Ilmuwan merekonstruksi nenek moyang semua kehidupan di Bumi

Memahami bagaimana kehidupan bermula dan berevolusi di Bumi merupakan pertanyaan yang telah lama menarik perhatian manusia, dan ilmuwan modern telah membuat kemajuan besar dalam menemukan beberapa jawaban. Kini, penelitian terbaru kami berharap dapat menawarkan wawasan baru tentang asal usul kehidupan di Bumi.

Sekitar 375 juta tahun yang lalu, nenek moyang kita yang mirip ikan bernapas melalui insang. Lebih dari 600 juta tahun yang lalu, nenek moyang semua hewan muncul – urmetazoa mikroskopis. Namun, miliaran tahun sebelum semua itu terjadi, nenek moyang semua organisme hidup, nenek moyang universal terakhir (Luca), pasti sudah ada.

Para ilmuwan telah berupaya mengidentifikasi Luca selama beberapa dekade dengan berbagai gagasan tentang seperti apa Luca. Hal lain yang diperdebatkan adalah usia Luca. Bukti fosil paling awal yang kita miliki untuk kehidupan berusia sekitar 3,4 miliar tahun. Beberapa penelitian memperkirakan usia Luca mendekati kelahiran Bumi, 4,5 miliar tahun yang lalu. Yang lain berpendapat hal ini tidak mungkin karena butuh waktu lama untuk menetapkan kode genetik dan mesin replikasi DNA.

Luca bukanlah bentuk kehidupan pertama; ia adalah organisme yang menjadi asal semua organisme hidup. Meskipun demikian, para ilmuwan berpendapat bahwa organisme hidup mungkin telah ada jauh sebelum Luca. Memahami seperti apa Luca, dan kapan ia hidup, penting untuk membantu kita memahami bagaimana kehidupan berevolusi di Bumi.

Dalam studi terbaru kami yang diterbitkan di Ekologi Alam dan Evolusikami menggunakan kombinasi metode ilmiah untuk merekonstruksi genom Luca dan menunjukkan bagaimana gen yang kami temukan mungkin telah memungkinkan Luca untuk hidup. Proyek ini merupakan hasil kerja selama beberapa tahun dan tim kolaborator internasional.

Sifat Luca

Untuk merekonstruksi genom Luca, kami memerlukan sampel genom (semua informasi genetik dalam suatu organisme) dari berbagai kelompok bakteri dan archaea (organisme bersel tunggal yang berbeda dari bakteri) sehingga kami dapat memastikan bahwa kami mengambil sampel kehidupan modern. Kami mengecualikan eukariota (tumbuhan, hewan, dan jamur) karena para ilmuwan berpikir bahwa mereka berevolusi dari penyatuan archaea dan bakteri jauh di kemudian hari. Kami memiliki sekumpulan 700 genom (350 archaea dan 350 bakteri), yang telah dikurasi dari sebuah studi tahun 2022 yang melibatkan beberapa dari kami.

Kami memilah gen-gen ini ke dalam beberapa keluarga untuk memahami kegunaannya dalam organisme modern. Kami menggunakan basis data untuk ini, yang disebut KEGG, yang membantu para ilmuwan memahami jalur metabolisme organisme (bagaimana mereka mempertahankan kehidupan).

Selanjutnya, kami menggunakan keluarga-keluarga ini untuk menyimpulkan pohon filogenetik (atau filogeni, seperti pohon keluarga) untuk memahami hubungan antara spesies yang berbeda dan melihat bagaimana mereka berevolusi dari waktu ke waktu. Kami juga membangun satu set terpisah yang terdiri dari 57 gen yang umum untuk semua 700 organisme dalam penelitian kami dan yang mungkin ada di hampir semua kehidupan. Jenis gen ini tidak banyak berubah selama beberapa miliar tahun terakhir.

