}$ ) dan permukaan luarnya ( $2\,\mathrm{m}^{2}$ ).
Jelaskan dalam dua kalimat mengapa rasio tumbuhan dapat terus naik sepanjang hidupnya sedangkan rasio mamalia tidak.
Nyatakan hasilnya: permukaan pertukaran yang dibentangkan sebatang pohon ek tiap meter persegi tanahnya, di atas dan di bawah, dalam meter persegi.

Solusi

Solusi Soal 3.1.

1. $5\times 100 = 500\,\mathrm{m}^{2}$ . 2. $e^{-2.5} = 0.082$ mencapai tanah; $92\,\%$ ditangkap. 3. $L = 2$ : $1 - e^{-1} = 63\,\%$ ; $L = 8$ : $1 - e^{-4} = 98\,\%$ . 4. Dari 2 ke 5 tajuknya memperoleh $29\,\%$ cahaya untuk $300\,\mathrm{m}^{2}$ daun; dari 5 ke 8 ia hanya akan memperoleh $6\,\%$ untuk $300\,\mathrm{m}^{2}$ lagi yang biaya pembangunan dan pemasokan airnya sama besar: daun tambahan itu tidak membayar dirinya. 5. $500/0.005 = 100\,000$ helai daun. 6. $500\times 10^6\,\mathrm{mm^2}\times 150 = 7.5 \times 10^{10}$ stoma. 7. $50\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ; tiap mm $^2$ : $150\times 50\times 10^{-6} = 7.5 \times 10^{-3}\,\mathrm{mm}^{2}$ , yakni $0.75\,\%$ permukaannya. 8. $500\times 4\times 10^{-6} = 2 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}/\mathrm{s}$ , yakni $88\,\mathrm{mg}/\mathrm{s}$ . 9. $0.088\times 43\,200 = 3.8\,\mathrm{kg}$ $\mathrm{CO_2}$ , yang mengandung $3.8\times 12/44 = 1.04\,\mathrm{kg}$ karbon. 10. $150\times 1.04 = 156\,\mathrm{kg}$ karbon; separuhnya, $78\,\mathrm{kg}$ , menjadi kayu berkadar karbon $50\,\%$ : $156\,\mathrm{kg}$ kayu. 11. $500\times 10^{-3} = 0.5\,\mathrm{mol}/\mathrm{s}$ , yakni $9\,\mathrm{g}/\mathrm{s}$ . 12. $9\times 43\,200 = 389\,\mathrm{kg}$ , sekitar $390\,\mathrm{L}$ . 13. $0.5/(2\times 10^{-3}) = 250$ molekul air tiap $\mathrm{CO_2}$ . Liang yang meloloskan $\mathrm{CO_2}$ masuk meloloskan air keluar; udara di dalam jenuh sedangkan $\mathrm{CO_2}$ hanya $0.04\,\%$ udara luar, sehingga gradien uap ke luar jauh lebih curam daripada gradien $\mathrm{CO_2}$ ke dalam. 14. $2\,\mathrm{mm}\times100\,\mathrm{m}^{2} = 200\,\mathrm{L}$ : setengah hari. 15. $100\,\mathrm{m}^{3}$ ; $5\times 100 = 500\,\mathrm{km}$ . 16. $\pi\times 0.5\times 10^{-3}\times 5\times 10^5 = 785\,\mathrm{m}^{2}$ . 17. $200\times 5\times 10^8\,\mathrm{mm} = 1 \times 10^{11}$ rambut. 18. Masing-masing $\pi\times 10^{-5}\times 5\times 10^{-4} = 1.57 \times 10^{-8}\,\mathrm{m}^{2}$ ; seluruhnya $1570\,\mathrm{m}^{2}$ . 19. $785 + 1570 = 2355\,\mathrm{m}^{2}$ , $4.7$ kali luas daunnya. 20. Volume dalam $1\,\mathrm{mm}$ : $\pi\times(10^{-3})^2\times 5 \times 10^5 = 1.6\,\mathrm{m}^{3}$ , yakni $1.6\,\%$ tanahnya. 21. Gandum hitam: $\pi\times 10^{-6}\times 6.2\times 10^5 = 1.95\,\mathrm{m}^{3}$ dari kotak $0.05\,\mathrm{m}^{3}$ , yakni $3900\,\%$ : tiap titik tanahnya berada dalam satu milimeter dari empat puluh akar. Gandum hitam itu menjelajahi tanahnya lebih dari dua ribu kali lebih saksama — tanaman pertanian dengan anggaran empat bulan berhadapan dengan sebatang pohon yang menjelajahi seratus meter kubik. 22. $1000 + 2355 = 3355\,\mathrm{m}^{2}$ ; $34\,\mathrm{m}^{2}$ tiap meter persegi tanah. 23. Manusia: $130/2 = 65$ ; rasio pohon ek itu separuh rasio permukaan terlipat manusia, tanpa pelipatan sama sekali. 24. Pohon ek menambah modul, daun dan akar tiap tahun, sehingga permukaannya tumbuh bersama umurnya; permukaan mamalia adalah organ yang tetap, lengkap pada ukuran dewasa, dan satu-satunya cara menaikkan rasionya adalah melipatnya selama perkembangan. 25. Sekitar $34\,\mathrm{m}^{2}$ permukaan pertukaran tiap meter persegi tanah: $10\,\mathrm{m}^{2}$ daun (kedua sisinya) di atas dan $24\,\mathrm{m}^{2}$ akar dan rambut akar di bawah.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 479 istilah di glosarium