Evolusi: Cepat atau Lambat? Kadal Membantu Menyelesaikan Paradoks. | Majalah Kuanta

James Stroud punya masalah. Ahli biologi evolusi ini telah menghabiskan beberapa tahun mempelajari kadal di sebuah pulau kecil di Miami. Ini anoles kadal tampak sama selama ribuan tahun; mereka tampaknya hanya berevolusi sangat sedikit selama ini. Logikanya memberi tahu Stroud bahwa jika evolusi menyukai sifat-sifat yang sama selama jutaan tahun, maka ia akan melihat sedikit atau bahkan tidak ada perubahan dalam satu generasi.

Namun bukan itu yang dia temukan. Alih-alih stabilitas, Stroud melihat variabilitas. Pada suatu musim, anoles berkaki pendek mampu bertahan lebih baik dibandingkan musim lainnya. Musim berikutnya, mereka yang memiliki kepala lebih besar mungkin mendapat keuntungan.

"Saya bingung. Saya tidak tahu apa yang sedang terjadi. Saya pikir saya melakukan sesuatu yang salah,” kata Stroud, yang saat itu sedang menyelesaikan postdoc di Washington University di St. Louis. “Lalu tiba-tiba semuanya menjadi jelas dan mulai masuk akal.”

Datanya mencerminkan paradoks yang telah menghalangi para ahli biologi selama bertahun-tahun. Dalam jangka panjang, anoles memiliki ciri-ciri yang tampaknya tetap sama, sebuah fenomena yang disebut stasis - mungkin disebabkan oleh seleksi yang menstabilkan, sebuah proses yang mengutamakan sifat-sifat moderat. Namun dalam jangka pendek, kadal menunjukkan variasi dengan sifat yang berfluktuasi. Data Stroud lebih baik dijelaskan melalui seleksi terarah, yang kadang-kadang mendukung sifat-sifat ekstrem yang mengarahkan evolusi ke arah baru, dan di lain waktu tampaknya tidak mendukung sesuatu yang khusus.

Karena ia telah mengikuti empat spesies selama tiga generasi, ia mampu menunjukkan bahwa pola stasis jangka panjang dapat muncul dari seleksi yang berfluktuasi dalam jangka pendek.

“Ada banyak kebisingan, tapi secara keseluruhan, ini mengarah pada pola yang cukup stabil,” kata Stroud, yang kini menjalankan laboratoriumnya sendiri di Institut Teknologi Georgia. Pembelajaran baru-baru ini diterbitkan dalam Prosiding National Academy of Sciences.

Penelitian Stroud dan rekan-rekannya menjelaskan bagaimana variabilitas jangka pendek dapat mengarah pada stabilitas jangka panjang, katanya Arthur Porto, seorang ahli biologi evolusi di Museum Sejarah Alam Florida yang tidak terlibat dalam penelitian baru ini.

“Ini menunjukkan bahwa kita bisa mendapatkan pola yang menyerupai seleksi stabilisasi, bahkan ketika tidak ada seleksi stabilisasi yang muncul pada skala waktu per generasi,” kata Porto. Temuan ini membantu menyelesaikan apa yang oleh beberapa ahli biologi frustrasi disebut sebagai “paradoks stasis.”

Tangan Mantap Evolusi?

Ketika para ahli teori evolusi awal memahami seleksi alam, mereka berpendapat bahwa proses evolusi terjadi secara bertahap dalam kurun waktu yang sangat lama. Spesies tidak berevolusi dalam semalam; sebagian besarnya tetap sama dan mengakumulasi perubahan selama beberapa generasi. Pada tahun 1859, Charles Darwin menulis: “Kami tidak melihat perubahan lambat apa pun terjadi, sampai jarum jam menandai berlalunya zaman.”

