Charles Darwin belum genap berusia 30 tahun ketika dia sudah berhasil membentuk dasar-dasar teori evolusi. Tetapi dia tidak mengungkapkan alasannya kepada dunia sampai dia berusia 50 tahun. Selama dua dekade, dia secara metodis mengumpulkan bukti untuk teorinya dan muncul dengan jawaban atas semua argumen skeptis yang dapat dia bayangkan. Dan argumen balasan yang paling dinanti adalah bahwa proses evolusi bertahap tidak dapat menyebabkan munculnya struktur kompleks tertentu.
Ambil mata manusia. Ini terdiri dari banyak bagian - retina, lensa, otot, jeli, dll. - dan mereka semua harus berinteraksi untuk memberikan visi. Merusak satu bagian, dan ini dapat menyebabkan kebutaan. Mata bekerja hanya jika semua bagiannya memiliki ukuran dan bentuk yang tepat agar dapat bekerja sama. Jika Darwin benar, maka mata yang kompleks berevolusi dari pendahulu yang lebih sederhana. Dalam The Origin of Species, Darwin menulis bahwa gagasan ini “tampaknya, dan saya secara terbuka mengakuinya, sangat absurd.”
Tetapi Darwin dapat melihat jalan bagi evolusi kompleksitas. Dalam setiap generasi, sifat-sifat individu bervariasi. Beberapa opsi meningkatkan kelangsungan hidup mereka dan memungkinkan mereka meninggalkan lebih banyak keturunan. Dari generasi ke generasi, keunggulan ini menjadi lebih luas - yaitu, mereka telah "dipilih". Muncul dan menyebar, varian baru dapat dimainkan dengan anatomi dan menghasilkan struktur yang kompleks.
Darwin berpendapat bahwa mata manusia dapat berevolusi dari sepetak jaringan sederhana yang merespons cahaya, seperti yang dimiliki cacing pipih saat ini. Seleksi alam dapat mengubah area ini menjadi ceruk yang mampu mengenali arah cahaya. Kemudian, properti tambahan akan bekerja dengan pendalaman lebih lanjut, mengadaptasi organisme dengan kondisi di sekitarnya, dan leluhur menengah ini akan diteruskan ke generasi berikutnya. Selangkah demi selangkah, seleksi alam akan mengarah pada peningkatan kompleksitas, karena setiap bentuk peralihan akan memiliki keunggulan dibandingkan yang sebelumnya.
Alasan Darwin tentang asal usul kompleksitas menemukan dukungan dalam biologi modern. Saat ini, ahli biologi dapat memeriksa mata dan organ lain secara terperinci, dan pada tingkat molekuler menemukan protein yang sangat kompleks yang bergabung membentuk struktur yang secara mengejutkan mirip dengan ban berjalan, motor, dan katup. Sistem protein rumit seperti itu bisa datang dari yang lebih sederhana ketika seleksi alam dimainkan untuk varian menengah.
Namun baru-baru ini, beberapa ilmuwan dan filsuf menyatakan bahwa kompleksitas dapat muncul dengan cara lain. Beberapa berpendapat bahwa hidup memiliki kecenderungan untuk menjadi lebih kompleks dari waktu ke waktu. Lainnya menyarankan bahwa dalam proses terjadinya mutasi acak, kompleksitas adalah efek samping, bahkan tanpa bantuan seleksi alam. Mereka mengatakan kompleksitas bukan hanya hasil dari jutaan tahun menyelaraskan melalui seleksi alam, sebuah proses yang disebut Richard Dawkins sebagai "pembuat jam buta". Dapat dikatakan bahwa ini terjadi begitu saja.
Jumlah bagian yang dapat diubah
Ahli biologi dan filsuf telah merenungkan evolusi struktur kompleks selama beberapa dekade, tetapi menurut Daniel W. McShea, seorang ahli paleobiologi di Universitas Duke, mereka terhalang oleh ketidakjelasan definisi. “Masalahnya bukan hanya mereka tidak tahu bagaimana mengukurnya. Mereka tidak tahu apa yang mereka maksud dengan kata itu, "kata Makshey.
