Evolusi Molekuler

 

EVOLUSI molekuler

 

Standar Kompetensi    :

 

4. Memahami teori evaluasi sertaimplikasinyapada salingtemas.

 

Kompetensi Dasar        :

 

4. 2 Mengkomunikasikan hasil studi evolusi

 

 

 

Materi Pokok      : Evolusi Molekuler

 

 

 

 

 

Eksplorasi

 

Penemuan Fosil sebagai bukti evolusi tidak dapat dijelaskan secara akurat, karena fosil yang berbeda pada setiap lapisan bumi, baik bentuk dan jumlahnya tidak dapat digunakan untuk membuktikan adanya makhluk hidup.

 

Biologi molekuler berhasil mengungkap adanya fakta bahwa sebagian besar molekul DNA ternyata tidak digunakan sebagai fungsi hidup.Bagian DNA ini disebut intron, isinya adalah merupakan hasil mutasi atau perubahan urutan basa nukleotida DNA yang mencerminkan sisa/jejak kehidupan masa lalu.Banyak pihak menyebut molekul DNA ini sebagai molekul fosil yang sangat layak untuk menelusuri jejak sejarah menggantikan fosil hewan yang seringkali tidak lengkap dan menimbulkan kontroversi.

 

Pengenalan konsep

 

Dewasa ini pendekatan dari aspek evolusi molekuler banyak dilakukan untuk mengkaji evolusi biologi. Seperti dinyatakan Waluyo (2005) bahwa pada masa lalu, para ahli bekerja dengan data morfologi, anatomi, dan penurunan genetika, maka masa sekarang para ahli beranjak pada pendekatan molekuler, fisiologi, model matematika, dan lain sebagainya.

 

Seperti diketahui bahwa pengkajian evolusi pada masa evolusi modern saat ini dilihat dari berbagai aspek dan pendekatan sesuai dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi itu sendiri. Pada masa sekarang ini masalah evolusi dikaji dari pendekatan genetika populasi, evolusi ekologi, sistematik, evolusi molekuler dan paleontologi (Stearn & Hoekstra, 2003). Berbagai pendekatan dalam mengkaji masalah evolusi ini diprediksikan akan terus berkembang sesuai dengan dinamika perkembamngan ilmu.

 

Biologi molekuler adalah bidang ilmu yang berkembang dari genetika molekuler yang diperluas. Bahasan Biologi molekuler meliputi semua aspek proses hidup, tidak saja hanya menyangkut sifat-sifat yang diturunkan melalui gen, melainkan juga ekspresi dan pelaksanaan program-program kehidupan dalam proses fisiologi, perkembangan reproduksi dan taksonomi sampai dengan bahasan tentang adaptasi dan interaksi dengan spesies lain (Sumito,2002).

 

  1. A.      Pengertian dan Lingkup Evolusi Molekuler

 

Evolusi molekuler (molecular evolution) pada dasarnya menjelaskan dinamika daripada perubahan evolusi pada tingkat molekuler, disamping itu untuk mendukung pemahaman tentang proses evolusi dan efek-efek berbagai macam mekanisme molekuler, termasuk di dalamnya adalah evolusi genom, gen-gen, dan produk-produknya (Graur & Hsiung Li, 2000). Lebih lanjut dikatakan bahwa studi tentang evolusi molekuler berakar pada dua disiplin ilmu yang berbeda yaitu “genetika populasi “ dan “ biologi molekuler “.

 

Genetika populasi melengkapi tentang dasar teori untuk proses-proses evolusi, sementara biologi molekuler melengkapi tentang data empiric. Jadi untuk memahami evolusi molekuler tersebut sangat diperlukan pengetahuan dasar keduanya yaitu genetika populasi dan biologi molekuler praktis.Selanjutnya lingkup pembahasan evolusi molekuler seperti yang disampaikan Graur & Hsiung Li (2000) sebagai berikut.

 

 

 

Pengkajian teori evolusi pada masa modern ini dilihat dari beberapa pendekatan antara lain melalui pendekatan genetika populasi, evolusi ekologi, evolusi molekuler, sistematik, dan paleontology (Stearn & Hoekstra, 2003). Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa untuk mengkaji proses evolusi biologi dapat dilakukan melalui berbagai pendekatan, sehingga masalah evolusi dapat dikaji secara lebih komprehensif dan proporsional.

 

Pendekatan evolusi molekuler (molecular evolution) sebagai salah satu pendekatan yang digunakan dalam mengkaji evolusi biologi pada saat ini (masa evolusi modern) sangat banyak digunakan (Waluyo, 2005). Pendekatan molekuler ini mengkaji dan memandang evolusi dari sejarah rekaman urutan DNA dan protein (Stearn & Hoekstra, 2003).

 

Dua area pembahasan (1) pada objek pertama adalah menjelaskan tentang pembentukan, penyebab dan efek dari perubahan evolusi molekul dan (2) pada objek kedua menggunakan molekul hanya sebagai alat untuk merekontruksi sejarah biologi organisme dan konstituen genetikanya. Walaupun kenyataannya kedua disiplin ilmu di atas saling berkait erat. Kemajuan di satu area akan memfasilitasi perkembangan studi di area lain. Contoh, pengetahuan tentang filogeni adalah sangat esensial untuk determinasi jenis perubahan pada karakter molekuler. Sebaliknya, pengetahuan terhadap pola dan rata-rata perubahan melokul adalah sangat krusial dalam usaha untuk rekontruksi sejarah evolusi kelompok organisme.

 

Dalam tinjauan molekuler,  evolusi  merupakan perubahan susunan genetic pada generasi yang berurutan. Untuk mengetahui evolusi, sangat baik untuk mengetahui tentang  genetika dari populasi (population genetic). Penelitian selama 30 tahun yang dilakukan oleh R.A. Fisher di Inggris dan S. Wright di Amerika memperlihatkan bahwa evolusi tidak mengenai sebuah gen atau suatu individu, tetapi melaui sekelompok gen atau sekumpulan individu yang disebut populasi (Sidharta, 1995). Genetika individu selalu menyangkut konsep genotype yakni konstitusi genetika pada individu.Dan jika kita katakan bahwa evolusi adalah perubahan dalam komposisi genetis dari populasi, maka yang diartikan adalah suatu perubahan dari frekuensi genetis di dalam seluruh gen (termasuk plasmagen) yang dimiliki semua individu dalam populasi tersebut (Waluyo, 2005).

 

Perhitungan laju evolusi molekuler mengenai penyimpangan dalam struktur protein telah memberikan alasan yang kuat terjadinya mutasi secara acak.Urutan asam amino protein tertentu seperti sitokrom c dan hemoglobin pada berbagai macam organisme sekarang telah ditentukan. Dari jumlah perbedaan asam amino antara protein yang sama pada bermacam-macam spesies, dimungkinkan untuk menyusun pohon silsilah atau pohon filogenetik yang menunjukkan garis keturunan evolusi (Harris, 1994).

 

Penelitian-penelitian molekuler telah mengungkapkan asal usul kehidupan dan evolusi yang berlangsung setelahnya menjadi berbagai spesies, baik yang telah punah maupun yang masih ada saat ini. Teori-teori yang berkaitan dengan kejadian-kejadian awal ini tidak dapat dibuktikan secara pasti berdasarkan bukti-bukti sirkumstansial (kuat namun tidak membuktikan sesuatu hal benar atau tidak). Fosil molekuler seperti intron di dalam unit-unit transkripsional serta jalur-jalur biokimiawi umum yang dimiliki oleh berbagai organisme telah memberikan data tambahan untuk mendukung model-model yang ada saat ini.

 

Biologi molekuler memandang proses perkembangan organisme yang ada saat ini adalah merupakan hasil perkembangan makhluk hidup sebelumnya. Keragaman organisme yang ada pada saat ini dipandang sebagai perubahan organisme yang dimulai dari struktur DNA dimana mekanisme perubahan tersebut dimulai dari tingkat molekul DNA (penyandi program kehidupan) sehingga memungkinkan adanya keragaman organisasi makhluk hidup. Dari kajian bidang molekuler muncul banyak­ konsep penting adanya gen yang tidak berubah selama proses evolusi. Gen-gen tersebut memiliki tingkah homologi (kesamaan) struktur antara spesies dalam skala luas dan ekspresi fungsional protein yang dihasilkannya tidak berbeda satu dengan yang lainnya.Gen-gen ini disebut gen-gen yang mengalami konservasi.

 

Berdasarkan konsep biologi molekuler bahwa kajian asal usul organisme sangat diuntungkan oleh keberadaan mitokondria karena dalam kedua organela tersebut diketahui adanya DNA yang berbeda dengan DNA kromosom.Selain itu telah terbukti bahwa DNA mitokondria hanya berasal dari ibu.Sehingga untuk menelaah asal usul manusia, hewan dan tanaman tingkat tinggi. Banyak dilakukan dengan analisis DNA mitokondria (Widodo, 2003)

 

Biologi molekuler adalah bidang ilmu yang berkembang dari genetika molekuler yang diperluas. Bahasan Biologi molekuler meliputi semua aspek proses hidup, tidak saja hanya menyangkut sifat-sifat yang diturunkan melalui gen, melainkan juga ekspresi dan pelaksanaanprogram-program kehidupan dalam proses fisiologi, perkembangan reproduksi dan taksonomi sampai dengan bahasan tentang adaptasi dan interaksi dengan spesies lain (Sumito,2002dalam Mas’ud 2009).

 

Dengan demikian biologi molekuler merupakan bidang kajian yang mengandung unsur biokimia maupun biofisika dan hanya dapat dibahas dengan baik apabila cukup memiliki penguasaan bidang biologi secara mendasar. Berkaitan dengan mengungkap peristiwa evolusi pada tingkat genom, maka perlu dikaji dari aspek genetika dan Biologi molekuler untuk menjawab pertanyaan apa dan bagaimana evolusi dapat terjadi pada tingkat genom.

 

  1. B.       Garis Besar Evolusi Molekuler

 

Berbagai penelitian di bidang molekuler telah mencoba mengungkap asal-usul kehidupan dan evolusi berbagai makhluk hidup yang masih hidup atau yang telah punah. Teori-teori yang berkembang tentang asal-usul kehidupan memang sulit dibuktikan. Saat ini fosil molekuler sebagai intron yang terdapat dalam materi genetik tiap makhluk hidup merupakan salah satu petunjuk yang mendukung teori-teori tersebut. Garis besar evolusi molekuler adalah sebagai berikut:

 

  1. 1.        RNA

 

Suatu sistem kehidupan harus dapat mereplikasikan materi genetiknya danmampu berevolusi. Protein sangat penting dalam replikasi DNA, tetapi sebagian besar  potein di sintesis pada cetakan RNA dan cetakan RNA itu sendiri disintesis padacetakan DNA.Para saintis telah membuat hipotesis bahwa molekul-molekul RNA yang dapatmelakukan sendiri muncul secara prabiotis melalui kondensasi acak darimononukleotida-mononukleotida menjadi polimer-polimer kecil. Situs-situs aktif padasebagian besar protein modern dan RNA katalitik merupakan komponen penyusunsegmen-segmen yang relatif kecil dari polimer-polimernya.