Pengamatan awal terhadap catatan fosil mendukung gagasan ini. Seringkali, ahli paleontologi menemukan bukti bahwa suatu spesies bisa tetap stagnan selama jutaan tahun, hanya berubah ketika dipaksa beradaptasi dengan perubahan lingkungan yang dramatis. Namun, sering kali, proses evolusi tampak sangat lambat, setara dengan melihat cat mengering secara biologis.

Para ahli biologi menjelaskan kelembaman ini sebagai hasil seleksi yang menstabilkan, yang mana sifat-sifat rata-rata atau peralihan secara konsisten lebih disukai daripada sifat-sifat yang lebih ekstrem. Bahkan pergeseran kecil dari “rata-rata” akan disertai dengan penurunan tajam dalam kelangsungan hidup atau kesuburan.

Contoh klasik dari stabilisasi seleksi berasal dari catatan sejarah berat lahir manusia, katanya Jonatan Losos, seorang ahli biologi evolusi di Universitas Washington di St. Louis dan penasihat penelitian Stroud. Kompilasi data berat badan lahir pada pertengahan abad ke-20th menunjukkan bahwa bayi dengan berat rata-rata lebih sering bertahan hidup dibandingkan bayi yang lebih berat atau lebih ringan dari rata-rata.

“Statis jangka panjang tampaknya menyarankan stabilisasi seleksi,” kata Losos. “Itu adalah penjelasan yang paling disukai.”

Baru pada awal tahun 1980an para ilmuwan mengembangkan metode yang dapat menguji gagasan ini. Pada tahun 1983, ahli biologi Russell Lande dan Stevan Arnold membawa statistik tingkat lanjut ke dalam studi lapangan evolusi, yang menunjukkan sebuah landmark evolusi kertas bagaimana peneliti dapat mengukur dampak seleksi alam dalam satu generasi. Pendekatan ini, yang mengkuantifikasi seleksi pada kelompok sifat-sifat yang berkorelasi, memerlukan kumpulan data biologis yang sangat besar, terutama menurut standar tahun 1980an. Namun, ini adalah kerangka statistik pertama yang menunjukkan kepada para peneliti bagaimana mengukur berbagai jenis seleksi alam, termasuk menstabilkan seleksi, pada berbagai sifat, kata Christopher Martin, seorang ahli biologi evolusi di Universitas California, Berkeley.

Para ahli biologi evolusi dengan cepat mengadopsi pendekatan ini. Universitas Princeton Rosemary dan Peter Grant menggunakan metode ini dalam penelitian terkenal mereka terhadap burung kutilang Darwin di pulau Daphne Major di Galápagos. Studi mereka, yang dimulai pada tahun 1973 dan berlanjut hingga hari ini, mengikuti populasi burung kutilang tanah menengah (Geospiza fortis) melalui kekeringan parah yang dimulai pada tahun 1977. Saat itulah tanaman di Daphne Major berhenti memproduksi benih kecil yang menjadi andalan burung; hanya biji tebal yang tersisa.

Dengan sedikit makanan, populasi burung finch anjlok dari 1,400 individu menjadi beberapa ratus hanya dalam dua tahun. Kemudian Grant mengamati pemulihan populasi sambil melakukan pengukuran yang cermat terhadap sifat-sifat burung tersebut. Burung-burung yang selamat, menurut temuan mereka, memiliki paruh lebih besar yang cocok untuk benih yang lebih besar: Rata-rata kedalaman paruh meningkat dari 9.2 mm menjadi 9.9 mm – perubahan lebih dari 7%.

Secara keseluruhan, perubahan curah hujan tahunan dengan cepat mengakibatkan perubahan pada paruh burung. Karya The Grants menjadi contoh klasik dari tindakan evolusi. Mereka telah mengidentifikasi bukti-bukti yang nyata, meskipun sering kali tidak kentara, mengenai hal tersebut dorongan dan tarikan terarah evolusi yang bertindak berdasarkan sifat-sifat. Dan mereka tidak sendirian: Ketika para peneliti memiliki alat statistik untuk mengamati perkembangan evolusi, tampaknya ke mana pun mereka memandang, mereka dapat melihat seleksi alam terjadi dalam jangka waktu yang sangat singkat.

