Di antara amfibi, salamander Hydromantes adalah juara dalam kecepatan tembak lidah. Dalam waktu kurang dari lima milidetik, ia dapat menangkap serangga malang yang sedang terbang - kali ini termasuk kerja otot, tulang rawan, dan bagian kerangka. Jika Anda membandingkan anatomi balistik ini dengan katak dan bunglon, bunglon adalah sloop. David Wake, seorang ahli biologi evolusi di University of California, Berkeley, berkata: “Saya telah menghabiskan waktu sekitar 50 tahun untuk mempelajari evolusi bahasa salamander. Ini benar-benar menarik, karena secara umum mereka tidak berbeda dalam kecepatan tinggi, namun mereka dapat membuat pergerakan tercepat dari yang pernah ada pada vertebrata yang saya kenal. Sepanjang perkembangannya, evolusi telah menemukan cara yang lebih efisien untuk memastikan perburuan yang sukses dengan bahasa. Adaptasi mereka yang tampaknya unik tampaknyadikembangkan secara independen dalam tiga spesies salamander yang tidak terkait. Ini adalah contoh evolusi konvergen, ketika individu yang berbeda secara independen mengembangkan adaptasi biologis yang serupa di bawah pengaruh faktor lingkungan yang sama. Salamander adalah contoh favorit yang dikutip Wake ketika ditanyai pertanyaan lama tentang biologi evolusi: Jika Anda memutar ulang pita evolusi, akankah pita itu terulang kembali? Rupanya inilah yang terjadi pada kasus salamander; dengan organisme lain ini mungkin tidak terjadi.jika Anda memundurkan rekaman evolusi, apakah itu akan terulang kembali? Rupanya inilah yang terjadi pada kasus salamander; dengan organisme lain ini mungkin tidak terjadi.jika Anda memundurkan rekaman evolusi, apakah itu akan terulang kembali? Rupanya inilah yang terjadi pada kasus salamander; dengan organisme lain ini mungkin tidak terjadi.
Pertanyaan ini diketahui pertama kali diajukan oleh ahli biologi evolusioner yang baru saja meninggal Stephen Jay Gould pada tahun 1989 dalam bukunya Amazing Life: The Burgess Shales and the Nature of History, yang diterbitkan di era ketika orang masih mendengarkan musik di kaset. Buku itu menceritakan tentang fosil yang ditemukan di serpih Burgess, sisa-sisa dari berbagai hewan aneh yang hidup di planet kita sekitar 520 juta tahun yang lalu, selama periode Kambrium. Hampir semua hewan yang ada saat ini memiliki nenek moyang yang hidup di zaman Kambrium, tetapi tidak semua hewan dari zaman itu memiliki keturunan di zaman kita. Banyak individu Kambrium punah karena mereka tidak cukup cocok dengan perjuangan untuk bertahan hidup, atau karena mereka berada di tempat yang salah pada waktu yang salah ketika gunung berapi meletus, meteorit jatuh, atau peristiwa dahsyat lainnya terjadi.
Gould melihat keragaman hewan yang luar biasa di Burgess dan berspekulasi bahwa flora dan fauna kita akan terlihat berbeda jika sejarah berbalik ke arah lain. Dia menyarankan bahwa mutasi yang kacau dan kepunahan spesies, yang dia sebut "kecelakaan historis", akan bertumpuk satu sama lain, menggerakkan evolusi ke satu arah atau yang lain. Menurut Gould, keberadaan hewan apa pun, termasuk manusia, adalah fenomena langka, yang pengulangannya, dalam kasus "mundur dan luncurkan" dari periode Kambrium, tidak mungkin terjadi. Dalam bukunya, Gould sering merujuk pada karya tentang fosil Burgess oleh ahli paleontologi Simon Conway Morris dari University of Cambridge, tetapi ilmuwan itu sendiri sangat tidak setuju dengan sudut pandang Gould.
