Mata Moluska Mengungkapkan Bagaimana Evolusi Masa Depan Bergantung pada Masa Lalu | Majalah Kuanta

Para ahli biologi sering bertanya-tanya apa yang akan terjadi jika mereka dapat memundurkan sejarah kehidupan dan membiarkan evolusi terjadi lagi. Akankah garis keturunan organisme berevolusi dengan cara yang sangat berbeda jika diberi kesempatan tersebut? Atau apakah mereka cenderung mengembangkan jenis mata, sayap, dan sifat adaptif lainnya yang sama karena sejarah evolusi mereka sebelumnya telah mengarahkan mereka ke jalur perkembangan tertentu?

A makalah baru yang diterbitkan hari ini in Ilmu menjelaskan kasus uji yang langka dan penting untuk pertanyaan tersebut, yang merupakan hal mendasar untuk memahami bagaimana evolusi dan perkembangan berinteraksi. Sebuah tim peneliti di Universitas California, Santa Barbara menemukannya saat mempelajari evolusi penglihatan pada sekelompok moluska yang disebut kiton. Pada kelompok hewan tersebut, para peneliti menemukan bahwa dua jenis mata – bintik mata dan mata cangkang – masing-masing berevolusi dua kali secara independen. Suatu garis keturunan tertentu dapat mengembangkan satu jenis mata atau lainnya, namun tidak pernah dapat mengembangkan keduanya.

Menariknya, jenis mata yang dimiliki suatu garis keturunan ditentukan oleh ciri-ciri tua yang tampaknya tidak berhubungan: jumlah celah pada pelindung cangkang chiton. Hal ini merupakan contoh dunia nyata dari “evolusi yang bergantung pada jalur,” di mana sejarah suatu garis keturunan membentuk lintasan evolusi masa depan yang tidak dapat ditarik kembali. Titik-titik kritis dalam suatu garis keturunan bertindak seperti pintu satu arah, membuka beberapa kemungkinan sekaligus menutup pilihan-pilihan lain demi kebaikan.

“Ini adalah salah satu kasus pertama [di mana] kita benar-benar dapat melihat evolusi yang bergantung pada jalur,” katanya Rebecca Varney, rekan pascadoktoral di Laboratorium Todd Oakley di UCSB dan penulis utama makalah baru. Meskipun evolusi yang bergantung pada jalur telah diamati pada beberapa bakteri yang tumbuh di laboratorium, “menunjukkan hal tersebut dalam sistem alami merupakan hal yang sangat menarik untuk dapat dilakukan.”

“Selalu ada dampak sejarah terhadap masa depan suatu sifat tertentu,” katanya Lauren Sumner-Rooney, yang mempelajari sistem visual invertebrata di Institut Leibniz untuk Ilmu Evolusi dan Keanekaragaman Hayati dan tidak terlibat dalam studi baru ini. “Hal yang sangat menarik dan menggairahkan tentang contoh ini adalah bahwa penulisnya tampaknya telah menunjukkan dengan tepat momen di mana Anda mendapatkan perpecahan itu.”

Oleh karena itu, chiton “kemungkinan besar akan dimasukkan dalam buku pelajaran evolusi di masa depan” sebagai contoh evolusi yang bergantung pada jalur, kata Dan-Eric Nilsson, seorang ahli ekologi visual di Universitas Lund di Swedia yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

Chiton, moluska kecil yang hidup di bebatuan pasang surut dan di laut dalam, bagaikan tangki kecil yang dilindungi oleh delapan lempeng cangkang – sebuah bentuk tubuh yang relatif stabil selama sekitar 300 juta tahun. Bukannya menjadi pelindung yang lembam, pelat cangkang ini dihiasi dengan organ sensorik yang memungkinkan chiton mendeteksi kemungkinan ancaman.

Organ indera terdiri dari tiga jenis. Semua kiton memiliki estetika, sebuah reseptor sinestetik liar yang memungkinkan mereka merasakan cahaya serta isyarat kimia dan mekanik di lingkungan. Beberapa chiton juga memiliki sistem visual yang baik: ribuan titik mata penginderaan cahaya atau ratusan cangkang mata yang lebih kompleks, yang memiliki lensa dan retina untuk menangkap gambar kasar. Hewan bermata cangkang dapat mendeteksi predator yang mendekat, sebagai responsnya mereka menempel erat pada batu.

Untuk memahami bagaimana variasi mata chiton ini berevolusi, tim peneliti yang dipimpin oleh Varney mengamati kekerabatan ratusan spesies chiton. Mereka menggunakan teknik yang disebut exome capture untuk mengurutkan bagian-bagian strategis DNA dari spesimen lama dalam koleksi Doug Eernisse, spesialis chiton di California State University, Fullerton. Secara keseluruhan, mereka mengurutkan DNA dari lebih dari 100 spesies yang dipilih dengan cermat untuk mewakili keseluruhan keanekaragaman kiton, menyusun filogeni (atau pohon hubungan evolusi) paling komprehensif untuk kiton hingga saat ini.