Studi semacam itu menantang gagasan bahwa evolusi berlangsung melalui perubahan yang lambat dan tidak terlihat dalam jangka waktu yang lama, katanya Matt Pennell, seorang ahli biologi evolusi di University of Southern California. Perubahan bisa – dan memang – terjadi dengan cepat.

Disitulah letak masalahnya. Dengan waktu yang cukup, tarikan terkecil sekalipun akan menghasilkan perubahan terukur pada karakteristik organisme yang dapat diamati. Jika perubahan ukuran paruh yang diamati oleh Grant terus berlanjut selama ribuan tahun, perhitungan di balik amplop memperkirakan beberapa fenomena ekstrem, kata Pennell. “Anda pasti mengira burung kutilang memiliki berat sekitar 40 kilogram. Ini tidak masuk akal.”

Terlebih lagi, ketika bukti untuk seleksi terarah semakin banyak, hanya sedikit bukti yang muncul di sisi stabilisasi seleksi. Catatan fosil dengan jelas menunjukkan sifat-sifat yang stagnan dari waktu ke waktu. Namun dengan alat statistik baru yang mereka miliki, para ahli biologi evolusi tidak dapat menemukan bukti mekanisme yang dapat menghasilkan stasis.

Bukti adanya modifikasi jangka pendek dan stabilitas jangka panjang cukup kuat. Apa yang tidak dapat dipahami oleh para ahli biologi adalah bagaimana menghubungkan kedua fenomena tersebut sedemikian rupa sehingga dapat menyelesaikan paradoks stasis ini.

Ternyata penjelasannya sudah menunggu di antara pepohonan di Florida Selatan.

Sebuah Oasis Anole

Perairan biru kehijauan dan pasir putih Karibia bukan surga bagi manusia saja. Kadal anole juga menganggap pulau-pulau tropis ini sebagai surga yang indah. Kadal tersebut telah menyebar ke seluruh Karibia melalui proses yang disebut radiasi adaptif. Ketika suatu spesies anole tiba di pulau baru, spesies tersebut dengan cepat berevolusi menjadi beberapa spesies baru, yang masing-masing memanfaatkan habitat berbeda.

“Tampaknya ada ketidaksesuaian antara proses mikroevolusi dan apa yang terjadi dalam jangka waktu yang lebih lama,” katanya Kjetil Lysne Voje, seorang ahli biologi evolusi di Museum Sejarah Alam di Universitas Oslo.

Berkali-kali, dari pulau ke pulau, anoles berevolusi untuk mengisi ceruk yang berbeda, mendapatkan serangkaian ciri khas untuk membantu kelangsungan hidup mereka di habitat pilihan mereka. Salah satu spesies memiliki kaki yang panjang – ideal untuk berlari – dan bantalan jari kaki yang kecil dan lengket lebih sering ditanam di tanah yang kokoh. Tiga spesies lainnya berlari cepat ke batang pohon: spesies bertubuh kecil yang menyukai bagian bawah batang, spesies yang berkelana ke kanopi rendah dengan bantalan jari kaki yang besar, dan spesies yang menyukai kanopi tinggi, berevolusi dengan anggota tubuh pendek untuk dengan ahli menavigasi cabang-cabang yang tipis.

Setelah ledakan awal evolusi, kadal tetap identik selama jutaan tahun. Dan itulah cara Losos menemukannya ketika dia mulai mempelajari reptil pada tahun 1980an.

“Jenis-jenis yang berbeda tampaknya telah berevolusi sejak lama dan kemudian menetap di sana,” kata Losos. “Agaknya mereka sudah seperti itu sejak saat itu.”

