(Foto oleh Juan Camilo Guarin P dari Unsplash)
COLUMBUS, Ohio — Sahabat kucing kita memiliki indra penciuman yang kira-kira 14 kali lebih kuat daripada indra penciuman manusia. Sementara kita memiliki sekitar lima juta sensor bau di hidung kita, kucing memiliki lebih dari 200 juta! Kucing menggunakan indra penciumannya sebagai cara utama untuk mengidentifikasi orang dan benda. Namun, hingga saat ini, mekanisme pasti di balik kehebatan penciuman mereka masih menjadi misteri. Penelitian menarik dari para ilmuwan Universitas Negeri Ohio telah mengungkap rahasia di balik indra penciuman kucing yang luar biasa.
Penulis studi mengatakan kucing memiliki indra penciuman yang kuat berkat kumpulan struktur saluran pernapasan tulang yang melingkar rapat. Temuan ini, yang dipublikasikan di Biologi Komputasi PLoS, dicapai melalui analisis terperinci pertama mengenai saluran pernapasan hidung kucing domestik.
Tim peneliti mengembangkan model komputer 3D baru dari hidung kucing, lalu menggunakannya untuk mensimulasikan bagaimana menghirup udara yang mengandung bau makanan kucing yang umum akan mengalir melalui struktur melingkar. Hal ini mengarah pada penemuan bahwa udara sebenarnya terbagi menjadi dua aliran terpisah; satu yang dibersihkan dan dilembabkan dan yang lainnya yang menyalurkan bau dengan cepat dan efisien ke sistem yang bertanggung jawab untuk mencium (daerah penciuman).
Dengan kata lain, penelitian ini menunjukkan bahwa hidung kucing berfungsi sebagai alat yang sangat efisien dan memiliki dua fungsi. kromatografi gas, perangkat canggih yang biasanya ditemukan di laboratorium kimia untuk memisahkan dan menganalisis campuran kompleks. Para peneliti menjelaskan bahwa hidung kucing sangat efisien dalam fungsi ini, struktur dan desainnya sebenarnya dapat menginspirasi peningkatan kromatografi gas yang digunakan saat ini di banyak laboratorium.
Penemuan ini tidak hanya menjelaskan mengapa kucing memiliki indra penciuman yang tajam tetapi juga memberikan wawasan tentang evolusi sistem penciuman mamalia.
Sementara hidung buaya yang panjang juga ditemukan dapat meniru kromatografi gas, para peneliti berteori bahwa ukuran kepala kucing yang kompak mendorong perubahan evolusi yang menghasilkan struktur saluran napas berliku-liku yang membantu kucing beradaptasi dengan lingkungan yang beragam.
“Ini adalah desain yang bagus jika Anda memikirkannya,” kata Kai Zhao, profesor madya otolaringologi di Fakultas Kedokteran Universitas Negeri Ohio dan penulis utama studi tersebut, dalam rilis media.
“Bagi mamalia, penciuman sangat penting dalam menemukan mangsa, mengidentifikasi bahaya, menemukan sumber makanan, dan melacak lingkungan. Bahkan, seekor anjing dapat mengendus dan mengetahui apa yang telah lewat – apakah itu teman atau bukan?” lanjutnya. “Itu sistem penciuman yang menakjubkan – dan saya pikir mungkin ada berbagai cara untuk berevolusi guna meningkatkannya.”
“Dengan mengamati pola aliran ini dan menganalisis detail aliran ini, kami pikir keduanya bisa menjadi zona aliran berbeda yang melayani dua tujuan berbeda.”
Laboratorium Prof. Zhao sebelumnya telah mengembangkan model hidung hewan pengerat dan manusia untuk mempelajari pola aliran udara, tetapi model kucing beresolusi tinggi terbaru ini dan serangkaian eksperimen simulasi berikutnya merupakan yang paling rumit hingga saat ini. Hal ini dicapai melalui pemindaian mikro-CT pada kepala kucing dan identifikasi jenis jaringan di seluruh rongga hidung pada tingkat mikroskopis.