Makshey telah menangani masalah ini selama beberapa tahun dengan Robert N. Brandon di Duke University. Makshey dan Brandon menyarankan untuk memperhatikan tidak hanya pada jumlah bagian yang membentuk organisme, tetapi juga pada jenis bagian ini. Tubuh kita terdiri dari 10 triliun sel. Jika mereka semua dari jenis yang sama, kita akan menjadi tumpukan protoplasma tanpa fitur. Sebaliknya, kita memiliki sel otot, sel darah merah, sel kulit, dll. Bahkan dalam satu organ bisa ada berbagai jenis sel. Ada 60 jenis neuron di retina, yang masing-masing melakukan tugasnya. Pendekatan ini memungkinkan kita untuk mengatakan bahwa manusia secara unik lebih kompleks daripada binatang seperti spons, yang hanya memiliki enam jenis sel.
Salah satu kelebihan dari definisi ini adalah kemampuan untuk mengukur kompleksitas dalam beberapa cara. Dalam kerangka kami ada berbagai jenis tulang, masing-masing memiliki bentuk tertentu. Bahkan tulang belakang terdiri dari berbagai bagian, mulai dari vertebra di leher yang menahan kepala hingga yang menopang dada.
Dalam buku 2010 mereka, Hukum Pertama Biologi, Makshey dan Brandon menggambarkan cara di mana struktur kompleks dapat dibuat yang didefinisikan dengan cara ini. Mereka berpendapat bahwa beberapa bagian, kurang lebih sama pada awalnya, harus mulai berbeda dari waktu ke waktu. Ketika organisme bereproduksi, satu atau lebih gen mereka dapat bermutasi. Kadang-kadang, karena mutasi, jenis-jenis bagian baru muncul. Jika tubuh memiliki lebih banyak komponen, mereka memiliki kesempatan untuk mulai berbeda. Setelah menyalin gen secara tidak sengaja, duplikatnya dapat mengambil mutasi yang tidak ada dalam gen aslinya. Jadi, dimulai dengan seperangkat bagian yang identik, Anda dapat melihat bagaimana mereka secara bertahap mulai semakin berbeda satu sama lain. Artinya, kompleksitas tubuh bertambah.
Meningkatkan kompleksitas dapat membantu tubuh bertahan lebih baik, atau meninggalkan lebih banyak keturunan. Dalam hal ini, seleksi alam akan mengambil tren ini dan menyebar ke seluruh populasi. Misalnya, pada mamalia, indera penciuman bekerja dengan cara mengikat molekul bau ke reseptor di ujung saraf di hidung. Gen reseptor telah secara terus menerus digandakan selama jutaan tahun. Salinan baru bermutasi dan memungkinkan mamalia mencium lebih banyak aroma. Hewan yang mengandalkan aroma, seperti tikus dan anjing, memiliki lebih dari 1000 gen untuk reseptor ini. Di sisi lain, kompleksitas bisa menjadi beban. Mutasi dapat, misalnya, mengubah bentuk vertebra, yang akan membuat rotasi kepala menjadi sulit. Seleksi alam akan mencegah mutasi ini menyebar ke seluruh populasi. Organisme yang lahir dengan sifat seperti itu biasanya akan mati sebelum reproduksi, dan dengan demikian menghilangkan sifat berbahaya dari peredaran. Dalam kasus ini, seleksi alam bekerja melawan kompleksitas.
Berbeda dengan teori evolusi yang biasa, teori Maxey dan Brandon menunjukkan peningkatan kompleksitas bahkan tanpa adanya seleksi alam. Mereka menganggap ini sebagai hukum dasar biologi - mungkin satu-satunya. Mereka menyebutnya hukum evolusi tanpa kekuatan.
Tes Drosophila
Baru-baru ini, Makshey dan Leonore Fleming, seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas Duke, menguji undang-undang evolusi gaya nol. Lalat Drosophila menjadi subjek. Selama lebih dari seratus tahun, para ilmuwan telah menumbuhkan kawanan lalat tersebut untuk digunakan dalam percobaan. Di rumah-rumah laboratorium, lalat menjalani kehidupan yang dimanjakan, mereka memiliki sumber makanan yang konstan dan iklim yang hangat dan merata. Kerabat liar mereka harus berurusan dengan kelaparan, pemangsa, dingin dan panas. Seleksi alam secara aktif campur tangan dalam kehidupan lalat liar, menghilangkan mutasi yang tidak memungkinkan mereka untuk mengatasi banyak cobaan mereka. Dalam lingkungan laboratorium yang dilindungi, seleksi alam dimanifestasikan dengan sangat buruk.