Kemampuan anoles untuk menjajah lahan baru membuat mereka cocok untuk menjadi spesies invasif. Di Florida, anole hijau asli Amerika Utara (Anolis carolinensis) telah hidup di tempat yang tinggi di batang pohon, memakan serangga arboreal di kanopi rendah, selama jutaan tahun. Namun, selama satu abad terakhir, anoles lain telah tiba di negara bagian tersebut dari Kuba, Hispaniola, dan Bahama. Anole coklat (Anolis sagrei) berdiam di batang pohon paling bawah, menggunakan kakinya yang panjang untuk melompat ke tanah untuk berburu serangga. Anole kulit kayu bertubuh kecil (Anolis distichus) memakan semut yang merayap di sepanjang batang, sedangkan ksatria anole yang lebih besar (Penunggang kuda Anolis) mengejar serangga dan buah-buahan di kanopi atas. Setiap spesies telah beradaptasi dengan tempat spesifiknya sebelum tiba di Miami. Ekologi mereka bertahan di rumah baru mereka.

Sebagai penggila kadal, Stroud ingin mempelajari hamparan herpetologi kota angkatnya. Namun, untuk melakukan studi lapangan jangka panjang, ia perlu melacak anoles dari waktu ke waktu. Mobilitas kadal yang tinggi menimbulkan masalah besar. Jika dia kehilangan jejak seseorang, dia tidak akan tahu apakah orang tersebut telah pindah dari area tersebut atau mati. Sama frustasinya, dia tidak bisa memastikan apakah pendatang baru tersebut adalah keturunan kadal yang sudah ada atau pendatang baru.

Setelah menjelajahi kota untuk mencari lokasi, dia menyadari bahwa lokasinya adalah Miami Kebun Raya Tropis Fairchild menjadikannya tempat belajar yang ideal karena anoles secara efektif terperangkap di pulau semu. Dia yakin tidak ada kadal yang datang atau pergi.

Tujuan Stroud adalah mengukur seleksi alam yang terjadi selama beberapa generasi pada berbagai spesies. Dia ingin “menangkap banyak kadal dan mengukurnya serta melihat apakah kelangsungan hidup mereka memberi tahu kita tentang bagaimana evolusi terjadi di alam liar,” katanya.

Dia menghabiskan tiga tahun melakukan berbagai pengukuran bentuk dan ukuran tubuh dari empat anoles yang menjadi rumah kebun raya tersebut – totalnya ada 1,692 individu. Untuk mengumpulkan ribuan titik data tentang panjang kaki, ukuran kepala, dan kelangsungan hidup secara keseluruhan, Stroud harus menangkap setiap kadal menggunakan laso kecil dan kemudian mulai bekerja dengan kaliper sebelum menyuntikkan microchip kecil di bawah kulitnya. Microchip memastikan bahwa dia dapat melacak setiap anole. Jika dia tidak bisa mendeteksi pelacak, dia tahu anole itu kemungkinan besar sudah mati.

“Pekerjaan seperti ini cukup sulit dilakukan pada satu spesies. Jadi melaksanakan proyek seperti ini pada empat spesies sungguh luar biasa,” katanya Jill Anderson, seorang ahli biologi evolusi di Universitas Georgia yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut.

Namun, ketika Stroud mulai menganalisis datanya, dia menemukan paradoks stasis.

Stasis dalam Kebisingan

Sejak awal proyek, Stroud dan rekan-rekannya tertarik untuk menstabilkan seleksi. Mereka ingin melihat apakah kekuatan seleksi alam terus mendorong dan menarik sifat-sifat kadal agar tetap terpusat pada titik yang sama. Fakta bahwa anole hanya menunjukkan sedikit perubahan evolusioner selama jutaan tahun menunjukkan bahwa mereka berada pada puncak evolusi, dan Stroud ingin melihat faktor apa yang membuat mereka tetap berada di sana.

Namun, datanya selama bertahun-tahun tidak menunjukkan stabilitas sama sekali. Sebaliknya, ia melihat evolusi terus-menerus mengubah sifat-sifat yang paling mampu beradaptasi dengan lingkungan. “Jika kita melihat satu periode saja, kita sangat jarang melihat seleksi yang stabil,” kata Stroud.