Conway Morris percaya bahwa seiring waktu, seleksi alam memaksa organisme menjalani serangkaian adaptasi untuk mengisi relung ekologi Bumi yang terbatas. Ini mengarah pada fakta bahwa spesies yang tidak terkait secara konsisten berkumpul dalam struktur tubuh. “Hewan harus membangun dirinya sendiri sesuai dengan persyaratan fisik, kimia dan biologi dunia ini,” katanya. Conway yakin bahwa pembatasan semacam itu membuat hampir tak terhindarkan bahwa dalam kasus "pemutaran ulang pita" evolusi cepat atau lambat akan menyebabkan munculnya organisme yang mirip dengan yang ada di dunia kita. Jika nenek moyang monyet kita tidak mengembangkan otak dan pikiran yang melekat padanya, menurut ilmuwan, cabang lain seperti burung gagak atau lumba-lumba dapat menempati relung di mana manusia berada sekarang. Tapi Gould tidak setuju.
Kedua ilmuwan tersebut mengakui bahwa keacakan dan konvergensi (perkembangan independen sampai munculnya tanda yang serupa - kira-kira. Alasan baru) terjadi dalam evolusi. Sebaliknya, diskusi berfokus pada bagaimana adaptasi kunci yang unik atau berulang seperti pikiran manusia. Sementara itu, ahli biologi lain telah menangani teka-teki tersebut dan telah menunjukkan bagaimana konvergensi dan keacakan saling mempengaruhi. Memahami interaksi kekuatan-kekuatan ini dapat membantu kita mengetahui apakah segala sesuatu yang hidup adalah hasil dari kebetulan 7 miliar tahun, atau apakah kita semua - manusia dan salamander - adalah bagian dari keniscayaan, seperti kematian atau pajak.
Alih-alih mencoba menciptakan kembali sejarah menggunakan fosil, Richard Lenski, seorang ahli biologi evolusioner di Universitas Michigan, memutuskan untuk mengamati fenomena konvergensi dan kebetulan secara real time di lingkungan terkontrol di laboratoriumnya. Pada tahun 1988, ia membagi populasi bakteri Escherichia coli dan menempatkannya di 12 reservoir terpisah dari media kultur cair, sehingga memungkinkan mereka untuk tumbuh secara mandiri satu sama lain. Selama 26 tahun ini, setiap beberapa bulan, dia atau salah satu muridnya telah membekukan satu kumpulan bakteri. Kit kuman beku ini memberi Richard kemampuan untuk "memulai kembali film" dari siklus hidup E. coli dari saat mana pun yang diinginkannya hanya dengan mencairkan satu bagian. Selama seluruh proses, dia dapat memeriksa,bagaimana bakteri berubah - baik dari segi genetika maupun dari segi apa yang hanya bisa dilihat di bawah mikroskop. Lenski menjelaskan: "Seluruh eksperimen disiapkan untuk menguji seberapa berulang evolusi itu."
Di 11 reservoir Lenski, ukuran E. coli tumbuh, tetapi bakteri pada sampel kedua belas terpecah menjadi dua cabang independen - satu dengan sel besar, yang lain dengan sel kecil. Lenski berkata: “Kami menyebutnya 'besar' dan 'kecil'. Mereka telah hidup berdampingan selama 50 ribu generasi”. Ini tidak terjadi pada populasi lain; karenanya, kita dapat menyimpulkan bahwa peristiwa acak secara evolusioner terjadi. Dan bahkan 26 tahun kemudian, tidak ada percobaan lain yang mengulangi kemunculan cabang seperti itu. Jadi, dalam situasi ini, peluang tampaknya lebih unggul daripada konvergensi.
Pada tahun 2003, ada episode kecelakaan lainnya. Jumlah batang di salah satu waduk meningkat sedemikian rupa sehingga media budidaya yang biasanya transparan menjadi keruh. Pada awalnya, Lenski memutuskan bahwa ada kontaminasi normal pada lingkungan, tetapi ternyata, E. coli, yang biasanya hanya memakan glukosa yang terlarut dalam cairan, mengembangkan kemampuan untuk mengonsumsi elemen lain yang terkandung di dalam reservoir: sitrat. Setelah 15 tahun dan 31.500 generasi, hanya satu koloni yang mampu memproses zat ini. Jumlah bakteri di dalamnya mulai bertambah 5 kali lebih cepat dibandingkan di koloni lain.