Kemudian para peneliti memetakan jenis mata yang berbeda ke dalam filogeni. Langkah pertama sebelum mengembangkan mata cangkang atau bintik mata, menurut pengamatan para peneliti, adalah peningkatan kepadatan estetika pada cangkang. Hanya dengan begitu mata yang lebih kompleks dapat muncul. Bintik mata dan mata cangkang masing-masing berevolusi dalam dua waktu terpisah sepanjang filogeni – mewakili dua contoh evolusi konvergen yang terpisah.

“Secara mandiri, chiton mengembangkan mata – dan, melalui mereka, apa yang kita anggap seperti penglihatan spasial – empat kali lipat, dan ini sangat mengesankan,” kata Varney. “Mereka juga berevolusi dengan sangat cepat.” Para peneliti memperkirakan masuk dalam genus neotropis chiton, misalnya, bintik mata berevolusi hanya dalam waktu 7 juta tahun — sekejap mata dalam waktu evolusi.

Hasilnya mengejutkan para peneliti. “Saya berpikir bahwa ini adalah evolusi bertahap dalam kompleksitas, mulai dari estetika hingga sistem bintik mata hingga cangkang mata – sebuah kemajuan yang sangat memuaskan,” kata Dan Speiser, seorang ahli ekologi visual di University of South Carolina dan rekan penulis makalah. “Sebaliknya, ada banyak jalan menuju visi.”

Namun mengapa beberapa garis keturunan mengembangkan mata cangkang dan bukan bintik mata? Selama enam jam perjalanan dari konferensi di Phoenix kembali ke Santa Barbara, Varney dan Oakley mulai mengembangkan hipotesis bahwa jumlah celah pada cangkang chiton bisa menjadi kunci evolusi penglihatan chiton.

Semua struktur penginderaan cahaya pada cangkang chiton, jelas Varney, melekat pada saraf, yang melewati celah cangkang untuk terhubung ke saraf utama tubuh. Celah tersebut berfungsi sebagai pengatur kabel, menyatukan neuron sensorik. Lebih banyak celah berarti lebih banyak bukaan yang bisa dilewati saraf.

Kebetulan jumlah celah merupakan informasi standar yang dicatat setiap kali seseorang mendeskripsikan spesies chiton baru. “Informasinya ada di luar sana, tapi tanpa konteks filogeni untuk memetakannya kembali, informasi itu tidak ada artinya,” kata Varney. “Jadi saya pergi dan melihat ini dan mulai melihat pola ini.”

Varney melihat bahwa dua kali, secara terpisah, garis keturunan dengan 14 atau lebih celah di pelat kepala mengembangkan bintik mata. Dan dua kali, secara terpisah, garis keturunan dengan 10 celah atau kurang berevolusi dengan cangkang mata. Dia menyadari bahwa jumlah celah yang terkunci pada tempatnya akan menentukan jenis mata yang bisa berevolusi: Chiton dengan ribuan titik mata membutuhkan lebih banyak celah, sedangkan chiton dengan ratusan cangkang mata membutuhkan lebih sedikit. Singkatnya, jumlah celah cangkang menentukan evolusi sistem visual makhluk tersebut.

Temuan ini menimbulkan serangkaian pertanyaan baru. Salah satu yang sedang diselidiki secara aktif oleh para peneliti adalah mengapa jumlah celah membatasi jenis mata yang dapat berevolusi. Untuk menjawab pertanyaan tersebut, diperlukan upaya untuk menjelaskan sirkuit saraf optik dan bagaimana mereka memproses sinyal dari ratusan atau ribuan mata.

Alternatifnya, hubungan antara jenis mata dan jumlah celah mungkin tidak didorong oleh kebutuhan penglihatan namun oleh cara lempeng tersebut berkembang dan tumbuh dalam garis keturunan yang berbeda, saran Sumner-Rooney. Pelat cangkang tumbuh dari tengah ke luar melalui pertambahan, dan mata ditambahkan sepanjang hidup chiton seiring dengan pertumbuhan tepinya. “Mata tertua adalah yang berada di tengah-tengah hewan, dan yang terbaru ditambahkan di bagian tepinya,” kata Sumner-Rooney. Sebagai seorang chiton, “Anda mungkin memulai hidup dengan 10 mata dan mengakhiri hidup Anda dengan 200 mata.”

Akibatnya, tepi lempeng cangkang yang tumbuh harus menyisakan lubang untuk mata baru – banyak lubang kecil untuk bintik mata, atau lebih sedikit lubang besar untuk mata cangkang. Lubang yang terlalu banyak atau terlalu besar dapat melemahkan cangkang hingga titik pecahnya, sehingga faktor struktural mungkin membatasi kemungkinan terjadinya mata.

Masih banyak yang harus diketahui tentang bagaimana chiton melihat dunia, namun sementara itu, mata mereka siap untuk menjadi contoh favorit baru para ahli biologi mengenai evolusi yang bergantung pada jalur, kata Nilsson. “Contoh ketergantungan jalur yang dapat ditunjukkan dengan baik, seperti kasus ini, jarang terjadi — meskipun fenomena ini tidak hanya umum, namun merupakan hal yang biasa terjadi.”