Kami menggunakan 57 gen ini untuk membangun pohon spesies, yang menunjukkan hubungan Darwinian dari berbagai organisme. Kami kemudian dapat menggabungkan pohon gen KEGG kami dengan pohon spesies dengan memodelkan tingkat duplikasi gen, transfer gen, dan kehilangan. Hal ini juga memungkinkan kami untuk menghitung kemungkinan adanya keluarga gen yang berbeda di Luca.

Merekonstruksi genom Luca memungkinkan kami memperkirakan metabolismenya seolah-olah ia masih hidup saat ini. Kami menggambarkan Luca sebagai organisme yang cukup kompleks, seperti bakteri dan archaea modern, dengan genom yang kecil. Namun, kami tidak menemukan bukti fotosintesis (yang digunakan beberapa bakteri) atau fiksasi nitrogen, suatu proses kimia yang digunakan beberapa bakteri dan archaea modern untuk tetap hidup.

Berapa umur Luca?

Kami juga mencoba metode baru untuk memperkirakan usia Luca dengan menggunakan gen yang kami perkirakan terduplikasi sebelum Luca bersama dengan informasi dari fosil.

Biasanya, untuk menyimpulkan garis waktu evolusi, kita akan memperoleh filogeni spesies yang kita minati dengan gen homologus, yang menelusuri kembali ke nenek moyang yang sama.

Kemudian, kita akan menemukan sekelompok spesies yang berkerabat jauh (outgroup) dengan spesies yang kita minati untuk menetapkan akar filogeni.

“Cabang-cabang” yang menghubungkan spesies dalam filogeni menyimpan informasi tentang laju terjadinya perubahan genetik (mutasi) dan waktu ketika spesies mengalami divergensi. Kita dapat menggunakan bukti fosil atau geologi untuk memberi tahu jam molekuler tentang usia minimum potensial terjadinya peristiwa spesiasi.

Namun, dengan Luca, kita memiliki dua masalah. Tidak ada kelompok luar yang mendukung asal usul kehidupan dan tidak banyak fosil atau bukti geologis dari Bumi purba yang dapat kita gunakan untuk mengkalibrasi jam molekuler.

Untuk mengatasi keterbatasan ini, kami menggunakan gen paralog yang telah ditelusuri para ilmuwan hingga ke Luca. Gen paralog saling terkait melalui duplikasi gen. Hal ini dapat terjadi ketika suatu spesies terbagi menjadi dua, masing-masing dengan salinan gen yang diduplikasinya sendiri.

Kami memperkirakan bahwa Luca menjelajahi Bumi sekitar 4,2 miliar tahun yang lalu. Jika perkiraan waktu kami mendekati kebenaran, hal-hal seperti kode genetik, penerjemahan protein, dan kehidupan itu sendiri pasti telah berevolusi dengan cepat, hampir tepat setelah Bumi terbentuk.

Rekonstruksi Luca yang kami lakukan bukanlah yang pertama, dan tentu saja tidak akan menjadi yang terakhir. Semakin banyak organisme yang ditemukan dan diurutkan setiap tahunnya, komputer semakin canggih, dan model evolusi terus ditingkatkan. Oleh karena itu, pemahaman kita tentang Luca dapat berubah ketika lebih banyak data dan teknik canggih tersedia.

Misalnya, kita harus mempertimbangkan bahwa mungkin ada banyak organisme lain yang hidup pada masa Luca, yang tidak lagi terwakili oleh organisme mana pun saat ini. Jika salah satu keturunan awal Luca tidak bertahan hidup hingga zaman modern, dan gen mereka tidak bertahan hidup, maka kita tidak akan pernah dapat memetakan keluarga gen ini kembali ke Luca, yang berarti rekonstruksi Luca yang kita lakukan mungkin tidak lengkap.

Meskipun ada berbagai keterbatasan teknis, penelitian kami memberikan cara baru untuk memahami Luca. Namun, masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk lebih memahami bagaimana kehidupan berevolusi sejak terbentuknya planet Bumi.