 

Polimer-polimer RNAreplikasi primitif berukuran kecil yang terbentuk secara abiotis kemungkinan hanyamempunyai aktifitas katalitik yang lemah dan rentan terhadap replikasi yang salah.Meskipun demikian, molekul tersebut barangkali dapat menggunakan dirinya ataumolekul RNA lain sebagai cetakan untuk mempolimerisasi nukleotida RNA.

 

Kesalahan-kesalahan dalam jumlah banyak yang terjadi selama replikasi pada RNAreplikasi awal menghasilkan sebuahpool keragaman genetik yang dapat dipilah-pilaholeh seleksi alam untuk menemukan molekul-molekul yang dapat mereplikasikandengan lebih cepat atau mempunyai akurasi yang lebih tinggi. Akan tetapi, terdapatsebuah masalah, yaitu tidak ada replikasi yang dapat mengadakan situs aktifnya sendiri.Karenanya, dibutuhkan minimum dua replikasi RNA yang disintesis pada saat hampir  bersamaan dari prakursor ”sup purba”(primordial soup). Sebuah tipe primitive sel yangmengandung sebuah genom RNA, yang disebuteugenot, diduga berkembang dari populasi progenot.

 

Molekul RNA diduga merupakan molekul genom atau enzim primordial (purba) pada sistem-sistem kehidupan primitif. Gula ribose lebih mudah disintesi pada simulasikondisi primordial dibandingkan gula deoksiribosa. Prakursor DNA dari semua sel yanghidup pada saat ini dihasilkan dari reduksi nuleosid difosfat RNA oleh enzim proteinyang amat lestari (conserved) yang disebutribonukleosida difosfat reduktase.Enzimini terdapat pada semua sel modern dengan hanya sedikit perbedaan struktur. Haltersebut tanpa menunjukan bahwa enzim ini adalah enzim purba yang telah melakukantugas penting yang sepanjang sejarah evolusioner yang panjang. Sistem-sisitemkehidupan dengan genom RNA diduga telah berevolusi terlebih dahulu. Genom-genomDNA yang lebih stabil dievolusikan kemudian untuk menyimpan informasi genetik.

 

  1. 2.        DNA

 

Molekul DNA beruntai ganda mempunyai struktur yang lebih stabildibandingkan ssRNA. Karena lebih menguntungkan bagi system kehidupan untuk menyimpan informasi yang dapat diwariskan di dalam molekul DNA daripada molekulRNA. Gugus 2” OH pada RNA dapat menyerang ikatan fosfodiester yang beradadidekatnya sehingga membuat RNA menjadi jauh lebih stabil dari pada DNA.

 

Prosesautokatalitik ini barangkali dipercaya oleh kondisi-kondisi yang keras pada bumi primitif. Seiring semakin kompleksnya sel-sel ukuran genomnya juga harus meningkat.Jika eugenot pertama memiliki genot RNA yang tersegmentasi, setidaknya satu genomdari tiap segmen harus ada di dalam tiap sel anaknya agar sel tersebut dapat sintas(survive).

 

Sel-sel tak bernukleus pertama yang mengandung genom DNA (dan semua selsemacam itu yang muncul berikutnya) disebutprokariota.Setidaknya diperlukan empat proses utama untuk menyelasaikan transisi ini,yaitu (1) sintesis monomer DNA oleh ribonukleotida difospat reduktase; (2) transkripsi balik dari genom RNA menjadi polimer DNA; (3) replikasi genom DNA oleh DNA polymerase; dan (4) transkripsigenom DNA menjadi molekul RNA fungsional(nongenomik) seperti tRNA, mRNA, dan rNA.

 

Gen-gen yang terpisah pada sel eukariotik modern terdiri dari daerah pengkode(ekson) dan daerah yang bukan pengkode (intron). Terselingnya gen-gen oleh intronmenawarkan suatu keuntungan evolusioner. Tampaknya,ekson-ekson dari gen yang berbeda kadangkala dapat direkombinasi melalui mekanisme-mekanisme alami untuk mengkode protein dengan fungsi yang berbeda namun mempunyai domain-domainasam amino yang mirip. Tiap domain tersebut mempunyai fungsi spesifik (misalnyasebagai tempat pengikatan reseptor, pembentukan heliks- α dan lain-lain) proses inidisebutpengocokan ekson(exon shuffling), tampaknya telah digunakan secara luas didalam dunia DNA eukariota awal.

 

  1. 3.        Analisis Filogenetik 

 

Protein-protein dapat berevolusi dengan laju yang berbeda-beda akibat adanyafaktor intrinsic (mekanisme-mekanisme perbaikan). Protein-protein yang sangat lestari(conserved ) tampaknya hanya mampu menoleransi sedikit perubahan kecil, sedangkansejumlah protein lainnya mampu menyerap berbagai mutasi tanpa kehilanganfungsinya. Mutasi yang terjadi diluar daerah yang terlibat dalam fungsi normal dapatditoleransi sebagaimutasi netralsecara selektif.

 

Seiring berjalannya waktu biologis,mutasi-mutasi netral tersebut cenderung terakumulasi di dalam garis keturunangeneologis. Jika kita asumsikan kalau mutasi-mutasi netral semacam itu terakumulasidengan laju konstan untuk protein yang sangat lestari, maka kita bisa menentukan pola percabangan daripohon filogenetik (disebut jugakladogramataupohon evolusi) seperti pada Gambar 5.1 berikut:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 4.1. Pohon Filogenetik Berdasar Homologi antara Sitokrom c berbagai Organisme

 

(sumber: Budiyanto, 2011)

 

 

 

  1. 4.        Evolusi Sel-sel Eukariotik 

 

Dahulu, prokariota diduga berkerabat lebih dekat denganprogenot hasil postulasi(nenek moyang dari semua sel, sebelum adanya genom) daripada eukariota.Prokariota diduga juga mempunyai kekerabatan yang lebih dekat daripada dengaeukariota manapun. Sebagian besar spesies prokariota kemudian biasa diklasifikasikanlebih lanjut sebagaieubakteria.

 

Subkingdom prokariotik lainnya, yaituarchaehidup pada lingkungan-lingkungan yang diduga tesebar luas pada saat kehiudpan mulai berevolusi untuk pertama kalinya. Karenanya, dipercaya bahwa eubakteria berevolusidari archae primitive dan eukariota berevolusi dari eubakteria. Akan tetapi, secara bertahap ditemukan lebih banyak lagi perbeda yang memisahkan kedua sub kingdom prokariota tersebut.

 

Beberapa sifat dari archae dapat dijumpai pula pada eubakteria(keduanya merupakan prokariota), sedangkan beberapa sifat lainnya ditemukan pula pada eukariota (misalnya gen-gen bagi rRNA dan tRNA mengandung intron).Berdasarkan hasil analisisnya terhadap sekuens-sekuens nukleotida pada rRNA 165yang amat lestari dari berbagai organisme. Pada tahun 1977 Carl Woese mengatakan bahwa archae berbeda dengan eubakteria dan dari eukariota. Saat ini, ketiga kelompok tersebut diduga berevolusi dari progenot yang sama.

 

Organisme-organisme yang mempunyai sebuah nucleus kemungkinan telah berevolusi sekitar 3,5 miliar tahun yang lalu, akan tetapi bagaimana munculnyamembran nukleus pertama masih berupa misteri. Berdasarkanhipotesis proliferasimembran,satu atau lebih invaginasi membrane plasma pada progenot akan bersatusecara internal mengelilingi genom, menjadi terpisah dari membran plasma danmembetuk membran nukleus berlapis ganda.

 

Proses melipatnya membran plasmakearah dalam menenerangkan fakta bahwa nukleus sel-sel eukariotik moderndiselubungi oleh “membrane ganda” yang terdiri dari dua lapisan ganda lipid (lipid bilayer)Asal usul mitokondria pada eukariota yang berusia lebih muda dapat dijelaskan padateori endosimbiotik . Beberapa sel purba dapat mengingesti partikel-partikelmakanan me;alui invaginasi endositik membran plasmanya. Barangkali setidaknya adasebuah sel pencari makan berukuran besar yang mampu berfermentasi dan menelan satuatau lebih bakteri respirasi kecil, namun tidak dapat mencernanya.

 

Endosimbioninidapat bertahan hidup pada lingkungan yang kaya akan nutrisi dan dapat bersembunyidari sel predator lani. Sebaliknya sel-sel inang pencari makan tadi mendapatkankeuntungan energy dari respirasi oksidasi melebihi dari fermentasi. Keuntungan-keuntungan komplementer ini kemudian berevolusi menjadi sebuah hubungansimbiosis(“hidup bersama”) dimana salah satu entitas tidak dapat hidup tanpa entitaslainnya. Sebagian dari adaptasi bersama ini melibatkan transfer sebagian besar gen bakteri endo simbion kedalam nukleus sel inang. Sebagian besar molekul bermuatannegative, termasuk diantaranya mRNA, tRA, rRNA, dan beberapa jenis protein yangtidak dapat melewati membrane organel-organel tersebut harus tetap dikode oleh genomorganel itu sendiri. Proses ini diduga telah memunculkan mitokondria pada sel-seleukariotik modern setidaknya 1,5 miliar tahun yang lalu.

 

 

Gambar 4.2Asal Mula Terbentuknya Membran lapis Ganda pada Eukariot

 

(sumber: Budiyanto, 2011)

 

 

 

Bukti yang lebih kuat dapat ditunjukan pada evolusi kloroplas melaluiendosimbisis dari pada evolusi mitokondria. Suatu sel eukariotik pencari makan yangaerob (sel yang telah mengevolusikan mitokondria) diduga mampu menelan satu ataulabih eubakteria (yang berkerabat dengan sianobakteri) yang dapat melakukan fotosintesis organik. Dalam proses evolusinya menjadi kloroplas, endosimbionmelepaskan beberapa gennya kedalam genom nukleus namun dalam jumlah yang tidak sebanyak seperti yang dilepaskan oleh endosimbion yang berevolusi menjadimitokondria. Seperti halnya mitokondria, protokloroplas juga harus mempertahankangen-gen yang mengkode tRNA dan rRNA bagi sintesis protein dalam kloroplas.

 

Banyak bukti yang mendukung teori endosimbiotik bagi asal-usul kloroplas danmitokondria. Organela-organela ini mempunyai ukuran yang hampir sama dengan bakteri genomnya terdapat didalam sebuah molekul DNA sirkuler tunggal tanpa proteinhiston, seperti pada bakteri.kedua organela bereproduksi secara aseksual melalui pertumbuhan dan pembelahan organel yang menyerupai pembelahan biner. Sintesis protein pada mitokondria dan kloroplas dihambat oleh berbagai antibiotik yangmengaktifkan ribosom bakteri, namun hanya mempunyai efek yang sangat kecil padaribososm sitoplasma eukariotik. Polipeptida yang baru dibentuk pada bakteri,mitokondria dan kloroplas mempunyai N-formilmetionin pada ujung aminomnya.

 

Genom mitokondria dan kloroplas mengkodekan molekul tRNA dan rRNA bagisistem-sistem sintesis proteinnya sendiri.Ribosom yang terdapat pada kedua organelmempunyai bentuk dan ukuran yang serupa dengan ribosom bakteri.Terakhir, teoriendosimbiotik menerangkan fakta bahwa kedua organela tersebut mempunyai membraneganda.Membran dalamnya menyerupai membran plasma endosimbion nenek moyang,sedangkakn membrane luarnya merepresentasikan membrane plasma nenek moyang seinang pencari makannya.