Laboratorium Drosophila lebih kompleks daripada yang liar, karena bahkan mutasi yang gagal berkembang di lingkungan yang dilindungi. Lalat ini memiliki mata dalam bentuk persegi panjang,
kurang dari lalat biasa.Hukum evolusi gaya-nol memberikan prediksi yang jelas: selama seratus tahun terakhir, lalat laboratorium telah mengalami eliminasi mutasi yang lebih lemah, dan karenanya mereka seharusnya menjadi lebih kompleks daripada yang liar.
Fleming dan Makshey mempelajari literatur ilmiah tentang 916 silsilah lalat laboratorium. Mereka melakukan banyak dimensi dari kompleksitas setiap populasi. Mereka baru-baru ini melaporkan di majalah Evolution & Development bahwa lalat laboratorium memang lebih sulit daripada yang liar.
Meskipun beberapa ahli biologi mendukung undang-undang evolusi nol gaya, Douglas Erwin, seorang ahli paleontologi terkemuka di Museum Nasional Sejarah Alam Smithsonian, percaya bahwa ia memiliki kekurangan yang serius. "Salah satu asumsi utamanya tidak berhasil," katanya. Menurut hukum, kompleksitas dapat meningkat tanpa adanya seleksi. Tetapi ini hanya akan benar jika organisme ada di luar pengaruh seleksi. Dalam kehidupan nyata, bahkan jika mereka dirawat secara membabi buta oleh para ilmuwan yang memujanya, seleksi tetap berhasil. Agar hewan seperti lalat berkembang dengan benar, ratusan gen harus berinteraksi dalam sistem yang kompleks, mengubah satu sel menjadi banyak, menumbuhkan berbagai organ, dll. Mutasi dapat mengganggu koreografi ini dan mencegah lalat tumbuh pada orang dewasa yang layak.
Suatu organisme dapat eksis tanpa seleksi eksternal - tanpa lingkungan yang menentukan siapa yang menang dan siapa yang kalah dalam ras evolusi - tetapi ia masih akan menjalani seleksi internal yang terjadi di dalam organisme. Erwin percaya bahwa dalam karya baru, Maxey dan Fleming tidak memberikan bukti hukum mereka, karena "mereka hanya mempertimbangkan pilihan orang dewasa." Para peneliti tidak memperhitungkan mutan yang meninggal karena cacat perkembangan sebelum mereka mencapai kedewasaan, meskipun ada penyimpangan dari para ilmuwan.
Beberapa serangga memiliki kaki yang tidak rata. Yang lain memiliki pola sayap yang kompleks. Bentuk segmen antena mereka berubah. Terbebas dari seleksi alam, mereka berjalan dengan kerumitan.
Keberatan lain dari Erwin dan kritik lainnya - opsi kompleksitas dari Makshe dan Brandon tidak konsisten dengan bagaimana kebanyakan orang mendefinisikannya. Lagi pula, mata ditentukan bukan hanya oleh kehadiran beberapa bagian. Bagian-bagian ini, bekerja bersama, melakukan beberapa pekerjaan, dan masing-masing memiliki tugasnya sendiri. Tetapi Maxey dan Brandon percaya bahwa kompleksitas yang mereka pelajari dapat menyebabkan jenis kompleksitas lainnya. “Kompleksitas yang kami amati dalam populasi Drosophila berfungsi sebagai dasar untuk fenomena yang sangat menarik yang dapat didorong oleh seleksi,” untuk membangun struktur kompleks yang berfungsi untuk memastikan kelangsungan hidup, kata Makshey.
Kompleksitas molekuler
Sebagai ahli paleobiologi, Makshey digunakan untuk merefleksikan kompleksitas yang ditemukan dalam fosil - misalnya, tulang yang membentuk kerangka. Dalam beberapa tahun terakhir, beberapa ahli biologi molekuler secara independen mulai berspekulasi tentang penyebab kompleksitas dalam nada yang sama dengannya.
Pada 1990-an, sekelompok ahli biologi Kanada mulai mempelajari fakta bahwa tidak ada efek mutasi tertentu pada tubuh. Dalam jargon biologi evolusi, mereka disebut netral. Para ilmuwan, di antaranya adalah Michael Gray dari University of Dalhousie di Halifax, menyarankan bahwa mutasi ini dapat menyebabkan munculnya struktur kompleks, melewati opsi menengah yang dipilih untuk bantuan mereka dalam mengadaptasi tubuh dengan lingkungan. Mereka menyebut proses ini "evolusi netral yang konstruktif."
