Telinga Kita Memiliki Keturunan yang Sama dengan Insang Ikan

Evolusi adalah pendaur ulang ulung. Seringkali ia menggunakan struktur lama (atau gen kuno) untuk pekerjaan baru. Telinga mamalia adalah contoh sempurna. Selama ribuan tahun, tulang rahang nenek moyang ikan kita menjadi tiga tulang kecil terpisah yang menyalurkan gelombang suara dari gendang telinga ke telinga bagian dalam.

Kini sebuah penelitian baru menunjukkan bahwa ada perubahan lain yang terjadi mulai dari ikan hingga mamalia. Ternyata tulang rawan fleksibel pada insang ikan sangat mirip dengan tulang rawan di telinga luar mamalia, bagian telinga yang terlihat. Yang pasti, struktur tulang rawan yang fleksibel memiliki fungsi berbeda pada ikan dan mamalia: struktur insang memungkinkan ikan bernapas, sedangkan tulang rawan di telinga luar mamalia menangkap suara. Namun jaringan gen yang mendasari struktur ini memiliki sejarah yang sama.

Struktur insangnya tidak berubah menjadi telinga luar mamalia. Sebaliknya, ketika vertebrata pertama muncul di darat dan tidak memiliki insang, jaringan gen yang mendasari pembentuk tulang rawan insang mampu membangun sesuatu yang baru. “Itulah salah satu keajaiban kehidupan dan evolusi,” kata Abigail Tucker, profesor perkembangan dan evolusi di King’s College London, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. “Jaringan pengaturnya masih ada sehingga dapat dikooptasi dan digunakan lagi, kali ini untuk membuat struktur telinga luar, bukan insang.”

Tentang mendukung jurnalisme sains

Jika Anda menikmati artikel ini, pertimbangkan untuk mendukung jurnalisme pemenang penghargaan kami dengan berlangganan. Dengan membeli langganan, Anda membantu memastikan masa depan cerita yang berdampak tentang penemuan dan ide yang membentuk dunia kita saat ini.

Daur ulang jaringan gen yang sama ini memberikan landasan bagi inovasi evolusi berikutnya. Tulang rawan di telinga luar mamalia berevolusi lebih lanjut menjadi berbagai bentuk, seperti telinga kelelawar yang besar dan sensitif yang melakukan ekolokasi, telinga kucing yang lancip dan waspada, atau telinga gajah yang terkulai—yang masing-masing selaras dengan telinga luar mamalia. suara yang penting bagi hewan itu. Pada beberapa mamalia, tulang rawan telinga bahkan telah dimodifikasi lebih lanjut, diisi dengan sel tulang rawan khusus yang mengandung tetesan lemak besar yang menurut hipotesis para peneliti memberikan sifat struktural dan akustik yang unik pada tulang rawan tersebut.

“Kami pikir ada program leluhur untuk membuat insang berisi tulang rawan di kepala yang telah berpindah posisinya selama evolusi menjadi lebih dekat dengan telinga, sama seperti tulang rahang nenek moyang ikan yang dipindahkan ke telinga tengah,” jelas Gage Crump. seorang ahli biologi sel induk di University of Southern California dan penulis senior studi baru, yang diterbitkan di Alam. “Program untuk menumbuhkan struktur tulang rawan di area umum kepala ini sangat dilestarikan, namun posisi pastinya, daftar lengkap gen yang diekspresikan, dan karenanya jenis sel dan fungsinya telah banyak berubah.”

Tim Crump, yang menggunakan ikan zebra sebagai model organisme untuk penelitiannya, telah lama tertarik pada pengembangan wajah vertebrata. Saat membuat atlas dari semua jenis sel yang berbeda pada wajah ikan zebra, para peneliti memperhatikan dua jenis tulang rawan, satu yang diharapkan dan satu lagi yang belum mereka sadari sebelumnya. Bentuk tak terduga ini adalah batang tulang rawan elastis yang menopang tonjolan insang yang seperti jari. Tulang rawan itu mirip dengan jenis yang ditemukan di telinga luar mamalia.