 

  1. C.      Proses Evolusi Molekuler

 

Evolusi melekuler merupakan merupakan proses evolusi yang terjadi pada skala DNA, RNA, dan protein. Secara garis besar, evolusi molekuler ini membahas mengenai RNA, DNA, analisis filogenik, dan evolusi eukariot. Evolusi molekuler muncul sebagai bidang ilmu pengetahuan pada tahun 1960-an ketika peneliti dari bidang biologi molekuler, biologi evolusi, dan genetika populasi berusaha memahami stuktur dan fungsi asam nukleat dan protein yang baru ditemukan.

 

Genetika populasi menyediakan dasar-dasar teori untuk studi proses-proses evolusi, sementara biologi molekuler menyediakan data empiris. Oleh karena itu, untuk memahami evolusi molekuler diperlukan sejumlah pengetahuan dasar baik dari genetika populasi dan biologi molekuler.

 

Filogeni molekuler adalah ilmu tentang hubungan evolusi diantara organisme dengan menggunakan data molekuler seperti DNA dan sekuen protein. Tujuan penelitian filogeni adalah merekonstruksi hubungan genetis yang benar diantara keseluruhan sifat biologis, untuk memperkirakan waktu perbedaan antara organisme-organisme (yaitu waktu sejak organisme membagi keturunan yang umum) dan untuk mengurutkan sekuen peristiwa selama lintasan evolusi. Adapun proses evolusi molekuler adalah sebagai berikut:

 

  1. 1.      Proses Terbentuknya Bumi

 

Bumi adalah planet tempat tinggal seluruh makhluk hidup beserta isinya.Sebagai tempat tinggal makhluk hidup, bumi tersusun atas beberapa lapisan bumi, bahan-bahan material pembentuk bumi, dan seluruh kekayaan alam yang terkandung di dalamnya.Bentuk permukaan bumi berbeda-beda, mulai dari daratan, lautan, pegunungan, perbukitan, danau, lembah, dan sebagainya. Bumi sebagai salah satu planet yang termasuk dalam sistem tata surya di alam semesta ini tidak diam seperti apa yang kita perkirakan selama ini, melainkan bumi melakukan perputaran pada porosnya (rotasi)  dan bergerak mengelilingi matahari (revolusi) sebagai pusat sistem tata surya. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya siang malam dan pasang surut air laut. Oleh karena itu, proses terbentuknya bumi tidak terlepas dari proses terbentuknya tata surya kita.

 

Teori “Big-bang” diperkirakan terjadi sekitar 20 milyar tahun yang lalu. Sekitar 15 milyar tahun kemudian, kumpulan debu dan gas luar angkasa menyatu dan berkondensasi akibat gravitasi, menjadi gumpalan gas raksasa yang kita kenal sebagai matahari. Matahari ini dikelilingi oleh beberapa bentukan yang lebih kecil dengan komposisi yang bervariasi, yang dikenal sebagai planet. Jagad raya sebagian besar tersusun oleh gas dengan berat molekular ringan, yaitu hidrogen dan helium, dimana unsur2 tersebut merupakan penyusun utama suatu bintang. Unsur dengan berat molekul yang lebih berat menyusun hanya sekitar 0,1 persen dari suatu planet.

 

Ketika bumi terbentuk, panas dilepaskan yang disebabkan oleh keruntuhan karena gravitasi (collapse due to gravity) dan adanya elemen radioaktif pada kumpulan debu. Selama ratusan miliar tahun pertama, bumi terlalu panas sehingga air tidak dapat berbentuk cair dan hanya dalam bentuk uap. Setelah suhu bumi menurun, uap tersebut mengalami kondensasi dan membentuk lautan dan danau. Kehidupan diperkirakan berasal dari reaksi kimia yang terjadi pada atmosfer, diikuti dengan reaksi lanjut pada lautan dan danau purba (hidrosphere).

 

  1. 2.        Pembentukan Atmosfer

 

Pada awalnya bumi ini sebagian besar terdiri atas hydrogen dan helium, namun hydrogen dan helium memiliki massa yang ringan sehingga dengan mudahnya terbuang ke luar angkasa. Ada aktivitas vulkanologi kemudian membentuk atmosfer bumi ke-dua, sebagian besar gas vulkanik tersebut tersediri atas uap air dan sisanya adalah CO2, N, dan SO2, H2S, HCl, B2O3, elemen sulfur, dan sedikit H2, CH4, SO3, NH3 dan HF namun belum terdapat oksigen.

 

Atmosper bumi saat ini, merupakan atmosfer ketiga, yang terdiri atas  Metana, amoniak, dan gas tereduksi yang lain serta komponen dasar misalnya  nitrogen, tiruan orgon, xenon dan lain-lain. Hingga masa tersebut oksigen masih belum ada, sampai akhirnya terdapat organisme fotosintesis pertama yaitu Cyanobacteria, organisme ini menghasilkan oksigen melalui fotosintesis.Organisme ini sudah berkembang kira-kira 25 ribu juta tahun yang lalu. Lama kelamaan dengan semakin banyaknya jumlah organisme fotosintesis yang terbentuk, maka kadar oksigen yang ada di atmosfer meningkat, oksigen yang ada di atmosfer mencapai 1% kira-kira 800 juta tahun yang lalu, dan 10% kira-kira 400 juta tahun yang lalu, saat ini kira-kira 20%.

 

  1. 3.        Teori Biologi: “Asal-Usul Kehidupan” Teori Oparin

 

Alexander Oparin adalah Ilmuwan Rusia. Didalam bukunya yang berjudul The Origin of Life(Asal Usul Kehidupan). Oparin menyatakan bahwa pada suatu ketika atmosfer bumi kaya akan senyawa uap air, CO2, CH4, NH3, dan Hidrogen. Karena adanya energi radiasi benda-benda angkasa yang amat kaut, seperti sinar Ultraviolet, memungkinkan senyawa-senyawa sederhana tersebut membentuk senyawa organik atau senyawa hidrokarbon yang lebih kompleks. Proses reaksi tersebut berlangsung di lautan.

 

 

 

Gambar 4.3  Formasi sup primitif (sumber: Campbell, 2003)

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Senyawa kompleks yang mula-mula terbentuk diperkirakan senyawa seperti Alkohol (H2H5OH), dan senyawa asam amino yang paling sederhana. Selama berjuta-juta tahun, senyawa sederhana tersebut bereaksi membentuk senyawa yang lebih kompleks, Gliserin, Asam organik, Purin dan Pirimidin. Senyawa kompleks tersebut merupakan bahan pembentuk sel.

 

Menurut Oparin senyawa kompleks tersebut sangat berlimpah dilautan maupun di permukaan daratan. Adanya energi yang berlimpah, misalnya sinar Ultraviolet, dalam jangka waktu yang amat panjang memungkinkan lautan menjadi timbunan senyawa organik yang merupakan sop purba atau Sop Primordial. Senyawa kompleks yang tertimbun membentuk sop purba di lautan tersebut selanjutnya berkembang sehingga memiliki kemampuan dan sifat sebagai berikut :

 

  1. Memiliki sejenis membran yang mampu memisahkan ikatan-ikatan kompleks yang terbentuk dengan molekul-molekul organik yang terdapat disekelilingnya;
  2. Memiliki kemampuan untuk menyerap dan mengeluarkan molekul-molekul dari dan ke sekelilingnya;
  3. Memiliki kemampuan untuk memanfaatkan molekul-molekul yang diserap sesuai dengan pola-pola ikatan didalamnya;
  4. Mempunyai kemampuan untuk memisahkan bagian-bagian dari ikatan-ikatannya.

 

Kemampuan semacam ini oleh para ahli dianggap sebagai kemampuan untuk berkembang biak yang pertama kali.Senyawa kompleks dengan sifat-sifat tersebut diduga sebagai kehidupan yang pertamakali terbentuk. Jadi senyawa kompleks yang merupakan perkembangan dari sop purba tersebut telah memiliki sifat-sifat hidup seperti nutrisi, ekskresi, mampu mengadakan metabolisme, dan mempunayi kemampuan memperbanyak diri atau reproduksi.

 

Walaupun dengan adanya senyawa-senyawa sederhana serta energi yang berlimpah sehingga dilautan berlimpah senyawa organik yang lebih kompleks, namun Oparin mengalami kesulitan untuk menjelaskan mengenai mekanisme transformasi dari molekul-molekul protein sebagai benda tak hidup kebenda hidup.

 

Oparin menjelaskan Bagaimana senyawa-senyawa organik sop purba tersebut dapat memiliki kemampuan seperti yang tersebut diatas karena, protein sebagai senyawa yang bersifat Zwittwer Ion, dapat membentuk kompleks koloid hidrofil (menyerap air), sehingga molekul protein tersebut dibungkus oleh molekul air. Gumpalan senyawa kompleks tersebut dapat lepas dari cairan dimana dia berada dan membentuk emulsi. Penggabungan struktur emulsi ini akan menghasilkan koloid yang terpiah dari fase cair dan membentuk timbunan gumpalan atau Koaservat.

 

Timbunan Koaservat yang kaya berbagai kompleks organik tersebut memungkinkan terjadinya pertukaran substansi dengan lingkungannya. Di samping itu secara selektif gumpalan Koaservat tersebut memusatkan senyawa-senyawa lain kedalamnya terutama Kristaloid. Komposisi gumpalan koloid tersebut bergantung kepada komposisi mediumnya. Dengan demikian, perbedaan komposisi medium akan menyebabkan timbulnya variasi pada komposisi sop purba. Variasi komposisi sop purba diberbagai areal akan mengarah kepada terbentuknya komposisi kimia Koaservat yang merupakan penyedia bahan mentah untuk proses biokimia.

 

Tahap selanjutnya substansi didalam Koaservat membentuk enzim. Di sekeliling perbatasan antara Koaservat dengan lingkungannya terjadi penjajaran molekul-molekul Lipida dan protein sehingga terbentuklah selaput sel primitif. Terbentuknya selaput sel primitif ini memungkinkan memberikan stabilitas pada koaservat. Dengan demikian, kerjasama antara molekul-molekul yang telah ada sebelumnya yang dapat mereplikasi diri kedalam koaservat dan pengaturan kembali Koaservat yang terbungkus lipida amat mungkin akan menghasilkan sel primitif.

 

Kemampuan koaservat untuk menyerap zat-zat dari medium memungkinkan bertambah besarnya ukuran koaservat. Kemungkinan selanjutnya memungkinkan terbentuknya organisme Heterotropik yang mampu mereplikasi diri dan mendapatkan bahan makanan dari sop Primordial yang kaya akan zat-zat organik.

 

  1. 4.        Teori Evolusi Kimia: Eksperimen Miller

 

Pada awal tahun 1950 an, biokimiawan Stanley Miller , menirukan proses reaksi yang terjadi di atmosper purba. Tiruan atmosphere mengandung metana, amoniak dan uap air lalu diberi perlakuan aliran listrik yang tinggi. Gas di sirkulasikan disekitar alat sehingga beberapa senyawa organik terbentuk di atmosfer tiruan yang bisa dilarutkan dalam labu air, hal ini dimaksudkan untuk  menggambarkan seperti  lautan purba.  Senyawa tersebut kemudian saling beraksi satu sama lain di dalam air

 

Hasil pemeriksaan terhadap air yang tertampung dalam perangkap embun dianalisis secara kosmografi. Ternyata air tersebut mengandung senyawa organik sederhana, seperti asam amino, adenine, dan gula sederhana seperti ribose. Eksperimen Miller ini dicoba beberapa pakar lain, ternyata hasilnya sama. Bila dalam perangkat eksperimen tersebut dimasukkan senyawa fosfat, ternyata zat-zat yang dihasilkan mengandung ATP, yakni suatu senyawa yang berkaitan dengan transfer energi dalam kehidupan.