Gray diilhami oleh penelitian terbaru yang menawarkan bukti yang sangat menarik tentang keberadaan evolusi netral yang konstruktif. Salah satu pemimpin dalam penelitian ini adalah Joe Thornton dari University of Oregon. Dia dan rekannya menemukan contoh evolusi semacam itu dalam sel jamur. Pada jamur seperti
champignon bicuspid , sel perlu memindahkan atom dari satu tempat ke tempat lain untuk mempertahankan kehidupan. Untuk ini, mereka, khususnya, menggunakan pompa molekuler yang disebut "vacuolar adenosine triphosphate complex" [V-ATPase]. Cincin protein berputar mengirim atom dari satu sisi membran di jamur ke yang lain. Cincin ini jelas merupakan struktur yang kompleks. Ini mengandung enam molekul protein. Empat di antaranya terdiri dari protein Vma3, kelima - Vma11, keenam - Vma16. Dan ketiga jenis protein diperlukan untuk rotasi cincin.
Contoh bagaimana struktur yang kompleks dapat berkembang tanpa bantuan seleksi. A) gen A mengkodekan protein dengan struktur yang memungkinkan delapan salinannya berkumpul menjadi sebuah cincin. B) Gen disalin secara acak. Awalnya, dua jenis protein dapat dibuat menjadi cincin dalam urutan apa pun. C) Mutasi menghilangkan beberapa tempat yang mengikat protein. Sekarang protein hanya dapat digabungkan dengan cara tertentu. Cincin itu menjadi lebih sulit, tetapi bukan karena seleksi alam.Untuk mengetahui bagaimana struktur kompleks ini muncul, Thornton dan rekannya membandingkan protein dengan versi terkaitnya di organisme lain, misalnya, pada hewan (jamur dan hewan memiliki nenek moyang yang sama yang hidup satu miliar tahun yang lalu).
Pada hewan, kompleks V-ATPase juga terdiri dari cincin pemintalan yang terdiri dari enam protein. Tetapi mereka memiliki perbedaan mendasar: alih-alih ketiga jenis protein hanya ada dua. Setiap cincin binatang terdiri dari lima salinan Vma3 dan satu Vma16. Mereka tidak memiliki Vma11. Menurut definisi kompleksitas dari Makshey dan Brandon, jamur lebih kompleks daripada hewan - setidaknya di area V-ATPase.
Para ilmuwan telah mempelajari dengan seksama gen yang mengkode protein cincin. Vma11, unik untuk jamur, ternyata merupakan kerabat dekat Vma3 pada hewan dan jamur. Artinya, gen Vma3 dan Vma11 harus memiliki leluhur yang sama. Thornton dan rekannya menyimpulkan bahwa di suatu tempat di awal evolusi jamur, gen nenek moyang protein cincin secara tidak sengaja disalin. Dua salinan ini berkembang menjadi Vma3 dan Vma11.
Mempelajari perbedaan antara gen Vma3 dan Vma11, Thornton dan rekannya menciptakan gen leluhur mereka. Kemudian mereka menggunakan urutan DNA ini untuk membuat protein yang sesuai - pada dasarnya membangkitkan protein 800 juta tahun yang lalu. Mereka menamakannya Anc 3-11, singkatan dari "leluhur Vma3 dan Vma11." Mereka bertanya-tanya bagaimana cincin protein akan bekerja dengan protein ini. Mereka memperkenalkan gen 3-11 Anc ke dalam DNA ragi dan juga menonaktifkan keturunan gen ini, Vma3 dan Vma11. Dalam kondisi normal, menonaktifkan gen ini akan berakhir buruk untuk ragi, karena mereka tidak akan dapat membuat cincin mereka sendiri. Tapi ternyata ragi bisa bertahan hidup menggunakan Anc. 3-11 sebagai gantinya. Mereka menggabungkan Anc 3-11 dengan Vma16 untuk membuat cincin yang berfungsi penuh.
Eksperimen semacam itu memungkinkan para ilmuwan merumuskan hipotesis tentang bagaimana cincin jamur menjadi lebih rumit. Jamur dimulai dengan cincin yang hanya terdiri dari dua protein - satu yang dapat ditemukan pada hewan. Tupai bersifat universal, dapat terhubung dengan diri mereka sendiri atau dengan pasangan mereka, di sisi kanan dan kiri. Kemudian, gen Anc 3-11 disalin dan diubah menjadi Vma3 dan Vma11. tupai baru melanjutkan pekerjaan yang lama, dan mengumpulkan cincin. Tetapi selama jutaan generasi jamur, mereka mulai bermutasi. Beberapa mutasi merampok fleksibilitas mereka. Vma11 kehilangan kemampuan untuk terhubung ke Vma3 searah jarum jam. Vma3 kehilangan kemampuan untuk terhubung di Vma16 searah jarum jam. Ini tidak membunuh ragi, karena protein masih bisa membentuk cincin. Artinya, mereka adalah mutasi netral. Tetapi sekarang cincin itu harus lebih kompleks, karena hanya dapat terbentuk dari tiga protein dalam urutan tertentu.