“Kami menghabiskan banyak waktu mengembangkan model dan analisis yang lebih canggih untuk memahami manfaat fungsional yang diberikan oleh struktur ini,” katanya. “Hidung kucing mungkin memiliki tingkat kompleksitas yang sama dengan hidung anjing, dan lebih kompleks daripada hidung hewan pengerat – dan ini menimbulkan pertanyaan – mengapa hidung berevolusi menjadi begitu kompleks?”
Simulasi pernapasan melalui komputer mengungkap jawabannya. Selama simulasi menghirup udara, penulis studi mencatat dua wilayah aliran udara yang berbeda; udara pernapasan yang disaring dan menyebar perlahan di atas langit-langit mulut dalam perjalanannya ke paru-paru, serta aliran terpisah yang mengandung zat berbau yang bergerak cepat melalui saluran tengah langsung ke wilayah penciuman yang lebih dekat ke bagian belakang rongga hidung.
Analisis juga memperhitungkan lokasi aliran dan kecepatan pergerakannya melalui turbinat, atau struktur tulang di dalam hidung.
“Kami mengukur seberapa banyak aliran yang melewati saluran tertentu – satu saluran yang menyalurkan sebagian besar bahan kimia berbau ke daerah penciuman, dibandingkan dengan saluran lainnya, dan menganalisis kedua pola tersebut,” komentar Prof. Zhao. “Untuk pernapasan pernapasan, turbinat bercabang untuk mengalihkan aliran ke saluran terpisah, seperti kisi radiator di mobil, yang akan lebih baik untuk membersihkan dan melembabkan.
“Tetapi Anda ingin deteksi bau berlangsung sangat cepat, jadi ada satu cabang yang menyalurkan bau dengan kecepatan tinggi, yang berpotensi memungkinkan deteksi cepat daripada menunggu udara menyaring melalui zona pernapasan – Anda bisa menghilangkan sebagian besar bau jika udara telah dibersihkan dan prosesnya diperlambat.”
Dalam kromatografi gas, sampel diuapkan dan dibawa melalui tabung melingkar yang panjang. Berbagai komponen sampel bergerak dengan kecepatan berbeda berdasarkan sifat kimianya, sehingga memungkinkan pemisahan dan identifikasi.
Hidung kucing bekerja dengan prinsip yang sama. Saat dihirup, udara melewati turbinat yang melingkar. Molekul bau di udara berinteraksi dengan dinding saluran yang dilapisi lendir ini, dengan molekul yang berbeda “menempel” pada dinding dengan kecepatan yang berbeda. Proses ini secara efektif memisahkan molekul bau, yang memungkinkan otak kucing untuk memprosesnya dengan lebih efisien.
Simulasi tersebut juga mengungkap bahwa udara yang dikirim ke daerah penciuman akhirnya disirkulasikan kembali melalui saluran paralel saat sampai di sana. “Itu sungguh mengejutkan,” kata Prof. Zhao. “Rasanya seperti saat Anda mengendus, udara kembali ke sana dan kemudian diproses untuk waktu yang lebih lama.”
Pengaturan ini memberi kucing dua keuntungan penting. Pertama, memungkinkan deteksi bau secara cepat, yang sangat penting untuk mendeteksi mangsa atau predator potensial. Kedua, memungkinkan analisis bau kompleks yang lebih terperinci, yang dapat berguna untuk mengidentifikasi perbedaan halus pada bau yang ditinggalkan hewan lain.
Proyek ini merupakan yang pertama kali mengukur perbedaan kromatografi gas antara mamalia dan spesies lain. Prof. Zhao dan timnya memperkirakan hidung kucing 100 kali lebih efisien dalam mendeteksi bau daripada hidung lurus seperti amfibi pada tengkorak berukuran sama. Penelitian ini juga merupakan yang pertama kali menghasilkan teori kromatografi gas paralel: kumparan penciuman paralel yang mengalir dari aliran berkecepatan tinggi untuk meningkatkan panjang efektif jalur aliran sambil memperlambat kecepatan aliran udara lokal, yang berpotensi menghasilkan pemrosesan bau yang lebih baik.