 

Semenjak banyak reaksi kimia yang reversible, sumber energi yang sama yang memproduksi molekul organik juga sangat efektif menghancurkannya. Masa yang panjang membangun kebutuhan material organik yang diproteksi dari suber energy yang membentuknya. Ini adalah fungsi tiruan lautan purba dalam eksperimen miler. Air melindungi melekul dari radiasi sinar ultraviolet dan pembebasan listrik. Pertahanan dari molekul organik pada bumi purba tergantung dari lolosnya senyawa tersebut dari radiasi sinar ultraviolet dan cahaya lain dengan melarutkan diri di lautan atau di danau atau melekatkan diri pada mineral tanah liat.

 

Kebanyakan molekul organik dibentuk di atas langit yang bisa menghancurkannya lebih cepat lagi, sementara itu yang telah menjangkau lautan dan larut akan bisa mempertahankan diri. Sebagai contoh, asam organik dalam partikel asam amino adalah terlarut dalam air dan non volatile. Senyawa tersebut aman terlaurut dalam air, ada sedikit kecenderungan untuk molekul yang serupa untuk kembali ke atmosfer. Senyawa yang telah terbentuk lebih dahulu misalnya aldehid dan sianida, tidak hanya memiliki reaksi yang tinggi tapi juga volatile. Sebagai akibatnya molekul tersebut tidak betahan lama. Hal ini walaupun pada tahapan awal, sudah ada bentuk dari seleksi alam diantara molekul tersebut.

 

 

 

 

Figure: 4.4 simulasi eksperimen kondisi prebiotik : air dipanaskan dalam alat yang berisi CH4, NH3, dan H2, dan debit listrik dilewatkan melalui campuran menguap, senyawa organik yang terakumulasi dalam tabung perangkap. (Sumber:Clark, David P., 2005)

 

 

 

Eksperimen Millermenggunakansistem tertutup untukmerangsangkondisipurbadi planet bumiawal.airdirebusuntuk membuat uap(kiri bawah), yang kemudiandicampur denganNH3dan CH4di ruang lain. Iniruang atasmerangsangatmosfer awalbumi danmenjadi sasaranbaikdebitlistrik(ditampilkan) atau radiasi ultraviolet(tidak ditampilkan). Produkyang dihasilkandidinginkan danterkondensasiketika mereka melewatigulungandiisi denganair dingin. Kentalprodukdilarutkan dalam labuair, yang simulasilautanawal.molekulyang baru terbentukdianalisispada berbagai waktu selamapercobaan.

 

  1. 5.        Polimerisasi Monomer Menjadi Makromolekul

 

Polimerisasi monomer untuk menjadi molekul biologi pada umumnya melepaskan H2O. Jelasnya air sangat berlimpah di lautan dan pelepasan air dari molekul yang tidak terlarut tidak menguntungkan. Penyusunan makromolekul seperti protein dan asam nukleat membutuhkan energi yang tinggi untuk membentuk suatu ikatan dan melepaskan air. Sebelum phospat berenergi tinggi digunakan seperti pada sel-sel modern sekarang ini, ada energy lain yang digunakan untuk melepaskan air tersebut.

 

Protein polimer tiruan memiliki rangkaian asam amino yang acak yang disebut proteinoid, proteinoid ini dibentuk dengan cara memanaskan campuran asam amino kering pada suhu 1500c selama beberapa jam (seperti pada gambar 3A). Tidak seperti protein yang memiliki ikatan pada gugus NH2 dan COOH karboksil, polipeptida purba ini memiliki banyak ikatan bahkan pada rantai samping. Poliptida ini tersusun atas sekitar 250 asam amino yang terkadang memiliki aktivitas enzimatis primitive. Kejadian semacam ini dapat terjadi disekitar kawah gunung berapi. Berbagai penelitian tergantung pada proteinoid ini, seperti yang dilakukan oleh Sindey Fork. Terdapat pula cara lain untuk polimerisasi asam amino dengan menggunakan mineral dari tanah liat yang memiliki sifat khusus terjadinya ikatan molekul-molekul kecil pada permukaan mineral, hal ini akan memacu beragam reaksi, misalnya tanah liat jenis Montmorillonit, dapat menggabungkan asam amino menjadi polipetida sepanjang 200 residu.

 

Polimerisasi asam amino bisa juga terjadi di lautan, tetapi dibutuhkan agen kondensasi untuk mengikat air, beberapa macam agen kondensasi yang dikenal misalnya suatu turunan sianida yang disebut poliposphat, poliposfat ini telah ada di masa lampau (bumi purba). Yang dihasilkan dari posphat disekitar gunung berapi. Polipospat dapat bereaksi dengan berbagai molekul organic untuk menghasilkan posphat organic, salah satu contohnya adalah asam amino. Asam amino fosfat adalah asam amino yang gugus karboksilnya berikatan dengan gugus fosfat, apabila dilakukan pemanasan pada senyawa-senyawa tersebut, maka dapat terbentuklah polipeptida.

 

 

 

Gambar 4.5 Bentuk Protenoid oleh Mild heat atau Clay katalisis(Sumber:Clark, David P., 2005)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Asam amino juga dapat membentuk ikatan jika melekat pada mineral tanah liat tertentu, mineral ini memiliki sisi pelekatan untuk berbagai asam amino dimana selanjutnya terjadi kondensasi membentuk proteinoid.

 

Pengabungan asam amino tunggal menjadi polipeptida dapat terjadi dilautan selama agen kondensasinya adalah poliposphat yang beraksi pada gugus amin atau karboksil suatu asam amino. Proses ini dapat menghasilkan posporamida dan asil posphat yang dapat membentuk rantai peptida jika dipanaskan.

 

  1. 6.        Kemampuan Enzim Pada Proteinoid

 

Hal yang menarik bahwa proteinoid yang dipanaskan dilaboratorium dalam kondisi yang mirip dengan keadaan bumi di masa lalu dapat melakukan reaksi enzimatik yang sederhana. Namun prosesnya lebih lama dan tidak seakurat pada sel-sel saat ini. Tetapi pada prinsipnya bisa melakukan reaksi enzimatik. Misalnya proteinoid dapat melepaskan CO2 dari molekul sperti piruvat, oksaloasetat dan berbagai ester.

 

Sekitar 50% dari enzim-enzim masa kini mengandung ion logam sebagai kofaktor ion logam juga dapat memperkuat kemampuan enzimatik proteinoid. Sebagai contoh mineral tembaga akan memicu reaksi diantara berbagai asam amino dan reaksi oksidasi reduksi yang difasilitasi oleh mineral besi. Adanya logam yang membantu penguraian ATP yang akan menjadi polimer asam nukleat dan pembawa energy sebagian besar enzim masa kini memiliki atom seng (Zn) sebagai kofaktor.

 

  1. 7.        Asal Mula Makromolekul Sebagai Materi Genetik

 

Informasi biologi diwariskan melalui nukleotida campuran dari poliposphat, purin dan pirimidin dapat menghasilkan rantai asam nukleat jika ditambahkan ribose atau dioksi ribose. Suatu masalah yang masih belum bisa dipecahkan sampai sekarang adalah RNA purba menggunakan urutan 2’-5’, namun RNA sekarang tapi RNA sekarang ini memiliki urutan 3’-5’ RNA purba kehilangan O-nya di rantai C no 2. Hingga saat ini diperkirakan RNA-lah yang merupakan molekul genetika pertama bukan DNA, barulah selanjutnya DNA dirancang untuk lebih stabil dan akurat dalam menyimpan materi genetic.

 

Bila suatu templet RNA diinkubasikan dengan canpuran nukleotida dan suatu agen kondensasi maka akan terbentuk RNA komplementer. Reaksi non enzimatik ini dikatalisis oleh ion Pb dengan tingkat kesalahan kira-kira 1 banding 10, jika memakai ion zink dapat menghasilkan 40 pasang basa nukleotida, dimana tingkat kesalahannya kira-kira 1 dalam 200. Semua RNA dan DNA polymerase saat ini, terdiri dari zink. Jika urutan 3’-5’ pada untaian RNA templet digunakan kiraa-kira 75% dari pembentukan RNA yang baru juga memiliki urutan 3’-5. Bagaimanapun sampai saat ini belum ada pemecahan masalah mengapa dulunya RNA purba menggunakan ururan 2’-5’ bukan 3’-5’?

 

Jika campuran nukleosida dari tripospat (nukleosida + poliposphat) diinkubasikan dalam kondisi seperti bumi di masa lampau dan dikatalisis dengan zink, maka akan terbentuk suatu untai RNA dengan urutan yang acak, proses polimerisasi semacam ini berlangsung sangat lambat kemudian bila polimer RNA mulai terbentuk, RNA ini akan berperan sebagai templet untuk penyusunan untaian komplementer baru, untuk tahapan selanjutnya proses polimerisasi bisa berjalan dengan cepat, untai komplementer yang telah terbentuk dapat berperan sebagai templet untuk menghasilkan RNA lebih banyak, jadi jika untaian pertama telah terbentuk, maka untaian ini akan memperbanyak diri dengan lebih cepat.

 

Gambar 4.6 Perakitan dan penggandaan acak RNA(Sumber:Clark, David P., 2005)

 

 

 

  1. 8.        Ribozim Dan RNA (RNA World)

 

Dalam proses evolusi, nampaknya RNA adalah molekul kehidupan pertama yang muncul di muka bumi ini. Molekul RNA memiliki kemampuan merakit dan menduplikasi dirinya sendiri dalam kondisi bumi di masa lampau. Meskipun sebagian besar enzim di masa kini adalah protein, ternyata RNA juga memiliki kemampuan enzimatis untuk mengkatalis reaksi tanpa bantuan protein. Hal ini menunjukkan bahwa asam nukleat primitif dapat mereplikasi dirinya sendiri.

 

Terdapat suatu gagasan bahwa organisme yang pertama kali muncul di muka bumi ini telah memiliki gen dan enzim yang terbuat dari RNA yang disebut “RNA world”. Gagasan ini diajukan oleh Walter Gilbert pada tahun 1986 dalam menghadapi paradox bahwa asam nukleat diperlukan untuk mensintesis protein, sementara enzim yang terbuat dari protein ternyata dibutuhkan untuk mereplikasi asam nukleat.

 

Gagasan RNA world dari Gilbert tahun 1986 menyatakan bahwa RNA memiliki kemampuan ganda sebagai asam nukleat sekaligus sebagai enzim. Walau peran sebagai enzim kini sebagian besar telah dilakukan oleh protein, serta DNA sebagai pembawa informasi genetik, RNA tetap memiliki posisi transisi sebagai gen dan enzim.