Video promosi:
"Kecelakaan bersejarah" ini memberi Richard dan lulusannya Zachary Blount kesempatan untuk menguji kemungkinan kejadian seperti itu terjadi lagi jika mereka "memutar ulang rekamannya". Blount dipilih dari penyimpanan 72 sampel tongkat beku yang dikumpulkan pada berbagai tahap percobaan dari populasi yang kemudian dapat memasukkan sitrat ke dalam metabolismenya. Dia mencairkannya dan menstimulasi reproduksi mereka. Segera, 4 dari 72 sampel mengembangkan kemampuan yang sama untuk mengonsumsi sitrat. Menariknya, mutasi ini hanya terjadi pada populasi yang dibekukan setelah siklus 30.500 generasi. Analisis genetik menunjukkan bahwa tidak lama sebelum ini, beberapa gen mengalami perubahan yang berkontribusi pada munculnya evolusi dengan metabolisme sitrat. Dengan kata lain, kemampuan menyerap sitrat bergantung pada terjadinya mutasi lain yang mendahuluinya. Itu menciptakan sebuah garpumengubah jalur yang mungkin diambil oleh generasi mendatang.
Dikenal sebagai Eksperimen Evolusi Jangka Panjang, proyek E. coli ini sekarang telah melintasi 60.000 generasi, memberi Richard kumpulan data yang solid untuk menarik kesimpulan tentang interaksi kebetulan dan konvergensi dalam evolusi. Perubahan halus pada DNA bakteri, membuatnya lebih besar atau lebih mampu berkembang biak dengan cepat, telah menjadi kejadian yang sering terjadi di berbagai reservoir. Pada saat yang sama, Lenski menyaksikan peristiwa acak yang "mengejutkan" di mana sesuatu yang sama sekali berbeda dari yang lain terjadi di salah satu populasi. Tetapi seperti dalam fenomena konvergensi, transformasi semacam itu tidak sepenuhnya acak.
"Tidak semuanya mungkin," apa pun prosesnya, Wake menjelaskan: "Organisme berkembang dalam konteks karakteristik yang diwariskan." Hewan tidak dapat menularkan mutasi yang merusak atau mencegah reproduksi. Dalam kasus salamander Hydromantes, leluhurnya harus mengatasi batasan yang signifikan: untuk mendapatkan lidah penembakan mereka, perlu mengorbankan paru-paru mereka. Ini karena bagian dari mekanisme ini berkembang dari otot yang digunakan oleh pendahulunya untuk memompa udara ke paru-paru. Saat ini, otot yang tadinya kecil dan lemah ini menjadi jauh lebih besar dan lebih kuat. Ini melingkar seperti pegas di sekitar tulang berbentuk kerucut di bagian belakang rongga mulut, dan ketika otot berkontraksi, tulang menciptakan ketegangan, yang menembakkan lidah bersama dengan peralatan tulangnya dari mulut. Dengan demikian, nenek moyang Hydromantes tidak hanya memperoleh mutasi,yang berkembang menjadi "bahasa balistik". Sebaliknya, adaptasi ini mengikuti serangkaian perubahan yang pertama kali memungkinkan makhluk itu mengatasi ketergantungan paru-parunya pada oksigen dan mengapung ke permukaan air. Setiap perubahan bergantung pada yang sebelumnya.
Bunglon, pada gilirannya, mempertahankan paru-paru mereka. Alih-alih mengutak-atik anatomi mereka, mereka mengembangkan kolagen, memungkinkan lidah untuk menembak mangsa. Sekilas, bahasa salamander dan bunglon adalah contoh konvergensi, tetapi jika Anda perhatikan lebih dekat, jelaslah bahwa tidak demikian. Bunglon membutuhkan waktu 20 milidetik untuk menembak, yang merupakan kecepatan siput dibandingkan dengan lima milidetik salamander. Mengapa bunglon mendapatkan bahasa yang lambat? Jawaban: Mereka menghadapi rintangan di jalur evolusi konvergen. Lidah bunglon cukup cepat bagi mereka untuk bertahan hidup, tetapi mereka kekurangan "struktur sifat yang diwariskan" untuk mengembangkan anatomi balistik salamander yang lebih mematikan. Bunglon telah mencapai "puncak adaptif", kata ahli biologi.