“Kita tahu banyak tentang penglihatan dan pendengaran, tetapi tidak begitu banyak tentang hidung. Penelitian ini dapat menghasilkan pemahaman lebih lanjut tentang jalur evolusi di balik berbagai struktur hidung, dan tujuan fungsional yang dilayaninya,” Prof. Zhao menyimpulkan.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti menggunakan kombinasi teknik pencitraan beresolusi tinggi dan pemodelan komputer untuk mempelajari saluran hidung kucing. Mereka memulai dengan pemindaian mikro-CT pada kepala kucing, menggunakan zat kontras untuk menyorot saluran udara hidung yang halus. Ini menghasilkan peta 3D terperinci dari saluran hidung.
Mereka kemudian menggunakan histologi (pemeriksaan jaringan di bawah mikroskop) untuk mengidentifikasi berbagai jenis jaringan hidung. Informasi ini digabungkan untuk membuat model komputasional yang komprehensif dari saluran pernapasan hidung kucing. Dengan menggunakan model ini, mereka mensimulasikan aliran udara dan pengangkutan bau melalui hidung dalam berbagai kondisi pernapasan.
Hasil Utama
Studi ini mengungkap beberapa temuan utama. Pertama, mereka mengidentifikasi pemisahan yang jelas antara aliran udara pernapasan dan penciuman di hidung kucing. Aliran udara “dorsal medial” berkecepatan tinggi melewati area pernapasan utama dan menghantarkan bau dengan cepat ke daerah penciuman.
Daerah penciuman itu sendiri terdiri dari saluran melingkar yang kompleks yang berfungsi seperti kromatografi gas paralel. Struktur ini ditemukan 100 kali lebih efisien dalam memisahkan bau daripada hidung “tabung lurus” yang sederhana. Para peneliti juga menemukan bahwa hidung kucing sangat efisien dalam menyerap jenis molekul bau tertentu, yang dapat menjelaskan kepekaan kucing terhadap bau tertentu.
Keterbatasan Studi
Meskipun penelitian ini memberikan wawasan yang berharga, penelitian ini memiliki beberapa keterbatasan. Penelitian ini didasarkan pada satu spesimen kucing, jadi tidak memperhitungkan kemungkinan variasi antara kucing individu atau ras yang berbeda. Model komputasional, meskipun canggih, masih merupakan penyederhanaan dari sistem biologis yang kompleks. Selain itu, penelitian ini berfokus pada aliran udara dan transportasi bau tetapi tidak secara langsung mengukur persepsi bau atau aktivitas otak yang terkait dengan bau.
Diskusi & Kesimpulan
Penelitian ini menunjukkan bahwa struktur kompleks hidung mamalia, khususnya turbinat etmoid, memainkan peran penting dalam meningkatkan kinerja penciuman. Struktur turbinat yang melingkar dan sejajar ini memungkinkan pemisahan dan analisis bau yang efisien, mirip dengan kromatografi gas. Temuan ini dapat menjelaskan mengapa mamalia umumnya memiliki indra penciuman yang lebih berkembang dibandingkan dengan vertebrata lainnya.
Studi ini juga menyoroti pentingnya aliran udara medial dorsal dalam menghantarkan bau dengan cepat ke daerah penciuman, suatu fitur yang dapat menjadi krusial untuk deteksi bau secara cepat. Wawasan ini dapat diaplikasikan di berbagai bidang, mulai dari diagnostik medis hingga teknologi keamanan, yang menginspirasi desain baru untuk sistem deteksi bau buatan.
Pendanaan & Pengungkapan
Penelitian ini sebagian didanai oleh Mars Petcare UK dan hibah dari National Institute of Health. Salah satu penulis, SJ McGrane, adalah karyawan Mars Petcare UK, produsen makanan hewan peliharaan dan penyedia layanan kesehatan hewan. Mars Petcare UK juga merupakan sponsor korporat Monell Chemical Senses Center, tempat sebagian penelitian dilakukan. Penulis lain, K. Zhao, mengungkapkan bahwa dirinya adalah konsultan berbayar untuk Diceros Therapeutics, Inc., meskipun hal ini tidak terkait dengan proyek saat ini.