 

Dalam hal ini masih terdapat pertanyaan tentang kemampuan RNA dalam menyalin dirinya tanpa bantuan dari DNA atau protein. Sebuah percobaan yang menggunakan molekul RNA buatan menunjukkan bahwa molekul RNA tersebut memiliki kemampuan ligase primitif. Ribozim ligase tersebut dapat menyambung dua untai RNA sebagaimana protein enzim pada sel masa kini. Pada tahap selanjutnya ribozim tersebut digunakan sebagai template untuk membentuk RNA komplementer dengan tingkat akurasi 96-99%. Akan tetapi proses ini berjalan sangat lambat. Tidak seperti polimerase pada umumnya yang tetap menempel pada template untuk menambahkan nukleotida, ribozim melakukan tugasnya dengan cara melepaskan diri dari template setelah menambahkan sebuah nukleotida.

 

 

Gambar 4.7  Asal-usul Evolusi Ribozym RNA Polymerase(Sumber:Clark, David P., 2005)

 

 

 

Masalah lain pada konsep RNA world adalah bahwa RNA jauh lebih reaktif daripada DNA. Meskipun RNA dapat disintesis dengan mudah, akan tetapi senyawa ini tidak stabil. DNA yang terbentuk lebih lambat sebenarnya juga dapat terbentuk dalam kondisi bumi yang primitif. Sebuah lautan yang dikenal sebagai primitive soup bisa sesungguhnya dapat mengandung campuran asam nukleat RNA atau DNA, protein, lipida, dan karbohidrat. Pada akhirnya dapat diduga bahwa sebelum tercipta RNA dan DNA, primitive soup memiliki sejenis asam nukleat hybrid yang memiliki sifat keduanya.

 

  1. 9.        Sel Pertama: Asal Mula Terbentuknya Sel

 

Pembentukan molekul-molekul biologis didunia primitive adalah langkah pertama terbentuknya sel primitive. Pada tahap selanjutnya diperkirakan bahwa protein dan lipid terkumpul disekeliling RNA dan DNA primitive lalu membentuk sebuah kantung yang memiliki membrane prototype (membrane awal) sel ini mulai mencoba menggunakan RNA untuk mengkode molekul protein, molekul lipid membentuk struktur membrane untuk melindungi komponen sel, selanjutnya protein dan RNA mengembangkan fungsi enzimatiknya (gambar 7). Akan tetapi bila protein lebih dominan kemampuan enzimatiknya maka, RNA akan mengurangi fungsi enzimatiknya. Diduga RNA adalah molekul pembawa informasi pertama dan disusul DNA. DNA bersifat lebih stabil daripada RNA sehingga dapat menyimpan informasi genetika dengan taraf kesalahan yang sedikit.

 

 

Gambar 4.8 Munculnya Proto-Cell. sebuah sel primitif awal mungkin berisi molekul RNA sebagai materi informasi pengkodean. Molekul RNA akan bertindak sebagai ribozim untuk membuat salinan dari materi genetik RNA. dari waktu ke waktu, RNA akan mengembangkan kemampuan untuk mensintesis protein untuk melakukan banyak pekerjaan enzimatik(Sumber:Clark, David P., 2005)

 

Sel primitif ini sangat mirip dengan bakteri, habitatnya didalam senyawa organik yang disebut primitif soup, pada tahap berikutnya sel primitive ini mulai mencari sumber energi baru yaitu sinar matahari, diduga awal mulanya proses fotosintesis menggunakan energi matahari dan belerang, lalu pada tahapan lanjutan, fotosintesis menggunakan H2O. Molekul H2O dipecah untuk menghasilkan oksigen diatmosfer, munculnya oksigen diatmosfer mengubah keadaan planet bumi yaitu sel mulai mengembangkan kemampuan respirasi. Dalam hal ini sel memanfaatkan energi dengan cara mengoksidasi molekul makanan. Proses fotosintesis melepaskan oksigen dan menghasilkan karbon dioksida, namun sebaliknya pada proses respirasi.

 

Gambar 4.9 sebuah model sel eukariotik yang asli melalui serangkaian endosymbiosis (sumber: Campbell, 2003)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 4.10 Perkembangan fotosintesis sampai tahap Respirasi(Sumber:Clark, David P., 2005)

 

 

 

  1. 10.    Teori Autotrof: Asal Mula Terbentuknya Metabolisme

 

Dalam pandangan ilmu kimia, sel primitif di masa lampau bukanlah sel yang bersifat heterotrof. Sebaliknya sel tersebut bersifat autotrof dan mengikat CO2 untuk menghasilkan materi organik untuk dimanfaatkan sendiri. Organisme autotrof memanfatkan materi anorganik seperti karbon untuk menghasilkan makanan untuk diri sendiri. Contoh organisme autotrof adalah tanaman yang menggunakan energi sinar matahari untuk mengubah CO2 menjadi berbagai turunan gula. Selain itu beragam bakteri juga bersifat autotrof dan mampu mengikat CO2 untuk dijadikan asam karboksilat.

 

Terdapat postulat dalam teori ini bahwa kehidupan di masa lampau menggunakan persenyawaan besi untuk menghasilkan energi. Hal ini dilakukan dengan mengubah FeS menjadi FeS2 oleh H2S dapat melepaskan energi dan menghasilkan atom H untuk mereduksi CO2 menjadi materi organik. Beberapa jenis bakteri anaerobik di masa kini menghasilkan energi dengan cara oksidasi Fe2+ menjadi Fe3+, sementara organisme lain melakukan hal serupa dengan cara mengoksidasi sulfur. Jadi diduga bentuk metabolisme di masa lampau yang melakukan metabolisme berbasis besi dan sulfur.

 

Terdapat beberapa kemungkinan cara fiksasi CO2 yang dilakukan di masa lampau. Pertama, yaitu melibatkan insersi CO2 dengan dikatalis Fe menjadi turunan sulfur semacam asam karboksilat. Di masa kini, cara ini masih bisa digunakan yaitu sebagai perantara metabolik seperti asam asetat, asam piruvat, asam suksinat, dan sebagainya. Hanya saja kejadian semacam ini tidak terjadi dalam lautan primitive soup, nampaknya lebih dimungkinkan terjadi di permukaan mineral besi sulfida di bawah tanah. Jadi asal mula senyawa asam organik tersebut mungkin terjadi melalui proses seperti percobaan Miller. Pendapat lain menyatakan bahwa molekul organik pertama yang ada di bumi adalah turunan karbon monoksida dan H2S. Hal ini pernah diujicobakan bahwa campuran katalis FeS atau NiS dapat mengubah CO yang ditambah methane thiol (CH3SH) menjadi tioester (CH3-CO-SCH3). Selanjutnya tioester ini dapat dihidrolisis menjadi asam asetat. Sejumlah katalis selenium dapat membantu konversi CO yang ditambah H2S menjadi CH3SH yang dapat diproses menjadi asam asetat. Saat ini juga terbukti bahwa CO dapat diaktivasi katalis FeS/NiS sehingga dapat menciptakan ikatan peptida di antara asam amino alpha dalam larutan suhu tinggi.

 

 

 

  1. 11.    Evolusi Sekuens DNA,RNA, dan Protein

 

Pada kajian ini akan membahas tentang gen nenek moyang suatu organisme.  Lebih dari jutaan tahun yang lalu, mutasi terjadi pada urutan DNA, perlahan tapi pasti. Sebagian besar mutasi akan terseleksi karena bersifat merusak, namun sebagian akan tetap bertahan. Mutasi yang tergabung secara permanen menjadi gen merupakan mutasi netral dan tidak berbahaya atau tidak ada efek samping  terhadap organism. Kadang-kadang mutasi dapat meningkatkan fungsi gen dan atau dapat mengkode protein meskipun jarang sekali terjadi. Mutasi yang berbahaya menjadi bermanfaat pada kondisi lingkungan yang baru.

 

Jika protein masih dapat bekerja secara normal, mutasi dalam sebuah gen bisa saja terjadi. Beberapa asam amino dapat membentuk protein yang bervariasi, dalam batas yang layak tanpa merusak fungsi dari protein tersebut. Penggantian sebuah asam amino oleh asam amino sejenis (contoh pada substitusi konservatif) sangat kecil kemungkinannya untuk menghilangkan fungsi protein tersebut. Jika kita bandingkan urutan dari protein yang sama yang diambil dari organisme yang berbeda, kita akan menemukan bahwa sequensnya akan segaris (sejajar) dan sangat mirip. Sebagai contoh, rantai α hemoglobin antara manusia dan simpanse adalah identik. Sekitar 13% asam amino di hemoglobin babi berbeda dengan manusia, 25% bedanya dengan ayam, dan 50% bedanya dengan ikan.

 

 

Gambar 4.11Sekuens asam amino dari polipeptida terkait diberikan dalam satu kode huruf. situs besi dilestarikan mengikat ditampilkan dalam huruf tebal. khususnya, atom Fe terikat oleh dua residu histidin (H). yang dyhydrogenase gliserol dari Bacillus berhubungan dengan anggota lain dari keluarga protein tetapi tidak lagi menggunakan besi dan, seperti yang dapat dilihat, urutan mengikat besi telah menyimpang dan keduanya histidines telah digantikan oleh asam amino lainnya(Sumber:Clark, David P., 2005)

 

Oleh sebab itu, ada kemungkinan untuk membuat atau mengkonstruksi sebuah pohon evolusi dengan menggunakan serangakaian sequens protein selama ditemukan pada organisme yang akan dibandingkan. Rantai α hemoglobin hanya ditemukan pada darah manusia. Sitokrom C adalah protein yang termasuk dalam generasi energi pada semua organisme yang lebih tinggi tingkatannya seperti tumbuhan dan jamur. Manusia dan ikan berbeda dari segi sequen asam aminonya, sekitar 18% untuk sitokrom C antara manusia dan tanaman atau jamur sekitar 45%.

 

 

 

Gambar 4.12Pohon evolusioner  dari sitokrom C (sumber: Campbell, 2003)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mutasi individual dapat berperan mengubah suatu sekuen gen menjadi sekuen leluhurnya. Akan tetapi mutasi balik semacam itu hampir tidak pernah terjadi. Hal ini terkait dengan probabilitas. Pada dasarnya tidak ada yang menghalangi suatu mutasi untuk berbalik mengubah suatu sequence menjadi sequence leluhurnya, akan tetapi kemungkinannya teramat kecil.

 

  1. 12.    Munculnya Gen Baru Melalui Duplikasi

 

Gen baru  bisa muncul dengan melalui duplikasi gen, dengan cara mutasi pada segmen DNA yang membawa gen keseluruhan atau beberapa gen. Salinan asli harus disimpan untuk fungsi aslinya namun salinan yang lain bebas untuk bermutasi. Dalam kebanyakan kasus, mutasi yang menumpuk akan membunuh salinan duplikat. Beberapa duplikasi diikuti dengan urutan perbedaan dapat menyebabkan sebuah keluarga yang membawa gen terkait fungsi. Salah satu contoh adalah keluarga gen globin.

 

Hemoglobin mengangkut oksigen dalam darahsedangkan mioglobin membawa dalam otot. Kedua protein memiliki banyak fungsi yang sama, memiliki bentuk 3-D yang sama.Setelah gen globin nenek moyang (ancestor) digandakan, kedua gen untuk hemoglobin dan mioglobin perlahan-lahan menyimpang atau bermutasi karena mereka khusus beroperasi pada jaringan yang berbeda.