Para peneliti mengamati bahwa aktivitas gen pada tulang rawan telinga luar manusia serupa dengan aktivitas gen pada tulang rawan elastis di insang ikan. Namun banyak gen yang aktif pada organ yang tidak berhubungan. Untuk melihat apakah struktur tersebut memiliki sejarah evolusi yang sama, para peneliti fokus pada peningkat—urutan DNA yang mendorong aktivitas gen target mereka dalam jaringan tertentu. Mereka mengidentifikasi enam bahan peningkat utama yang penting untuk perkembangan tulang rawan di telinga luar manusia tetapi tidak di hidung. Para peneliti beralasan bahwa jika aktivitas gen pada insang ikan dan tulang rawan telinga mamalia diprakarsai oleh bahan peningkat serupa, maka struktur ini kemungkinan besar memiliki asal usul evolusi yang sama.

Pendekatan yang berfokus pada peningkat ini “sangat menginspirasi dan sangat cerdas, sangat cerdik,” kata Licia Selleri, ahli biologi sel induk dan perkembangan di Universitas California, San Francisco, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. “Hal ini dapat mengungkap apakah struktur baru tersebut muncul dari pemanfaatan program pembangunan leluhur atau muncul secara de novo.”

Untuk menyelidiki pertanyaan telinga insang ikan, para peneliti, yang dipimpin oleh mahasiswa pascasarjana Crump, Mathi Thiruppathy, melakukan beberapa eksperimen transfer genetik yang cerdas. Pertama, mereka memasukkan enam alat penguat telinga bagian luar manusia yang mengendalikan gen ke dalam genom ikan zebra, dan mereka menggunakan gen reporter berpendar yang menyala untuk mengidentifikasi lokasi di dalam tubuh tempat target biasa alat penguat tersebut biasanya diaktifkan. Yang mengejutkan, bahan penguat tulang rawan telinga manusia hanya mendorong aktivitas protein fluoresen hijau di insang ikan zebra, menunjukkan bahwa apa pun yang mengendalikan ekspresi gen sangat mirip antara insang dan telinga luar, kata Crump.

Kemudian tim melakukan eksperimen lain: memasukkan peningkat utama yang aktif pada insang ikan zebra ke dalam genom tikus. Di sana, para peneliti mengamati bahwa elemen DNA ikan sekarang mengaktifkan protein fluoresen hijau di telinga luar tikus transgenik yang sedang berkembang, memperkuat gagasan bahwa jaringan gen dasar yang sama digunakan untuk membangun tulang rawan di insang dan telinga.

“Hal yang membuatnya lebih menarik daripada sekadar menggunakan kembali perangkat molekuler yang sama adalah kenyataan bahwa ia juga menggunakan kembali elemen pengatur (peningkat) yang mengontrol ekspresi gen tersebut,” jadi elemen pengatur yang mendorong ekspresi gen untuk tulang rawan di tulang rawan. insang mendorong ekspresi gen tulang rawan di telinga mamalia, kata Tucker. “Jadi ada tingkatan ekstra dalam menggunakan sistem yang sudah ada sebelumnya.”

Selanjutnya para peneliti berusaha mengidentifikasi gen kunci mana yang berada di bawah pengaruh peningkat tersebut. Salah satu keluarga gen yang menonjol adalah DLX, yang terkait dengan gen yang diidentifikasi pada lalat buah sebagai tanpa distal yang penting untuk perkembangan anggota tubuh serangga. Para peneliti menemukan bahwa penambah yang sama untuk vertebrata DLX gen muncul pada hewan dari ikan zebra hingga manusia selama lebih dari 400 juta tahun evolusi. Itulah sebabnya peningkat dapat ditukar dengan ikan dan tikus hasil rekayasa genetika.

Untuk melihat berapa umur penambah ini, para peneliti mengamati kepiting tapal kuda, invertebrata yang juga bernapas dengan insang. Mereka menemukan hal yang sama tanpa distal gen yang berhubungan dengan DLX gen juga terlibat dalam pembuatan insang kepiting tapal kuda. Dan dengan memasukkan elemen kontrol DNA dari kepiting tapal kuda ke dalam genom ikan zebra, molekul fluoresen di insang ikan zebra dapat diaktifkan. Hal ini menunjukkan bahwa mesin genetik yang membentuk telinga luar mamalia sudah ada sebelum evolusi vertebrata; mungkin berasal dari ratusan juta tahun yang lalu hingga beberapa invertebrata laut pertama yang memiliki proyeksi seperti insang. Ketika ikan, vertebrata pertama, berevolusi, jaringan gen yang membangun tulang rawan insang dari invertebrata tersebut didaur ulang untuk membuat insang ikan, bahkan ketika ikan berevolusi menjadi kerangka tulang jenis baru.