Namun seiring berjalannya waktu, variabilitas tersebut dirata-ratakan menjadi stasis. Sekalipun sifat-sifat tersebut berubah dari puncak optimal dan moderatnya dari satu generasi ke generasi berikutnya, terdapat efek bersih dari stabilisasi – yang pada akhirnya hanya menyebabkan sedikit perubahan selama beberapa generasi.

Para ahli yang meninjau data Stroud dan timnya terkesan dengan ketelitian dan kemampuannya untuk menyelesaikan paradoks yang tampak. “Datanya lebih indah daripada yang diharapkan oleh siapa pun yang melakukan penelitian seperti ini,” kata Martin.

Anderson mengatakan bahwa karya Stroud yang “sangat keren” mampu mengungkap salah satu misteri terbesar biologi karena desain penelitiannya yang cermat dan teliti. Hanya dengan data bertahun-tahun, katanya, Stroud dapat melihat bagaimana stasis berpotensi muncul dari variabilitas tersebut.

Voje juga memberikan pujian: “Ini adalah contoh karya luar biasa yang menyatukan beberapa pengamatan ini,” katanya.

Jeffrey Conner, seorang ahli botani dan biologi evolusi di Michigan State University, setuju bahwa kerangka konseptual yang dikembangkan Stroud dapat menjelaskan seleksi yang menstabilkan. Namun, dia mengatakan bahwa variabilitas dalam pemilihan arah yang diidentifikasi Stroud cukup minim.

Namun, penelitian terbaru dari laboratorium lain juga membantu mendukung hasil Stroud. Sebuah penelitian yang diterbitkan di evolusi pada bulan September 2023 dari lab Andrew Hendri, seorang ahli biologi eko-evolusi di Universitas McGill, mempelajari perubahan evolusioner pada komunitas burung kutilang di pulau Santa Cruz Galápagos selama 17 tahun. Di sana pun, Hendry menemukan buktinya tarik menarik yang biasa terjadi akibat seleksi alam pada sifat-sifat yang tertanam dalam “stabilitas luar biasa,” katanya, pada burung kutilang sepanjang waktu evolusi.

Bagi Hendry, paradoks stasis bukanlah sebuah paradoks sama sekali. Masalahnya, katanya, para ahli biologi berasumsi bahwa stasis jangka panjang adalah hasil dari stabilitas jangka pendek. Buang asumsi itu, dan paradoksnya pun hilang. “Paradoksnya adalah ilusi,” katanya. “Para ahli biologi evolusi suka mengemukakan berbagai hal dan menyebutnya paradoks.”

Bayangkan saja seperti Sungai Mississippi sebelum direkayasa, jelasnya. Hal ini dengan cepat mengubah arah di wilayah kecil dalam waktu singkat, namun tetap saja puluhan juta tahun perjalanan sungai secara keseluruhan mengarah ke Teluk Meksiko. Demikian pula, ciri-ciri populasi kadal dapat bervariasi dalam jangka pendek dan tetap stabil dalam jangka panjang.

Namun, tiga tahun – atau 17 tahun – hanyalah setitik waktu evolusi. Untuk menyelesaikan paradoks ini sepenuhnya, para ilmuwan perlu mempelajari rentang waktu antara makro dan mikroevolusi, kata Porto – dalam skala puluhan, ratusan, atau ribuan tahun. Mereka perlu menemukan sweet spot yang cukup panjang untuk memungkinkan terjadinya perubahan dan stasis, katanya, meskipun saat ini para ahli biologi tidak memiliki kumpulan data yang cukup panjang untuk diambil.

Itu sebabnya studi lapangan jangka panjang di bidang ekologi dan biologi evolusioner semakin penting, kata Stroud. Tanpa kembali ke lokasi penelitiannya berulang kali selama beberapa tahun, dia tidak akan pernah memperoleh cukup data untuk menjawab salah satu hipotesis utama biologi evolusi.

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.