Dalam percobaan dengan virus yang menginfeksi bakteri - bakteriofag - ahli biologi Harvard David Liu juga menemukan puncak adaptif. Puncak ini membatasi kemampuan organisme untuk berkumpul pada satu struktur yang optimal. Mereka menjelaskan mengapa kecelakaan tidak sering terjadi.
Liu ingin tahu apakah kelompok bakteriofag yang identik dapat secara mandiri mengembangkan enzim yang sama jika tekanan evolusi yang sama diterapkan pada mereka. Dia mempercepat evolusi protein pada virus menggunakan sistem yang disebut PACE.
Selama percobaan, virus yang gagal menghasilkan enzim yang dibutuhkan Liu dikeluarkan dari percobaan. Hanya mereka yang telah mencapai tujuan yang tersisa. Beberapa di antaranya ternyata enzimnya "lebih baik" dari yang lain. Dalam hal ini, mereka membutuhkan enzim polimerase, yang mendeteksi urutan DNA tertentu dan mengubahnya menjadi RNA, dan beberapa polimerase mengenali urutan tersebut lebih akurat daripada yang lain. Seperti bahasa bunglon yang relatif lambat, virus ini telah mengembangkan adaptasi yang memungkinkan mereka untuk bertahan hidup, tetapi mencegah mereka mendapatkan polimerase terbaik. Beberapa virus macet di puncak rendah, beberapa naik lebih tinggi.
Untuk memahami apa yang dimaksud para ahli biologi dengan puncak adaptif, bayangkan suatu daerah yang topografinya mewakili tingkat potensi reproduksi yang tinggi dan rendah. Dalam kasus bakteriofag Liu, populasi yang berbeda mempelajari daerah tersebut, memperoleh mutasi yang berbeda. Beberapa berakhir di bukit kecil, beberapa di gunung seukuran Everest. Maka mereka mulai mendaki ke puncak yang mereka dapatkan. Setelah mendaki gunung yang rendah, virus tidak dapat berpindah ke gunung lain yang lebih tinggi. Untuk melakukan ini, pertama-tama mereka harus mundur, mengurangi peluang bertahan hidup di setiap langkah. Sangat sulit untuk melakukan ini, karena seseorang tidak boleh melupakan survival of the fittest. Mutasi mana yang akan terjadi sebelum yang lain - puncak mana yang menuju tubuh - ini adalah kecelakaan historis, yang hanya dapat diatasi oleh evolusi konvergen dengan susah payah,jika bisa sama sekali.
Waktu munculnya mutasi itu penting. "Peristiwa acak awal yang menciptakan perbedaan dalam kumpulan gen dapat secara signifikan memengaruhi apakah mutasi yang menguntungkan pada akhirnya dapat memengaruhi kelangsungan hidup organisme," jelas Liu. "Kecelakaan ini mengurangi pengulangan evolusi." Dalam percobaan ini, keacakan mengatasi konvergensi. Peristiwa yang terjadi mencegah terulangnya kembali.
Salah satu cara kehidupan mengatasi keterbatasan puncak adaptif ditemukan selama studi organisme digital oleh ahli biologi komputer di Michigan State University Chris Adami dan Charles Ofria. Mereka menciptakan program komputer Avida, di mana organisme digital berevolusi dalam kondisi yang ditetapkan oleh pelaku eksperimen. Avida bermutasi, secara acak memperoleh dan kehilangan baris kode yang memungkinkan mereka memecahkan masalah matematika, yang meningkatkan kemampuan mereka untuk bereproduksi.
Dalam satu percobaan, Avidian ditugaskan untuk mendapatkan kemampuan untuk memecahkan masalah logis yang kompleks dari "identitas bitwise." Hanya 4 dari 50 populasi digital yang telah mengembangkan kode yang diperlukan untuk melakukan operasi. Semua populasi yang berhasil pada awalnya menerima banyak mutasi (baris kode acak) yang memperumit pemecahan masalah matematika dan, karenanya, mereproduksi. Kedengarannya paradoks, Ofria menemukan bahwa mutasi buruk awal memainkan peran kunci dalam meningkatkan kebugaran pada generasi selanjutnya, mungkin karena mereka menciptakan keragaman genetik yang darinya mutasi acak baru dapat muncul.
Apakah kelangkaan rangkaian peristiwa mana pun menegaskan bahwa perubahan besar dalam evolusi tidak mungkin terjadi lagi? Secara eksperimental, ini benar, tetapi Conway Morris dengan tegas mengatakan tidak. “Sangat bodoh untuk berpikir bahwa tidak ada kecelakaan sama sekali. Satu-satunya pertanyaan adalah waktu. Dia percaya bahwa dengan cukup waktu dan genom mutasi, seleksi alam akan membawa kehidupan pada adaptasi yang tak terelakkan, paling sesuai dengan relung ekologi organisme, terlepas dari kemungkinan yang muncul. Dia percaya bahwa suatu hari nanti semua bakteri E.coli dalam percobaan Lenski akan mulai menyerap sitrat dan semua virus Liu akan mendaki Gunung Everest mereka. Selain itu, eksperimen ini dilakukan di lingkungan yang sangat sederhana dan terkontrol, tidak seperti ekosistem kompleks tempat kehidupan di luar laboratorium beradaptasi. Sulit untuk dikatakan,pengaruh dunia nyata akan mengubah eksperimen.
Sampai saat ini, kesalahan terbesar dalam semua upaya untuk menjawab pertanyaan film kehidupan adalah bahwa ahli biologi hanya dapat menarik kesimpulan dari satu biosfer - Bumi. Pertemuan dengan organisme luar angkasa akan memberi tahu kita banyak hal. Bahkan jika organisme asing tidak memiliki DNA, kemungkinan besar mereka akan menunjukkan pola evolusi yang serupa. Mereka akan membutuhkan beberapa bahan untuk diteruskan ke keturunannya, memandu perkembangan organisme dan berubah seiring waktu. Seperti yang dikatakan Lenski, "Apa yang benar untuk E. coli juga berlaku untuk mikroba di seluruh alam semesta."
Oleh karena itu, interaksi yang sama antara konvergensi dan kebetulan dapat diamati di planet lain. Dan jika kehidupan ekstraterestrial mengalami tekanan evolusioner dari lingkungan yang mirip dengan yang dialami oleh kehidupan duniawi, orang-orang di masa depan mungkin menemukan alien yang secara konvergen mengembangkan kecerdasan yang mirip dengan kita. Di sisi lain, jika peristiwa acak terakumulasi, menjalani kehidupan di sepanjang jalur yang unik, seperti yang disarankan Gould, kehidupan di luar bumi bisa menjadi sangat aneh.
Gould percaya bahwa manusia adalah "peristiwa evolusi yang sangat tidak mungkin". Sebagai bukti, ia menunjukkan bahwa dalam 2,5 miliar tahun kehidupan di Bumi, kecerdasan manusia hanya muncul sekali. Dia menganggap kemungkinan spesies lain akan mengembangkan kecerdasan seperti kita sangat kecil. Dari fakta bahwa kita mungkin satu-satunya spesies cerdas di alam semesta, kita dapat menarik kesimpulan yang melampaui biologi. "Beberapa orang melihat kemungkinan ini sebagai alasan untuk depresi," tulis Gould dalam The Wonderful Life. "Saya selalu menganggap dia menyegarkan, sumber kebebasan dan, sebagai konsekuensinya, tanggung jawab moral."
Zach Zorich
Terjemahan dilakukan oleh proyek Baru