Thornton dan rekan-rekannya menemukan persis jenis evolusi yang diprediksi oleh hukum evolusi tanpa-kekuatan. Seiring waktu, kehidupan menghasilkan semakin banyak bagian - protein cincin. Kemudian bagian-bagian tambahan ini mulai berbeda satu sama lain. Akibatnya, jamur memiliki struktur yang lebih kompleks daripada leluhur mereka. Tetapi ini tidak terjadi seperti yang dibayangkan Darwin, dengan seleksi alam mendukung beberapa opsi peralihan. Sebaliknya, cincin di jamur merosot dan menjadi lebih rumit.
Perbaikan bug
Gray menemukan contoh lain dari evolusi netral konstruktif dalam cara banyak spesies mengedit gen mereka. Ketika sel perlu membuat protein, mereka menyalin DNA gennya ke RNA, salinan untai tunggal DNA, dan kemudian menggunakan enzim khusus untuk mengganti beberapa bagian ILV (nukleotida) dengan yang lain. Pengeditan RNA diperlukan untuk banyak spesies, termasuk kami - RNA yang tidak diedit menghasilkan protein yang tidak berfungsi. Tapi ini masih aneh - mengapa kita tidak memiliki gen dengan urutan awalnya yang benar yang akan menghilangkan kebutuhan untuk mengedit RNA?
Skenario evolusi RNA yang dikemukakan oleh Gray adalah sebagai berikut: enzim bermutasi sedemikian rupa sehingga menjadi dapat bergabung dengan RNA dan mengubah nukleotida tertentu. Enzim ini tidak merusak dan tidak membantu sel - setidaknya tidak pada awalnya. Dengan tidak adanya bahaya, itu tetap ada. Mutasi yang berbahaya terjadi kemudian pada gen. Untungnya, sel sudah memiliki enzim yang berikatan dengan RNA yang dapat mengimbangi mutasi ini dengan mengedit RNA. Ini melindungi sel dari bahaya mutasi, dan memungkinkannya untuk diteruskan ke generasi berikutnya dan menyebar ke seluruh populasi. Evolusi enzim pengeditan RNA, dan mutasi yang diperbaiki olehnya, bukanlah konsekuensi dari seleksi alam, kata Gray. Sebaliknya, tingkat kerumitan tambahan ini muncul dengan sendirinya - "netral." Setelah penyebarannya, tidak mungkin lagi menyingkirkannya.
David Speijer, seorang ahli biokimia di University of Amsterdam, percaya bahwa Gray dan rekannya telah melakukan bantuan biologi dengan mengungkapkan ide evolusi netral yang konstruktif, terutama dengan meragukan bahwa kompleksitas harus adaptif. Tetapi Speyer khawatir bahwa dalam beberapa kasus mereka terlalu banyak mendorong ide mereka. Di satu sisi, ia percaya bahwa pompa pada jamur adalah contoh yang baik dari evolusi netral yang konstruktif. "Setiap orang yang berakal sepenuhnya akan setuju dengan ini," katanya.
Dalam kasus lain, seperti mengedit RNA, para ilmuwan, dalam pendapatnya, seharusnya tidak membuang kemungkinan keterlibatan dalam seleksi alam, bahkan jika kompleksitas ini tampaknya tidak berguna.Gray, Makshey dan Brandon mengakui peran penting seleksi alam dalam meningkatkan kompleksitas di sekitar kita, dari biokimia yang melekat pada bulu hingga pabrik fotosintesis yang terkandung dalam daun pohon. Tetapi mereka berharap bahwa penelitian mereka akan meyakinkan ahli biologi lain untuk melampaui seleksi alam dan melihat kemungkinan bahwa mutasi acak dapat secara mandiri memicu evolusi kompleksitas. "Kami tidak membuang peran adaptasi dalam proses ini," kata Gray. "Kami hanya berpikir dia tidak bisa menjelaskan semuanya."