 

 

Gambar 4.13 Duplikasi dapat membentuk gen baru(Sumber:Clark, David P., 2005)

 

Hemoglobin darah mamalia memiliki dua rantai globin alpha dan dua rantai globin beta dua membentuk tetramer alpha2 Beta2, sedangkan mioglobin, merupakan memiliki rantai polipeptida tunggal. globin alpha dan beta globin diturunkan oleh duplikasi oleh nenek moyang gen hemoglobin. Gen hemoglobin ancestor, juga akan menduplikasikan diri dan bermutasi membentuk gen globin gamma, delta dan epsilon. Varian globin yang terbentuk memiliki tahap-tahap perkembangan yang berbeda. Pada tahap perkembangan fetus, hemoglobin manusia terdiri atas hemoglobin rantai alpha2 dan gamma2 membentuk tetramer, sedangkan hemoglobin pada manusia dewasa terdiri atas dua rantai alpa dan dua rantai beta (97%), sedikit rantai alpha 2 dan rantai delta 2 (25%), sisanya rantai alpha2 dan gama 2 (0,5%).

 

 

Gambar4.14  asal kekerabatan gen globulin(Sumber:Clark, David P., 2005)

 

Berbagai gen globin tersebut adalah contoh famili gen, yaitu sekelompok genyang masih berkerabat dan dihasilkan dari proses duplikasi. Setiap anggota famili inimemiliki sequence dan peran yang serupa. Sejalan dengan berputarnya roda evolusi,proses duplikasi gen yang dilakukan secara terus menerus akan menghasilkan gen baruyang berlimpah dan memiliki fungsi yang jauh berbeda dari leluhurnya. Hal inimembentuk terjadinya superfamili gen. Gen sistem imun adalah contoh famili dansuperfamili gen.

 

Kesalahan sedikit selama pembelahan sel dapat berakibat duplikasi total pada genom. Suatu kesalahan pada meiosis dapat menghasilkan gamet yang diploid. Fusi gamet diploid akan menghasilkan zigot dan individu yang tetraploid. Terkadang terbentuk suatu individu triploid yang dibentuk dari fusi satu gamet mutan yang ditambah satu gamet haploid normal.

 

Pada umumnya organisme triploid adalah steril karena gametnya memiliki jumlah kromosom yang tidak lazim. Akan tetapi organisme triploid masih bisa menghasilkan keturunan yang tetraploid. Di sisi lain, kelainan semacam ini adalah hal yang lazim. Hanya 5 dari 1000 gamet tanaman yang bersifat diploid. Suatu persilangan antara dua generasi parental ada kemungkinan akan  menghasilkan zigot tetraploid. Sejalan dengan berputarnya waktu, salinan gen organisme tetraploid akan membentuk berbagai variasi.

 

  1. 13.    Urutan Paralogous Dan Ortologous

 

Orthologous merupakan gen yang homolog yang ditemukan pada saat pemisahan spesies dan dibedakan saat terbentuk organisme baru, sedangkan gen-gen yang paralogus merupakan gen yang dilokasikan pada organisme yang sama dikarenakan duplikasi gen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar4.15 Gen paralogus (Sumber:Clark, David P., 2005)

 

Beberapa sekuens dikatakan homolog bila berasal dari leluhur yang sama. Bila beberapa organisme sama-sama membawa salinan gen tertentu yang berasal dari leluhur yang sama, maka selanjutnya dapat dilakukan perbandingan sequence tersebut untuk melihat pohon evolusinya. Akan tetapi duplikasi gen menyebabkan terjadinya salinan gen yang melimpah dalam satu organisme. Gen ortolog adalah gen yang ditemukan pada beberapa spesies berbeda dan akan membentuk variasi baru bila organisme yang membawa gen ini juga membentuk variasi baru. Gen paralog adalah salinan berlipat akibat duplikasi gen yang terdapat dalam satu organisme.

 

 

Gambar4.16 Gen paralogus (Sumber:Clark, David P., 2005)

 

Berbagai gen yang ortolog perlu dibandingkan untuk menyusun pohon evolusi. Sebagai contoh, sequence α globin dari hewan dan α globin ortolog dari organisme lain perlu dibandingkan. Oleh karena sekelompok gen paralog memiliki sequence yang serupa, hal ini dapat menimbulkan kerancuan kecuali bila organisme leluhur tersebut telah diketahui. Namun tetap saja penelitian ini berguna untuk menentukan apakah organisme tersebut membawa sequence berlipat dari leluhur yang sama.

 

  1. 14.    Pembentukan Gen Baru melalui Shuffling

 

Pembentukan gen baru dapat pula dilakukan dengan menggunakan pre-made modules. Beberapa segmen dari suatu gen difusikan dengan menggunakan cara DNA rearrangement untuk menghasilkan gen baru yang memiliki berbagai regio dari sumber berbeda. Contohnya adalah pembentukan gen baru yang memiliki berbagai regio untuk mengkode reseptor LDL. LDL adalah singkatan dari low density lipoprotein yang berperan membawa kolesterol di pembuluh darah. Reseptor LDL ditemukan pada permukaan sel yang akan menggunakan LDL. Gen pengkode LDL terdiri atas beberapa regio, dua di antaranya merupakan turunan dari gen lain. Bila suatu mosaik gen menjalani transkripsi dan translasi, maka akan didapatkan protein campuran yang terdiri atas beberapa domain.

 

 

Gambar4.16 A. Prinsip Modular Evolusi B. Reseptor LDL An Example Evolution

 

(Sumber:Clark, David P., 2005)

 

 

 

  1. 15.    Setiap Protein Berevolusi dengan Laju yang Berbeda

 

Sesungguhnya pohon evolusi tidak dapat dibangun berdasarkan sebuah protein semata. Bila diusahakan untuk menyusun pohon evolusi berdasarkan berbagai macam protein, maka hasil yang didapat tidak akan jauh berbeda. Akan tetapi setiap protein memiliki laju evolusi yang berbeda. Perbedaan rantai α pada hemoglobin manusia dan ikan memiliki perbedaan sebesar 50%, akan tetapi antara manusia dan ikan memiliki perbedaan sitokrom c hanya sebesar 20%. Bila digambarkan suatu tabel antara tingkat perubahan asam amino dengan skala waktu evolusi, maka nampak evolusi sitokrom c berjalan lambat, sedangkan laju evolusi hemoglobin pada rantai α dan β memiliki kecepatan sedang, dan laju evolusi pada fibrinopeptida A dan B berjalan cepat.

 

Fibrinopeptida adalah protein yang berperan dalam pembekuan darah. Protein ini membutuhkan asam amino arginin dan membutuhkan habitat yang asam. Oleh karena protein ini tidak memiliki batasan yang ketat dalam fungsinya, maka protein ini bisa membentuk berbagai varian dengan leluasa. Sebaliknya protein histon pada DNA sangat menentukan kondisi DNA secara struktural. Perubahan pada histon, walau sedikit, membawa pengaruh yang mematikan. Hal ini yang menyebabkan protein histon berevolusi dengan lambat.

 

 

Gambar4.16 A. Evolusi Protein Histon (Sumber:Clark, David P., 2005)

 

 

 

Sitokrom c adalah enzim yang fungsinya sangat ditentukan oleh beberapa asam amino yang berada di bagian active site. Asam amino di bagian tersebut cenderung tidak mengalami perubahan, sedangkan asam amino di posisi lain bisa mengalami perubahan. Meskipun 88% residu asam amino milik sitokrom c berubah, konformasi proteinnya tidak akan berubah.

 

Insulin adalah hormon yang terdiri atas dua rantai protein A dan B yang dikode oleh sebuah gen pengkode insulin. Sebenarnya mutasi dapat terjadi pada gen insulin, pada bagian A, B, atau C. Mutasi pada bagian A dan B dapat berakibat fatal, sementara mutasi di bagian C tidak akan berpengaruh terhadap protein yang disintesis dan tidak menjadi masalah bila diturunkan pada generasi berikutnya.

 

  1. 16.    Jam Molekuler untuk Melacak Terjadinya Evolusi

 

Setiap organisme yang memiliki kecepatan yang berbeda dalam pembentukan protein pembentukan yang hubungannya belum dapat diketahui. Sebaliknya, protein yang terbentuk dengan sangat lambat akan menunjukkan sedikit bahkan tidak ada perbedaan antara dua organism. Oleh karena itu, kita perlu menggunakan sequens yang berubah secara perlahan untuk mengetahui hubungan evolusioner dan sequens yang terbentuk dengan cepat pada organisme yang kekerabatannya dekat.

 

Manusia dan simpanse memiliki sekuens protein yang hampir sama. Bahkan jika kita memeriksa pembentukan fibrinopeptida yang cepat, manusia dan simpanse bertemu pada percabangan yang sama pada pohon evolusioner. Lalu bagaimana kita membedakan manusia dari simpanse? Mutasi yang tidak mempengaruhi sekuens protein berlangsung lebih cepat selama evolusi, karena mutasi tersebut tidak merusak, sehingga lebih baik jika kita melihat sequens DNA daripada protein sequens dari organisme yang dekat hubungan kekerabatannya tersebut, baru dapat terlihat banyak perbedaan.

 

Gambar 4.17 Jam molekuler pada mamalia(Sumber:Clark, David P., 2005)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            Gambar 4.18 Kecepatan Jam molekuler pada mamalia(Sumber:Clark, David P., 2005)

 

Intron adalah sequens non-coding  yang dipisahkan pada transkripsi primer sehingga tidak nampak pada RNA. Ada beberapa sequens non-coding yang terdapat pada gen. Jika tidak diikutsertakan dalam regulasi, maka mereka akan bermutasi.

 

Informasi tentang sitokrom C, hemoglobin, dan sebagainya, diperoleh pada saat sequencing protein.Namun karena sequencing DNA lebih mudah dan lebih akurat dibanding sequencing protein, sehingga penemuan-penemuan sekarang ini diperoleh dari sequens DNA.Oleh karena itu, kita mempunyai sejumlah informasi DNA mengenai organismae-organisme yang berkerabat dekat.Menggunakan data tersebut pulalah dapat terlihat hubungan evolusioner antara manusia dan simpanse.

 

Semua organisme hidup membuat protein dan ribosomnya sendiri.Terlebih lagi sintesis protein merupakan suatu hal yang sangat vital.Komponen ribosom juga sangat dibutuhkan namun terbentuk dengan lambat.

 

 

Gambar 4.19A. Tiga dasar posisi mutasi, B. Mutasi Koding Sekuens(Sumber:Clark, David P., 2005)

 

Garis hubungan berdasarkan rRNA juga membentuk sebuah pohon evolusioner pada skala yang lebih luas.Organisme tingkat tinggi terdiri atas 3 kelompok utama, yaitu tumbuhan, hewan, dan fungi.Analisis rRNA menunjukkan bahwa fungi tidak pernah melakukan fotosintesis (bukan organisme fotosintesis) tapi adalah bagian dari tumbuhan purba dimana waktu itu belum ada kloroplas.Penelitian yang dilakukan oleh para ahli botani menemukan bahwa fungi sebenarnya cenderung lebih dekat dengan golongan hewan daripada tumbuhan.

