David Kingsley, seorang profesor biologi perkembangan di Universitas Stanford, ingat mengunjungi akuarium kecil di Laboratorium Biologi Kelautan (MBL) di Woods Hole, Mass., pada tahun 2016 dan menemukan beberapa ikan berjalan. “Akun sea robin ini sungguh mengejutkan saya karena saya belum pernah melihat ikan berkaki yang bisa berjalan di dasar akuarium,” kata Kingsley, yang juga peneliti di Howard Hughes Medical Institute. “Saya sangat terkejut ketika melihat seekor ikan yang bentuknya seperti gabungan ciri-ciri yang memadukan sayap burung, badan ikan, kaki kepiting. Maksudku, ini seperti melihat centaur dalam mitos—hanya saja itu nyata.
Kingsley, yang mempelajari perkembangan dan evolusi stickleback dan hewan lainnya, tidak bisa mengabaikan apa yang baru saja dilihatnya. Dia mulai bekerja keras dengan ponselnya dalam perjalanan pulang, mencoba mencari tahu apakah dia bisa menggunakan sumber daya laboratoriumnya untuk mempelajari dasar molekuler evolusi ikan berkaki.
“Saya harus naik shuttle dari MBL kembali ke Boston Logan [International] Bandara,” ujarnya. “Saya mengisi perjalanan dengan penelusuran Google; memuat ponsel saya dengan PDF tentang ikan luar biasa ini dan apa pun yang telah dilakukannya di masa lalu. Dan saya menghabiskan seluruh perjalanan kembali ke Stanford dengan membaca tentang apa yang diketahui tentang burung robin laut—apakah mungkin untuk membudidayakannya; 'Seberapa besar genomnya?'; apa yang diketahui pada tingkat morfologi tentang dari mana asal kakinya. Saat kami kembali ke Stanford, saya berpikir, 'Kita bisa melakukan ini.'”
Tentang mendukung jurnalisme sains
Jika Anda menyukai artikel ini, pertimbangkan untuk mendukung jurnalisme pemenang penghargaan kami dengan berlangganan. Dengan membeli langganan, Anda membantu memastikan masa depan cerita yang berdampak tentang penemuan dan ide yang membentuk dunia kita saat ini.
Apa yang telah dilakukan tim Kingsley untuk sementara waktu—bersama dengan kolaborator dari laboratorium ahli biologi molekuler Nicholas Bellono di Universitas Harvard—diceritakan dalam dua penelitian baru yang diterbitkan Kamis di Biologi Saat Ini. Keduanya menunjukkan bahwa intuisi awal Kingsley benar dan burung robin laut sebenarnya merupakan sumber wawasan yang kaya tentang bagaimana evolusi menghasilkan sifat-sifat hewan baru. Salah satu makalahnya berfokus pada spesies yang disebut robin laut Prionotus carolinus—yang telah mengembangkan “sensor rasa” pada enam kakinya yang mirip kepiting. Dengan alat ini, ia dapat merasakan kerang atau mangsa lain di bawah pasir dan menggunakan jari kakinya yang berbentuk sekop untuk menggali makan malamnya. Studi lain meneliti genetika yang memungkinkan ikan mengubah sirip dada menjadi kaki. Anggota tim Kingsley dan Bellono adalah rekan penulis masing-masing makalah.
Burung robin laut termasuk dalam famili ikan Triglidae, beberapa spesies di antaranya menggunakan pelengkap seperti kaki untuk berjalan di sepanjang dasar laut. Beberapa spesies tersebut dapat muncul di bouillabaisse, ditambahkan ke sup sebagai bahan dengan nama sehari-hari gurnard. Spesies yang ditemukan Kingsley di MBL, P.carolinusdikenal sebagai robin laut utara, ditemukan di perairan dangkal Laut Timur AS. Ia telah lama menarik perhatian para ahli biologi karena—selain fakta bahwa ia mampu berjalan di sepanjang dasar laut—beberapa bukti awal menunjukkan bahwa ia memiliki organ penginderaan kimia di kakinya.
