Kehidupan di Bumi Mungkin Muncul Dua Kali: Studi Baru Mengubah Kisah Asal-Usul Kehidupan

Kesimpulan paling mencoloknya adalah bahwa bakteri dan arkea mungkin secara terpisah melewati ambang menuju kehidupan seluler yang dapat hidup bebas. Dengan kata lain, satu kode genetik mungkin memiliki satu asal, tetapi transisi menuju kehidupan mandiri bisa terjadi dua kali .

LUCA mungkin belum sepenuhnya hidup

Dalam gambaran tradisional, LUCA ditempatkan sebagai satu organisme di pangkal pohon kehidupan, dari sana seluruh cabang kehidupan berkembang. Studi baru ini menawarkan interpretasi berbeda.

Tim peneliti menelusuri asal-usul enzim yang menggerakkan metabolisme inti—serangkaian reaksi kimia yang dibutuhkan untuk membentuk asam amino, basa RNA, dan kofaktor dari molekul sederhana seperti hidrogen, karbon dioksida, amonia, dan fosfat .

Mereka menemukan bahwa LUCA hanya memiliki enzim untuk sekitar separuh dari sekitar 420 reaksi metabolisme inti. Reaksi lainnya kemungkinan tidak digerakkan oleh enzim, melainkan dikatalisis oleh logam yang secara alami terdapat di lingkungan ventilasi hidrotermal, termasuk besi, nikel, dan kobalt .

Artinya, LUCA mungkin belum mampu mempertahankan metabolismenya secara mandiri. Ia masih memerlukan bantuan kimia dari lingkungan sehingga belum dapat dianggap sebagai sel bebas yang otonom.

"Yang mengejutkan adalah enzim yang mengatalisis reaksi-reaksi tersebut tidak lestari di sepanjang garis evolusi yang memisahkan bakteri dan arkea," kata penulis senior William Martin kepada Scientific American .

Empat tahap evolusi katalisis

Berdasarkan rekonstruksi mereka, para peneliti menggambarkan empat tahap perkembangan katalisis yang menjembatani kimia tak hidup dan sel modern :

1. Reaksi yang hanya dikatalisis logam: Pada tahap paling awal, logam anorganik murni membantu menggerakkan reaksi metabolisme sederhana.
2. Tahap gabungan logam dan enzim: LUCA muncul dengan sejumlah enzim primitif, tetapi masih bergantung pada logam lingkungan untuk banyak reaksi penting.
3. Pemisahan garis keturunan: Leluhur bakteri dan arkea mulai berpisah, masing-masing membawa sebagian perangkat enzimatik LUCA.
4. Evolusi enzim secara independen: Bakteri dan arkea secara terpisah mengembangkan enzim baru dengan struktur berbeda untuk menggantikan katalis logam yang hilang. Keduanya memecahkan persoalan metabolisme yang sama melalui jalur masing-masing.

Perkembangan enzim yang tidak sama inilah yang menjadi petunjuk penting bahwa bakteri dan arkea mungkin berubah menjadi sel bebas yang mandiri setelah garis evolusi mereka sudah berpisah .

Bagaimana metabolisme awal memperoleh energi sebelum ATP?

Sel modern menggunakan adenosina trifosfat (ATP) sebagai semacam "mata uang energi". Namun, ATP adalah molekul kompleks yang pembentukannya bergantung pada enzim. Karena itu, ATP kemungkinan belum tersedia pada tahap ketika kehidupan baru berawal.

Studi tersebut mengidentifikasi kandidat yang menarik: fosfit, salah satu bentuk fosfor yang dapat ditemukan di lingkungan ventilasi hidrotermal. Ketika bereaksi dengan senyawa organik dan dibantu oleh logam paladium yang terbentuk secara alami, fosfit dapat mendorong reaksi fosforilasi metabolik di dalam air.

Sistem ini berpotensi menyediakan tenaga bagi metabolisme awal sebelum enzim kompleks dan ATP muncul . Namun, peran fosfit dan paladium tersebut masih merupakan model kimia yang masuk akal, bukan jalur purba yang telah terbukti secara langsung.

Pohon kehidupan mungkin lebih mirip semak

Dalam pandangan umum, LUCA berada di pangkal satu batang pohon kehidupan, lalu seluruh organisme bercabang dari sana. Temuan baru ini mengusulkan gambaran yang berbeda :

• Satu asal kode genetik: Semua kehidupan memiliki warisan genetik yang sama dari LUCA, termasuk sistem dasar DNA, RNA, dan pembentukan protein.
• Dua asal kehidupan bebas: Peralihan dari kimia tak hidup menuju sel yang mandiri diduga terjadi secara terpisah pada garis keturunan bakteri dan arkea.

Karena itu, "pohon kehidupan" mungkin lebih tepat dibayangkan sebagai semak dengan dua batang utama yang tumbuh dari fondasi pra-sel yang sama. William Martin merangkum gagasan tersebut dengan kalimat: "Kita sedang melihat satu asal kode genetik, tetapi dua asal kehidupan" .

Penting dicatat, penelitian ini tidak serta-merta membuktikan bahwa kehidupan di Bumi dimulai dua kali dalam arti dua peristiwa yang sepenuhnya terpisah. Yang diusulkan adalah dua transisi evolusioner menuju sel bebas—satu pada garis bakteri dan satu pada garis arkea—setelah keduanya mewarisi dasar genetik dari leluhur bersama.

Implikasinya bagi pencarian kehidupan di luar Bumi

Jika transisi menuju kehidupan seluler dapat terjadi lebih dari sekali di Bumi, temuan ini memunculkan pertanyaan besar dalam astrobiologi. Lompatan dari kimia tak hidup ke kehidupan mungkin lebih mudah terjadi daripada yang selama ini diperkirakan.

Namun, kesimpulan sebaliknya juga mungkin: proses tersebut bisa saja hanya berlangsung dalam kondisi yang sangat spesifik, seperti lingkungan ventilasi hidrotermal yang kaya logam . Dengan demikian, penelitian ini belum menentukan apakah kehidupan mudah muncul di tempat lain atau justru membutuhkan rangkaian kondisi yang sangat langka.

Batasan penelitian dan pertanyaan yang belum terjawab

Studi ini sangat bergantung pada data genom bakteri. Sampel genom arkea belum selengkap data bakteri, sehingga kesenjangan tersebut dapat memengaruhi kesimpulan penelitian.

Selain itu, eksperimen laboratorium yang menunjukkan seluruh transisi—dari reaksi yang dikatalisis logam hingga metabolisme yang digerakkan enzim—dalam satu sistem sintetis belum dilakukan. Peran fosfit dan paladium juga masih berupa kemungkinan kimia yang perlu diuji lebih lanjut .

Meski demikian, penelitian ini menyajikan salah satu rekonstruksi paling terperinci tentang bagaimana jaringan metabolisme awal mungkin terbentuk. Kisah asal-usul kehidupan pun tampak bukan sebagai satu lompatan sederhana dari benda mati menuju sel, melainkan proses bertahap, bergantung pada lingkungan, dan mungkin berlangsung melalui lebih dari satu jalur.