 

 

            Gambar 4.20Pohon Filogeni(Sumber:Clark, David P., 2005)

 

 

 

Sebagian besar sel eukariot mengandung mitokondria dan pada sel tumbuhan mengandung kloroplas.Organel-organel tersebut adalah derifat dari bakteri simbiotik dan dari ribosom mereka sendiri.RNA sequens dari mitokondria dan kloroplas memperlihatkan hubungannya dengan bakteri.

 

Gambar 4.21 tiga wilayah kehidupan (Sumber: Clark, David P., 2005)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. 17.    Ribosom RNA yang Berevolusi dengan Lambat

 

Molekul esensial yang terbentuk secara perlahan, seperti histon dan rRNA, memungkinkan kombinasi tertentu dari 2 mutasi yang dapat menghasilkan sebuah molekul fungsional, namun yang sendiri lainnya akan mengalami letal. Contohnya : mutasi dari G menjadi C yang merusak pasangan basa GC pada struktur stemloop akan mengakibatkan sesuatu yang fatal pada rRNA 16S. Namun, perubahan GC menjadi CG dapat menyebabkan berfungsi dengan baik. Selama evolusi yang normal, perubahan ini jelas tidak seperti ketika mutasi pada sel tunggal yang lain letal dan mutasi yang terus menerus pada pasangan basa tersebut sangat sedikit. Konsekuensinya, pasangan basa CG pada posisi tertentu akan sangat sedikit diantara sekuen rRNA 16S yang terdapat pada bentuk hidup.

 

DNA mitokondria terkadang dapat diperoleh dari museum dan berbagai hewan yang punah. DNA mitokondria yang diekstrak dari Mammoth beku di Siberia, bila dibandingkan dengan sekuen serupa milik gajah India dan Afrika menunjukkan perbedaa n hanya sebanyak 4-5 dari 350 basa. Quagga adalah sejenis hewan punah yang mirip dengan Zebra. Hewan ini diketahui hidup di selatan daratan Afrika ratusan tahun yang lalu. Spesimen yang diperoleh dari museum di Jerman menghasilkan potongan otot dimana DNA akan diekstrak dan disusun sekuen-nya. Dua potongan gen dari DNA mitokondria Quagga juga digunakan dalam pengamatan ini. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa tingkat perbedaan basa DNA quagga dan zebra adalah sebesar 5%. Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa Quagga dan Zebra berasal dari leluhur yang sama jutaan tahun yang lalu.

 

 

 

 

Gambar 4.24 rRNA 16 S (Sumber: Clark, David P., 2005)

 

Cara ekstraksi DNA juga pernah dilakukan pada mumi berusia 2400 tahun dari Mesir. DNA yang berhasil diperoleh hanya sebanyak 5%, tidak sebanyak yang dapat dilakukan pada spesiemen yang segar. Meskipun peneliti telah berhasil menyusun sequence sebesar ribuan pasang basa, namun tidak banyak gen yang dapat diungkap. Hal ini disebabkan sebagian besar DNA pada hewan tingkat tinggi tersusun atas untaian bukan pengkode. Dari mumi tersebut hanya terungkap adanya elemen Alu yang merupakan ciri DNA manusia.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 4.25  Evolusi cepat RNA ribosom(Sumber: Clark, David P., 2005)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. 18.    Sekuensing DNA dan Klasifikasi Biologis

 

Sebelum adanya sekuensing DNA, hewan dan tumbuhan telah dapat diklasifikasikan, namun fungi dan eukariot primitive, serta kelompok bakteri lainnya masih belum bisa diklasifikasikan karena sedikit sekali ciri-ciri dari golongan tersebut yang dapat diamati. Dengan menggunakan sekuensing gen, klasifikasi bakteri menjadi lebih berkembang. Saat ini, keturunan atau nenek moyangnya pun bias dilihat dengan membandingkan sekuen DNA, RNA, atau protein yang lebih representative dengan dasar hubungan genetic. Selain itu, pada situasi dimana pembagian menjadi spesies, genera, family, dan sebagainya bisa berubah-ubah. Data sekuensing dapat berupa data kuantitatif dari keterkaitan genetic. Bahkan jika kita tidak dapat menemukan/menentukan suatu spesies, kita dapat konsisten  pada beberapa jumlah sekuen yang berbeda yang  pada organisme yang dijadikan perbandingan.

 

 

 

  1. 19.    DNA Mitokondria, Roda Evolusi yang Berputar dengan Cepat

 

Mitokondria memiliki DNA sirkular yang mirip dengan kromosom bakteri, walau DNA tersebut lebih kecil. DNA mitokondria mengkode beberapa protein dan rRNA untuk mitokondria, hanya saja sebagian besar komponennya dikode oleh bagian inti sel. DNA mitokondria pada hewan mengakumulasi mutasi dengan cepat daripada gen di inti sel. Tepatnya, akumulasi mutasi terjadi pada posisi kodon ke-3 gen struktural dan lajunya makin cepat pada tapak regulator antar gen. Hal ini berarti bahwa DNA mitokondria dapat dipakai untuk pengamatan kekerabatan pada beberapa spesies yang berdekatan atau berbagai ras dalam satu spesies. Sebagian besar variabilitas pada DNA mitokondria manusia terjadai pada segmen loop D pada tapak regulator. Sequencing pada segmen ini membantu peneliti untuk perbedaan beberapa populasi dalam sekelompok etnis tertentu.

 

Salah satu kelemahan dalam penggunaan DNA mitokondria adalah bahwa mitokondria diwariskan dari pihak Ibu. Meskipun sel sperma juga membawa mitokondria, namun organel tersebut tidak dilepaskan selama terjadi fertilisasi dan tidak diwariskan. Di sisi lain analisis DNA mitokondria dapat membantu dalam penentuan leluhur perempuan karena tidak diributkan dengan rekombinasi. Sel eukariot yang hanya memiliki satu nukleus, tetapi memiliki banyak mitokondria, sehingga terdapat ribuan salinan DNA mitoondria. Hal ini menyebabkan ekstraksi dan sequencing DNA mitokondria jauh lebih mudah secara teknis.

 

DNA mitokondria terkadang dapat diperoleh dari museum dan berbagai hewan yang punah. DNA mitokondria yang diekstrak dari mammoth beku di Siberia, bila dibandingkan dengan sequence serupa milik gajah India dan Afrika menunjukkan perbedaan hanya sebanyak 4-5 dari 350 basa. Quagga adalah sejenis hewan punah yang mirip dengan zebra. Hewan ini diketahui hidup di selatan daratan Afrika ratusan tahun yang lalu. Spesimen yang diperoleh dari museum di Jerman menghasilkan potongan otot dimana DNA akan diekstrak dan disusun sequence-nya. Dua potongan gen dari DNA mitokondria quagga juga digunakan dalam pengamatan ini. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa tingkat perbedaan basa DNA quagga dan zebra adalah sebesar 5%. Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa quagga dan zebra berasal dari leluhur yang sama jutaan tahun yang lalu.

 

Metode ekstraksi DNA juga pernah dilakukan pada mumi berusia 2400 tahun dari Mesir. DNA yang berhasil diperoleh hanya sebanyak 5%, tidak sebanyak yang dapat dilakukan pada spesiemen yang segar. Meskipun peneliti telah berhasil menyusun sequence sebesar ribuan pasang basa, namun tidak banyak gen yang dapat diungkap. Hal ini disebabkan sebagian besar DNA pada hewan tingkat tinggi tersusun atas untaian bukan pengkode. Dari mumi tersebut hanya terungkap adanya elemen Alu yang merupakan ciri DNA manusia.

 

  1. 20.    Hipotesis mengenai kera Afrika

 

Upaya untuk mengungkap evolusi manusia dari berbagai pecahan tengkorak dan kerangka kini telah mengerucut pada dua alternatif. Pertama adalah model multi-regional yang menyatakan bahwa Homo erectus berevolusi secara bertahap menjadi Homo sapiens  dan sekaligus juga menyebar menuju Asia, Eropa, dan Afrika. Kedua adalah model Bahtera Nuh yang menyatakan bahwa sebagian besar percabangan kerabat manusia telah punah dan digantikan dengan bangsa yang ada saat ini yang merupakan keturunan dari satu bangsa di masa lampau. Pada umumnya para ahli antropologi mendukung kedua model tersebut, namun beberapa ahli genetika menganggap bahwa model Bahtera Nuh lebih masuk akal.

 

Gambar 4.26 evolusi manusia model Multiregional dan model Nooh’s Ark(Sumber: Clark, David P., 2005)

 

 

Model ini menggambarkan bahwa terjadi pertukaran informasi genetik secara berkelanjutan pada bebragai suku bangsa yang tersebar dan terisolasi melintasi putaran waktu yang panjang di masa prasejarah. Tentu saja analisis molekuler lebih cenderung mendukung model Bahtera Nuh.

 

WalaupunDNA mitokondria berevolusi dengan cepat, variasi manusia pada berbagai ras secara keseluruhan ternyata tidak terlalu mengesankan. Kalkulasi pada berbagai keragaman dan perhitungan laju evolusi pada akhirnya mengungkap bahwa leluhur manusia hidup di Afrika sekitar 100.000-200.000 tahun yang lalu. Oleh karena mitokondria diturunkan secara maternal, maka leluhur perempuan umat manusia disebut “kera Afrika”. Pendapat ini diperkuat oleh berbagai analisis akar genetic populasi Afrika saat ini. Pada sisi lain juga terungkap bahwa berbagai sub-bangsa Afrika tersebar ke berbagai wilayah jauh sebelum terbentuknya suku bangsa lain di berbagai belahan dunia.

 

 

 

Gambar 4.27  pemisahan pohon evolusi  dalam satu kelompok  Afrika dalam 5 populasi (Sumber: Clark, David P., 1991)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nenek Moyang dari bangsa Eropa saat ini berasal dari bangsa Euro-Asia dan bermigrasi menuju Eropa melalui Timur Tengah sekitar 40.000-50.000 tahun yang lalu. Bangsa Indian di Amerika berasal dari dua jalur suku bangsa yang bermigrasi dari daratan Asia. Bangsa Paleo-Indian yang terlebih dahulu tiba menempati wilayah seluruh daratan Amerika (sekitar 30.000 tahun yang lalu), kemudian pada periode berikutnya hadir bangsa Na-Dene yang menempati wilayah utara Amerika sekitar 10.000 tahun yang lalu.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sumber:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 4.28 garis nenek moyang Afrika dan non Afrika

 

 

 

Selain menggunakan DNA mitokondria, pengunaan sekuen mikrosatelit pada kromosom juga dapat digunakan untuk membandingkan berbagai suku bangsa. Hasil penelitian filogenetik semacam ini juga menghasilkan kesimpulan yang serupa. Metode ini juga mengungkapkan bahwa umat manusia berasal dari bangsa Afrika, bahkan lebih jauh metode ini dapat mengungkap siapa sebenarnya leluhur manusia 100.00 tahun yang lalu.

 

Mengenai sosok Adam, para ahli biologi molekuler menyebutnya sebagai Y-guy. Kromosom Y pada manusia yang pendek tidak mengalami rekombinasi dengan kromosom X yang lebih besar. Hal ini dapat berperan melacak jalur nenek moyang  laki-laki manusia tanpa adanya kerumitan rekombinasi. Sebagai contoh adalah gen ZFY pada kromosom Y yang diwariskan dari ayah menuju anak laki-laki dan berperan dalam maturasi sperma. Data sequence pada ZFY menunjukkan bahwa manusia dan simpanse berasal dari jalur leluhur yang sama yang hidup sekitar 5 juta tahun yang lalu dan leluhur laki-laki manusia modern telah hadir sekitar 250.000 tahun yang lalu.