“Kami berpikir bahwa tulang rawan elastis di telinga luar kita mungkin merupakan sisa terakhir dari tulang rawan invertebrata,” Crump berspekulasi.

Untuk memahami apa yang terjadi di sepanjang pohon evolusi vertebrata antara ikan dan mamalia, para peneliti mengamati aktivitas peningkat yang sama pada katak dan kadal. Pada berudu katak, alat penambah telinga bagian luar manusia mengaktifkan protein fluoresen di insang kecebong. Pada kadal anole, yang tidak memiliki insang atau telinga luar, alat penambah telinga luar manusia mengaktifkan protein fluoresen di saluran telinga hewan, yang juga memiliki tulang rawan elastis serupa dengan insang ikan dan kecebong. Hal ini menunjukkan jaringan gen yang membuat tulang rawan elastis di insang ikan menjadi aktif di saluran telinga reptil, pertama dan kemudian di telinga luar mamalia.

“Jadi apa yang kita bayangkan adalah: antara amfibi dan reptil, ada pergeseran dari insang ke saluran telinga yang kemudian, pada mamalia, berkembang secara besar-besaran hingga membentuk telinga luar,” kata Crump.

Seiring waktu evolusi, tulang rawan telinga luar pada mamalia terus berevolusi tidak hanya dalam bentuk tetapi juga komposisi internal. Ahli biologi sel Maksim Plikus dan timnya di University of California, Irvine, baru-baru ini mendeskripsikan sel tulang rawan di telinga mamalia kecil—antara lain tikus, celurut, kelelawar, dan mencit—yang merupakan semacam persilangan antara sel tulang rawan dan sel lemak. Sel-sel ini, yang berisi tetesan lemak, membentuk jaringan seperti Bubble Wrap yang disebut lipocartilage. Meskipun jaringan ini pertama kali ditemukan pada tahun 1854 oleh ahli histologi Jerman Franz von Leydig, sebagian besar jaringan ini telah dilupakan hingga sekarang. Tim Plikus berhipotesis bahwa lipocartilage memiliki sifat akustik yang unik, seperti kemampuan untuk meningkatkan perambatan gelombang suara, yang mungkin merupakan adaptasi pendengaran mamalia.

“Meskipun memang ada program yang hadir pada invertebrata dan kemudian dimanfaatkan kembali pada ikan, dan pada mamalia untuk membuat telinga luar, ada juga inovasi yang muncul pada mamalia,” kata Selleri, yang menulis artikel perspektif di Sains tentang studi lipokartilago. “Salah satu inovasi tersebut adalah hadirnya tulang rawan dengan lemak.”

“(Lipocartilage can) dapat menggunakan vakuola—tetesan lipid—untuk tujuan yang benar-benar berbeda dari apa yang biasanya diyakini dilakukan,” kata Plikus. Meskipun tujuan utama tetesan lipid dalam sel lemak adalah untuk menyimpan energi, dalam lipokartilago, “tetesan lipid ini terutama memainkan peran struktural dan biomekanik, sehingga tidak lagi berkontribusi pada fungsi metabolisme,” kata Plikus.

Peneliti pascadoktoral Raul Ramos memimpin penelitian yang dipublikasikan di Sains. Para peneliti menunjukkan bahwa pada tikus, vakuola lemak tidak berubah sebagai respons terhadap keadaan metabolisme: vakuola lemak tidak bertambah besar saat tikus diberi makan berlebihan, dan tetesan lemak tidak digunakan sebagai energi saat hewan kelaparan. Tim lebih lanjut menunjukkan bahwa tetesan tersebut dibuat menggunakan jalur metabolisme yang sangat spesifik yang mengubah gula menjadi lemak—dan jalur metabolisme terkontrol ini memungkinkan tubuh hewan untuk mengatur ukuran dan jarak tetesan lipid yang tepat.

Hal ini, pada gilirannya, memungkinkan terjadinya evolusi struktur telinga dengan sifat akustik yang sesuai dengan kebutuhan berbagai jenis hewan—telinga kelelawar yang besar dan bergerigi, misalnya, sangat sensitif sehingga dapat mendeteksi kepakan sayap serangga kecil.