Secara umum, para ahli biologi merasa lebih mudah mempelajari evolusi kerugian karakteristiknya—hilangnya kaki pada ular atau hilangnya pigmen pada ikan gua—akibat perolehan baru. Oleh karena itu, burung robin laut sepertinya memberikan kesempatan langka untuk melihat penampakan sesuatu yang baru: kaki yang membantu ikan bergerak dan memberinya kemampuan aneh untuk merasakan dan “merasakan” mangsa yang tersembunyi.
Kegembiraan awal Kingsley juga dirasakan oleh Corey Allard, seorang rekan pascadoktoral di laboratorium Bellono, yang memiliki minat mempelajari biologi ikan aneh. Allard terpesona oleh burung robin laut selama kunjungannya ke MBL pada tahun 2019. Dia membawa ikan tersebut ke laboratorium Harvard dan mulai mengisi beberapa kekosongan yang hanya sedikit diketahui tentang subjek eksperimennya. Ada laporan mengenai spesies ikan lain yang mengikuti burung robin laut, mungkin mewakili ikan berkaki sebagai pengintai untuk menemukan mangsa yang tidak terlihat. Beberapa makalah yang sudah berumur beberapa dekade telah mendeteksi respons saraf terhadap sentuhan dan bahan kimia di kaki burung robin laut—yang mungkin merupakan petunjuk keberadaan organ sensorik pencari mangsa—tetapi penelitian tersebut tidak pernah ditindaklanjuti. “Hampir tidak ada yang diketahui tentang organisme ini,” kata Allard. “Jadi kami benar-benar harus memulai dari dasar yang sangat sederhana hingga hampir menggelikan. Kami harus berpikir 'Apakah ikan-ikan ini benar-benar menggali? Apa yang mereka gali?'”
Di laboratorium, tim mengamati burung robin laut yang ditangkap sedang berburu kerang yang tersembunyi di bawah pasir di dasar tangki. Mereka akan berjalan (lebih seperti merangkak) atau berenang untuk aktivitas singkat dan terkadang hanya menggaruk pasir. Keberhasilan mereka dalam menemukan kerang yang tidak terlihat menunjukkan bahwa mereka dapat menggunakan sentuhan dan penginderaan kimia untuk menemukan di mana mangsa mungkin bersembunyi.
Pada satu titik, Allard memesan lebih banyak ikan dari MBL, tetapi kelompok baru tersebut tidak dapat menemukan mangsa yang terkubur. Ternyata itu adalah spesies burung robin laut yang terpisah, Prionotus berkembang. Kecelakaan ini terjadi secara kebetulan karena memungkinkan tim untuk membandingkan jalur evolusi berbeda yang dilalui oleh masing-masing spesies. Spesies penggali yang berhasil berburu harta karun kuliner yang terkubur memiliki tonjolan yang disebut papila di kaki mereka, yang dapat digunakan untuk merasakan getaran di bawah pasir dan merasakan sesuatu secara kimia. Dengan membandingkan kedua spesies tersebut, para peneliti menemukan bahwa penggali memiliki bilah seperti sekop di bagian bawah kaki mereka. Spesies yang baru tiba hanya dilengkapi dengan kaki yang mirip belalai.
Allard mengatakan dia mendapat pencerahan ketika dia mencari petunjuk tentang bagaimana ikan dapat menggunakan kakinya untuk mendeteksi mangsa secara kimia. “Saya berpikir, 'Ini akan menjadi seperti sebuah lidah,'” katanya. “'Akan ada pengecap di kaki, dan itu adalah sensor kimia.' Sementara itu adalah mirip lidah, juga tidak seperti lidah karena tidak ada pengecap di kaki. Cara mendeteksi bahan kimia benar-benar baru.” Jawaban atas misteri ini ternyata adalah reseptor rasa yang terkenal yang digunakan oleh indera pengecap, tetapi pada burung robin laut dikonfigurasi dengan cara yang sangat tidak biasa. “Kami melihat bahwa mereka menggunakan beberapa molekul yang sama tetapi dalam jenis sel yang berbeda dan kombinasi yang berbeda,” kata Allard. “Ini seperti saat Anda bermain Lego. Anda membeli satu set, tetapi Anda malah membuat sesuatu yang lain dengan bagian yang sama.”