 

Gambar 4.29 Hipotesis DNA Afrikan Eve Gambar (Sumber: Clark, David P., 2005)

 

 

 

 

Hasil penelitian terakhir yang melibatkan sejumlah besar marker genetik pada kromosom Y menunjukkan bahwa munculnya Adam atau Y-guy ini sekitar 100.000 tahun yang lalu. Hasil penelitian terbaru tentang cluster mutation pada kromosom Y tidak selaras dengan model multi-regional dan mengkonfirmasi bahwa manusia modern berasal dari leluhur di Afrika. Hanya saja masih tersisa catatan buruk tentang bangsa Neanderthal. Meskipun bangsa ini masih bertahan hidup hingga 30.000 tahun yang lalu dan sempat bersentuhan dengan manusia modern di Eropa dan Timur Tengah, hasil analisis sequence menunjukkan bahwa leluhur bangsa ini tidak jelas. Perbandingan sequence DNA menunjukkan bahwa bangsa Neanderthal tidak pernah melakukan persilangan dengan manusia modern atau berkontribusi dalam gene-pool manusia saat ini.

 

Gambar 4.30  Hipotesis wilayahMigrasi Afrika Eve (Sumber: Clark, David P., 2005)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. 21.    DNA purba dari hewan punah

 

Selain dimanfaatkan untuk menganalisis mammoth beku dan mumi kering, metode sequence DNA pada makhluk hidup juga lazim dipakai untuk mengkonstruksi skema evolusi. DNA purba yang diekstrak dari fosil sisa-sisa makhluk hidup dapat menyediakan penanda yang tepat untuk mengukur laju evolusi. DNA tertua yang dapat diperoleh hingga saat ini adalah DNA dari batuan amber. Amber adalah batuan polimer resin yang mengeras berbentuk batuan tembus pandang dan telah berusia jutaan tahun. Terkadang terdapat beberapa hewan yang terjebak dalam resin dan mengalami pengawetan di dalamnya. Sebagian besar hewan yang terperangkap adalah insecta, cacing, siput, dan kadal. Batuan amber berperan sebagai preservatif dan oleh karenanya struktur internal sebuah sel seranga masih dapat diamati dengan mikroskop elektron. Oleh karena itu sangat dimungkinkan untuk memulihkan kembali DNA melalui PCR dari spesimen serangga yang telah berusia 125 juta tahun.

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 4.31 DNA purba cahaya serangga yang diawetkan(Sumber: Clark, David P., 2005)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Potongan amber terbesar yang pernah ditemukan berukuran tidak lebih dari 6 inchi. Oleh karena itu hewan raksasa seperti dinosaurus tidak pernah ditemukan dalam keadaan masih awet. Hanya saja bila beberapa sel darah berhasil ditemukan dalam saluran usus serangga penghisap darah, secara teoritis dapat menyediakan sequence DNA lengkap dari hewan bertubuh besar. Skenario inilah yang dicoba oleh Michael Crichton dalam film fiksi Jurassic Park yang dia kerjakan, yaitu mengisahkan bahwa hewan dinosaurus dapat dihidupkan kembali dengan cara menginsersi DNA dinosaurus ke dalam telur Amphibi. Dalam kondisi sesungguhnya, DNA dinosaurus akan segera rusak dan hanya sedikit sekuen yang dapat dibaca. Tetapi pada prinsipnya bukanlah hal yang mustahil untuk mendapatkan beberapa fragmen gen Tyrannosaurus rex.

 

DNA yang telah diisolasi dari berbagai sampel berusia jutaan tahun umumnya segera mengalami kerusakan sehingga proses identifikasi tidak dapat dilakukan. DNA tertua yang pernah diperoleh manusia hingga saat ini berusia sekitar 50.000 tahun dan berasal dari mammoth beku di Siberia. Dari daratan beku tersebut juga ditemukan DNA tanaman dari rerumputan dan semak yang berusia 300.000-400.000 tahun.

 

Mikroorganisme juga dapat terperangkap dalam batuan amber dan dalam hal ini tidak sekedar mendapatkan DNA saja, nampaknya masih dimungkinkan untuk menghidupkan kembali makhluk tersebut. Spora yang dilapisi selubung protektif pada umumnya disintesis oleh bakteri untuk menghadapi kondisi lingkungan yang buruk sehingga bakteri tersebut masih bertahan hidup dalam waktu yang lama. Beberapa spora bakteri berusia 30 juta tahun telah ditemukan dalam serangga lebah yang terperangkap dalam amber. Spora tersebut bila ditumbuhkan dalam kultur ternyata dapat menghasilkan koloni bakteri. Bakteri yang mengalami kebangkitan ini adalah dari jenis Bacillus sphaericus yang memang selalu ditemukan dalam tubuh lebah hingga saat ini. Bila DNA Bacillus dibandingkan dengan kerabatnya yang ada di masa kini masih memiliki kemiripan, tetap tidak identik. Spora dari bakteri jenis yang lain juga telah ditemukan dan dapat dikultur berasal dari kristal garam berusia 250.000 tahun.

 

  1. 22.    Evolusi Yang Menyimpang: Transfer Gen Horizontal

 

Teori evolusi yang diajukan Darwin menyatakan bahwa perubahan materi genetik dapat diwariskan dari satu generasi menuju generasi lainnya. Akan tetapi sesungguhnya transfer materi genetik juga dapat terjadi antara organisme satu dengan organisme lain atau antara beberapa organisme yang masih berkerabat. Transfer gen vertikal mempunyai makna transmisi materi genetik dari generasi parental menuju generasi turunan secara langsung.

 

Transfer vertikal ini juga dapat berupa transmisi gen yang terjadi melalui pembelahan sel dan berbagai cara reproduksi yang menghasilkan salinan utuh suatu genom secara seksual atau tidak. Sedangkan pada transfer gen secara horizontal/lateral, transmisi materi genetik terjadi dari organisme donor menuju organisme lain di luar jalur keturunannya.

 

Sebagai contoh, gen resistensi antibiotik yang dibawa oleh plasmid dapat dipindahkan ke dalam bakteri lain yang tidak berkerabat. Gen yang dibawa dalam plasmid terkadang juga terintegrasi dalam kromosom, oleh karena itu gen bakteri dapat dipindahkan dari genom suatu organisme menuju genom organisme lain. Sebagian besar gen pada bakteri telah berhasil diungkap sequence-nya. Perhitungan yang dilakukan berdasarkan data tersebut mengungkapkan bahwa sekitar 5-6% dari genom prokariot adalah hasil transfer horizontal.

 

 

Gambar 4.32 Transfer Horizontal Type C, Virogen pada Mamalia(Sumber: Clark, David P., 2005)

 

Salah satu contoh transfer gen horizontal pada hewan terkait dengan virogen tipe C yang terdapat pada baboon dan keluarga kera dari Dunia Lama. Virogen tipe C pada mulanya telah ditemukan pada leluhur bangsa kera tersebut sejak 30 juta tahun yang lampau. Selanjutnya terungkap bahwa sequence virogen tipe C ini juga ditemukan pada berbagai jenis kucing. Tercatat jenis kucing dari Afrika Utara dan Eropa memiliki virogen tipe C milik baboon ini. Sementara jenis kucing dari Amerika, Asia, dan Subsahara Afrika tidak memiliki sequence gen ini. Oleh karena itu leluhur bangsa kucing tidak memiliki gen semacam ini. Labih jauh terungkap bahwa sequence yang ditemukan di kucing Afrika Utara serupa dengan sequence virogen milik baboon daripada sequence milik leluhur bangsa kera ini.

 

  1. 23.    Kromosom Y Jenghis Khan

 

Sebuah penelitian berskala besar telah membuktikan bahwa 1 di antara 12 laki-laki di Asia membawa kromosom Y yang berasal dari Mongolia sekitar 1000 tahun yang lalu. Penelitian tersebut menggunakan 30 marker genetik untuk mensurvey ribuan laki-laki. Marker tersebut berupa sequence insersi dan delesi, sequence polimorfisme, dan sequence repetitif. Sebagian besar laki-laki membawa kromosom Y yang mempunyai kombinasi unik dari berbagai marker tersebut. Akan tetapi sekitar 8% dari laki-laki di Asia membawa kromosom Y dengan kombinasi marker genetik yang serupa.

 

Fenomena semacam ini tidak ditemui pada laki-laki di belahan dunia yang lain. Oleh karena itu laki-laki di Asia yang memiliki marker genetik ”Mongol cluster” hanya ditemui di wilayah yang dahulu menjadi bagian Imperium Mongolia di bawah ekukuasaan Jenghis Khan. Sebagai contoh, ”Mongol cluster” tidak ditemukan di Jepang dan Cina bagian selatan karena kedua wilayah tersebut bukan bagian dari wilayah kerajaan Mongol. Mongol cluster ditemukan pada 15 populasi yang tersebar di sekitar bekas wilayah kerajaan Mongol.

 

Hal yang menarik adalah di Pakistan, dimana hanya sedikit laki-laki Pakistan yang memiliki ”Mongol cluster”, ternyata muncul suku Hazara yang memiliki 30% dari populasinya memiliki ”Mongol cluster”. Oleh karena itu dapat diduga bahwa asal usul bangsa Mongol dan mengklaim diri mereka sebagai turunan langsung Jenghis Khan. Oleh karena Pakistan tidak tergabung dalam wilayah kerajaan Mongol, maka diduga suku Hazara bermigrasi di lokasi saat ini mereka berada.

 

Kromosom Y dari varian tersebut dapat diduga berasal dari Jenghis Khan. Sekitar 800 tahun yang lalu muncul seorang bernama Temujin yang berhasil menyatukan Mongolia dan pada tahun 1206 memproklamirkan diri sebagai Jenghis Khan. Tentara Mongol tercatat membantai kaum laki-laki di wilayah yang mereka taklukkan, selanjutnya mereka menghamili kaum perempuan yang tersisa. Distribusi kromosom Y di masa kini membuktikan hal tersebut. Namun belum jelas apakah varian kromosom Y tersebut berasal dari Jenghis Khan sendiri atau berasal dari prajuritnya. Akan tetapi bisa dipastikan varian ini tidak berasal dari Jenghis Khan semata karena pada umumnya prajurit Mongol masih berkerabat.

 

Aplikasi konsep

 

Setelah mempelajari konsep-konsep tentang evolusi molekuler yang dijelaskan pada langkah eksplorasi dan pengenalan konsep, maka utnuk memantapkan konsep-konsep tersebut  diskusikan dan jawablah pertanyaan pada tahap aplikasi di bawah ini!

 

  1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan biologi!
    1. Jelaskan pengaruh kemajuan ilmu biologi molekular terhadap teori evolusi!
    2. Sebutkan dan jelaskan dua area pembahasan kajian evolusi molekuler!
    3. Bagaimana pandangan biologi molekuler tentang perkembangan organisme!
    4. Mengapa DNA mitokondria yang berasal dari ibu dapat digunakan untuk mempelajari hubungan kekerabatan?

 

 

 

 

 DOWNLOAD : EVOLUSI MOLEKULER

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: