Bagaimana Cacing Laut Ini Dapat Mengenali Moonglow Dari Sinar Matahari | Majalah Kuanta

Pada suatu malam musim panas di Teluk Napoli, gerombolan cacing berenang dari padang lamun menuju permukaan air di bawah cahaya bulan yang memudar. Tidak lama kemudian, makhluk-makhluk ini mulai mengalami metamorfosis seksual yang mengerikan: sistem pencernaan mereka melemah, otot-otot renang mereka tumbuh, sementara tubuh mereka dipenuhi telur atau sperma. Makhluk seukuran jari ini, yang kini tidak lebih dari kantung otot sel kelamin, terbang ke permukaan secara serempak dan, selama beberapa jam, saling berputar-putar dalam tarian pernikahan yang riuh. Mereka melepaskan telur dan sperma yang tak terhitung jumlahnya ke teluk – dan kemudian waltz yang diterangi cahaya bulan berakhir dengan kematian cacing-cacing tersebut.

Cacing bulu laut Platynereis dumerilii hanya mendapat satu kesempatan untuk kawin, jadi tarian terakhirnya sebaiknya tidak dilakukan sendirian. Untuk memastikan banyak cacing berkumpul pada waktu yang sama, spesies ini menyinkronkan waktu reproduksinya dengan siklus bulan.

Bagaimana cacing bawah laut bisa mengetahui kapan bulan paling terang? Jawaban evolusi adalah jam langit yang tepat yang dibuat oleh sebuah molekul yang dapat mendeteksi sinar bulan dan menyelaraskan kehidupan reproduksi cacing dengan fase bulan.

Tidak ada seorang pun yang pernah melihat cara kerja salah satu molekul cahaya bulan ini. Namun baru-baru ini, dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Alam Komunikasi, peneliti di Jerman menentukan struktur yang berbeda yang diserap oleh salah satu protein pada cacing berbulu dalam kegelapan dan sinar matahari. Mereka juga menemukan rincian biokimia yang membantu menjelaskan bagaimana protein membedakan antara sinar matahari yang lebih terang dan cahaya bulan yang lebih lembut.

Ini adalah pertama kalinya para ilmuwan menentukan struktur molekul protein apa pun yang bertanggung jawab untuk menyinkronkan jam biologis dengan fase bulan. “Saya tidak mengetahui adanya sistem lain yang telah diteliti dengan tingkat kecanggihan seperti ini,” kata ahli biokimia tersebut. Brian Derek dari Cornell University, yang tidak terlibat dalam studi baru ini.

Penemuan semacam ini mungkin relevan dengan fisiologi berbagai jenis makhluk, termasuk manusia. “Kami tidak memiliki contoh lain di mana kami memahami mekanisme ini secara molekuler secara mendetail,” katanya Eva Serigala, seorang ahli biokimia di Universitas Johannes Gutenberg Mainz di Jerman yang merupakan salah satu penulis makalah ini. “Studi ini membantu kita mulai mengetahui cara kerja osilator cahaya bulan dan sinkronisasi dengan fase bulan.”

Meskipun saat ini kita lebih sering terbangun karena bunyi jam alarm dibandingkan saat fajar menyingsing, tubuh kita tetap menjaga waktu dengan sinar matahari. Pada manusia, seperti pada banyak hewan lainnya, penunjuk waktu biologis canggih yang disebut jam sirkadian menyinkronkan ritme tubuh dengan detak fajar dan malam. Protein kriptokrom adalah bagian penting dari jam sirkadian banyak organisme, baik dalam penginderaan cahaya, seperti pada tumbuhan, atau berkoordinasi dengan protein lain yang melakukan hal tersebut, seperti pada manusia.

Meski ratusan ribu kali lebih redup dibandingkan matahari, bulan juga menyinari bumi dengan jadwal yang teratur. Siklus penuh, dari bulan baru ke bulan purnama dan kembali lagi, berlangsung selama 29.5 hari. Banyak organisme, terutama berbagai jenis biota laut, menggunakan kalender lunar ini sebagai jam yang dapat diandalkan. Karang, kerang, cacing laut, dan bahkan beberapa ikan diketahui mengatur waktu aktivitas reproduksinya agar sesuai dengan fase bulan.

Untuk menyelaraskan jam sirkular mereka, organisme harus merasakan cahaya bulan dan membedakannya dari sinar matahari, yang pada dasarnya merupakan jenis cahaya yang sama, hanya saja jauh lebih kuat. Bagaimana tepatnya sel mengatur kalender lunar – untuk membedakan tidak hanya cahaya bulan dari sinar matahari, tetapi juga bulan purnama dari bulan baru – sebagian besar masih misterius.

Baru-baru ini, para ilmuwan mulai bertanya-tanya apakah kriptokrom mungkin terlibat dalam jam bulan, karena mereka berada dalam ritme sirkadian. Pada tahun 2007, para ilmuwan menemukan petunjuk pada karang tertentu, yang mengekspresikan protein kriptokrom lebih aktif di bawah cahaya.

Beberapa tahun lalu, Wolf bergabung dengan ahli kronobiologi Kristin Tessmar-Raible Max Perutz Labs Universitas Wina untuk berkembang P. bodoh, karena ia menyinkronkan reproduksinya dengan fase bulan. Mereka membuktikan bahwa kriptokrom penginderaan cahaya yang disebut L-Cry adalah bagian penting dari jam bulan cacing tersebut. Kerja tim mereka, diterbitkan dalam 2022, menunjukkan bahwa protein dapat membedakan kegelapan dari sinar matahari, serta cahaya bulan.

Namun, tidak jelas bagaimana protein tersebut bekerja. Faktanya, tidak ada satu pun jam sirkulasi organisme yang dipahami pada tingkat biokimia.

“Hal ini telah diabaikan,” kata Wolf. “Sinyal cahaya bulan yang kecil itu tidak ditanggapi dengan serius. Selalu ada matahari versus kegelapan.”

Untuk mempelajari cara kerja L-Cry, para peneliti ingin menangkap bagaimana strukturnya berubah ketika terkena cahaya. Wolf mengirimkan protein cacing L-Cry ke Universitas Cologne agar dapat diambil gambarnya Elmar Behrmannlaboratorium biokimia struktural, yang mengkhususkan diri pada protein sensitif dan fana. Namun tim Behrmann yang berpengalaman berjuang selama bertahun-tahun untuk membuat L-Cry berperilaku cukup baik untuk dicitrakan oleh mikroskop krio-elektron mereka.

Mereka tidak mengetahuinya pada saat itu, tetapi cahaya sedang menyelinap ke dalam sampel. “Mungkin selama satu setengah tahun, ketika kami mengira kami bekerja dalam kegelapan, ternyata kami tidak cukup gelap,” kata Behrmann. Setelah menutupi setiap celah pintu dan LED yang berkedip dengan pita silikon hitam, mereka akhirnya mendapatkan gambaran yang jelas.

Dalam gelap, P.dumeriliiProtein L-Cry pada manusia berpasangan sebagai pasangan terikat yang disebut dimer. Saat terkena sinar matahari yang terik, dimer terpecah lagi menjadi dua monomer.

Ini adalah kebalikan dari cara kriptokrom penginderaan cahaya membedakan sinar matahari dari kegelapan pada tanaman, kata Crane. Kriptokrom tanaman berkumpul di bawah sinar matahari dan pecah dalam kegelapan.

Bentuk cahaya bulan L-Cry tidak ditangkap secara langsung dalam eksperimen ini, namun pemahaman baru tentang struktur dimer mengungkapkan bagaimana L-Cry membedakan cahaya bulan dari sinar matahari. Bentuk protein cahaya bulan hanya dapat tercipta dari peredup kegelapan — bukan dari bentuk sinar matahari yang mengambang bebas. Hal ini membantu menjelaskan bagaimana cacing menghindari kesalahan mengira cahaya redup fajar dan senja sebagai cahaya bulan.

Meskipun penelitian ini hanya berfokus pada satu protein dalam satu hewan, ada alasan untuk berpikir bahwa mekanisme waktu bulan ini adalah bagian dari kisah evolusi yang melampaui kisah cinta tragis cacing bulu yang diterangi cahaya bulan. “Sangat mungkin jenis kriptokrom lain juga menggunakan mekanisme jenis ini,” kata Crane.

Hewan lain mempunyai siklus reproduksi bulanan, meskipun mereka tidak terkait langsung dengan bulan. Kita manusia, misalnya, memiliki siklus yang panjangnya sama dengan siklus bulan, kata Tessmar-Raible. “Siklus menstruasi, menurut definisi, adalah osilator bulanan.”

Kemungkinan peran fase bulan dalam sinkronisasi siklus menstruasi manusia adalah sangat kontroversial. Meski begitu, menstruasi, bulan, dan bulan bisa mempunyai kesamaan lebih dari sekedar akar etimologis. Hormon cacing berbulu yang berayun selaras dengan fase bulan memiliki kesamaan dengan manusia, kata Tessmar-Raible. “Saya rasa tidak berlebihan untuk mengatakan bahwa cacing dapat membuka jalan bagi [pemahaman] waktu reproduksi bulanan pada manusia.” Mungkin ritme 28 hari modern kita adalah sisa-sisa evolusi, yang dirangkai dari potongan-potongan jam seluler yang lebih tua, yang, di laut purba yang dangkal, pernah membantu cacing laut menjaga waktu terhadap siklus bulan.

Quanta sedang melakukan serangkaian survei untuk melayani audiens kami dengan lebih baik. Ambil milik kami survei pembaca biologi dan anda akan diikut sertakan untuk menang secara gratis Quanta dagangan.