Sementara itu, para peneliti Stanford (dipimpin oleh ahli genetika Amy Herbert, rekan pascadoktoral di laboratorium Kingsley) mengurutkan genom kedua spesies robin laut, mencatat gen mana yang diaktifkan selama perkembangan normal, menganalisis ikan hibrida yang mereka hasilkan, dan menentukan gen mana yang akan diaktifkan. terjadi ketika genom diedit. Hal ini memungkinkan mereka memutar balik jam evolusi. “Anda tidak hanya dapat menemukan gen yang diekspresikan tepat di tempat terbentuknya kaki,” kata Kingsley, “tetapi Anda juga dapat menargetkan dan mengedit gen tersebut dan mengetahui bahwa Anda memiliki gen yang tepat—karena Anda mengedit gen tersebut, dan kaki pun berubah. kembali ke dalam struktur seperti sirip.”
Proses pengeditan genom menegaskan bahwa gen tbx3a—mengkodekan faktor transkripsi terkenal yang diketahui dapat mengaktifkan gen pada vertebrata, mulai dari tikus hingga manusia—sangat penting bagi perkembangan kaki, papila, dan bahkan perilaku menggali burung robin laut. “Anda membangun sifat-sifat baru dengan menggunakan teman-teman lama,” kata Kingsley. “Dan itulah salah satu hal yang kami lihat dalam penelitian burung robin laut: ya, kaki pada ikan itu baru, tapi kaki itu dihasilkan menggunakan perangkat gen kuno yang dikenal pada organisme lain.”
Studi tersebut menarik perhatian ilmuwan lain. Martin J. Cohn, seorang profesor di departemen genetika molekuler dan mikrobiologi di Universitas Florida, yang tidak terlibat dalam penelitian ini, mengatakan bahwa mencari mekanisme molekuler yang mengarah pada perubahan anatomi adalah praktik standar dalam biologi perkembangan evolusioner. “Yang menentukan hal ini [research] Selain itu,” katanya, “adalah bahwa hal ini mengatasi permasalahan di berbagai tingkat organisasi biologis. Para penulis mengidentifikasi perubahan evolusioner dalam genom burung robin laut, menguji efek fungsional pada perkembangan kerangka dan saraf dengan pengeditan genom, menggunakan genetika lintas spesies untuk mengungkap perbedaan dalam regulasi gen dan kemudian melakukan studi perilaku untuk menentukan bagaimana perubahan ini memengaruhi cara burung robin laut berperilaku. Itu benar-benar tur de force.”
Pendekatan berbasis luas yang menggunakan organisme model baru ini dapat merevolusi upaya yang sedang berlangsung untuk melacak bagaimana sifat-sifat baru muncul. “Dengan genom burung robin laut dan sumber daya molekuler lainnya yang kini tersedia, pengamatan ini memberikan awal untuk memahami genetika dari sifat-sifat baru yang berevolusi,” kata Harold H. Zakon, seorang profesor di departemen ilmu saraf dan biologi integratif di Universitas Texas di Austin. , siapa yang menulis ulasan yang disertakan untuk yang baru Biologi Saat Ini kertas tetapi tidak terlibat dengan mereka.
Seiring kemajuan penelitian ini, burung robin laut akan menjadi salah satu organisme yang pasti akan terus mendapat pengawasan ketat. Di Universitas Chicago dan Harvard, Herbert dan Allard kini mendirikan laboratorium mereka sendiri yang didedikasikan untuk mempelajari biologi pinniped.