Genom haiwan tidak berubah secara rawak — ia bergerak melalui ‘lebuhraya evolusi’

Kromosom manusia, sotong kurita dan batu karang mungkin kelihatan sangat berbeza hari ini. Namun, di dalam sel masing-masing masih terdapat cebisan yang boleh dikenal pasti sebagai warisan daripada nenek moyang haiwan yang hidup lebih 600 juta tahun lalu.

Kajian yang diketuai penyelidik Universiti Vienna mencadangkan bahawa penyusunan semula cebisan ini bukan berlaku secara rawak. Sebaliknya, genom haiwan bergerak melalui rangkaian keadaan struktur yang terhad dan sebahagian besarnya sukar diterbalikkan — sesuatu yang digambarkan oleh penyelidik sebagai “lebuhraya evolusi”.

Perbandingan kromosom haiwan terbesar setakat ini

Penyelidik membandingkan 5,821 genom berskala kromosom yang tersedia untuk umum, meliputi 4,454 spesies daripada 19 filum haiwan. Menurut laporan Universiti Vienna, ini merupakan perbandingan terbesar seumpamanya merentasi salasilah evolusi haiwan.

Berbanding hanya meneliti gen secara berasingan, kaedah ini melihat keseluruhan susunan genom. Setiap genom dianggap menduduki satu kedudukan dalam “ruang seni bina genom” yang mempunyai pelbagai dimensi.

Spesies yang berkongsi sejarah perubahan struktur cenderung berkumpul di kawasan tertentu dalam ruang ini. Sebaliknya, keturunan yang mengalami perubahan kromosom luar biasa boleh muncul jauh daripada kelompok utama.

Pendekatan ini memberikan satu lagi lapisan bukti untuk memahami evolusi. Rupa fizikal haiwan boleh berubah secara dramatik dalam tempoh yang sangat panjang, manakala gen individu pula boleh berganda, hilang atau berubah. Susunan pada skala kromosom menyimpan rekod sejarah yang berbeza: kumpulan gen mana yang kekal bersama, mana yang berpisah dan mana yang akhirnya bercantum secara kekal.

Mengapa percantuman dengan pencampuran hampir mustahil diterbalikkan?

Salah satu idea utama kajian ini ialah percantuman kromosom dengan pencampuran. Dalam peristiwa percantuman, dua kromosom yang sebelumnya berasingan bergabung menjadi satu.

Jika kandungan gen daripada kedua-dua kromosom itu kemudiannya bercampur, evolusi seterusnya tidak mudah mengembalikan sempadan asal antara kedua-duanya. Genom masih boleh terus mengalami penyusunan semula, tetapi keadaan tepat sebelum percantuman itu sukar dipulihkan selepas kandungannya bercampur.

Perubahan ini menjadikan arah evolusi tersebut hampir sehala. Corak yang terhasil boleh berfungsi sebagai penanda tahan lama bagi keturunan tempat percantuman itu berlaku. Kajian perbandingan terdahulu dalam bidang sama turut mendokumentasikan pemuliharaan susunan kromosom merentasi bilateria, knidaria dan span, sekali gus menyokong penggunaan struktur kromosom untuk membina semula kromosom haiwan purba.

Istilah “lebuhraya” tidak bermaksud semua keturunan melalui laluan yang sama atau evolusi kromosom telah berhenti. Maksudnya, sesetengah perubahan struktur jauh lebih mudah berlaku berbanding untuk diundurkan, lalu mengehadkan laluan yang tersedia dalam ruang seni bina genom. Penyelidikan tentang pencampuran topologi dan sifat tidak boleh balik turut mengaitkan percantuman dengan pencampuran kepada perubahan satu hala dalam kariotip haiwan.

Apa yang didedahkan oleh ruang seni bina genom?

Pemetaan sejarah struktur genom bukan sekadar menghasilkan sistem pengelasan visual. Ia menunjukkan kumpulan haiwan yang berkongsi komponen kromosom purba, serta keturunan yang mengambil laluan evolusi luar biasa.

Antara contoh yang dilaporkan dalam kajian ialah span kaca, nyamuk dan cacing tanah — keturunan yang menduduki kawasan tersendiri pada peta seni bina genom. Sejarah genom mereka mungkin menjadikan spesies ini sasaran penting untuk penjujukan perbandingan dan kajian evolusi lanjut.

Maklumat sama juga berpotensi membantu ahli pemuliharaan mengenal pasti keturunan yang keunikan evolusinya akan hilang jika ia pupus. Namun, keunikan genom sahaja tidak mencukupi untuk menentukan keutamaan pemuliharaan secara menyeluruh.

Perspektif ini memperluas maksud biodiversiti. Nilai sesebuah spesies kepada penyelidikan evolusi bukan hanya bergantung pada rupa yang luar biasa atau jarak hubungan berdasarkan taksonomi konvensional. Struktur kromosomnya mungkin menyimpan rekod laluan sejarah yang jarang ditemui dalam evolusi haiwan.

Daripada peta sejarah kepada simulasi evolusi

Oleh sebab rangka kerja ini menggambarkan perubahan genom sebagai peralihan antara keadaan seni bina yang mempunyai kekangan tertentu, ia juga boleh digunakan dalam pengiraan.

Penyelidik boleh memodelkan laluan munasabah yang melibatkan percantuman, pencampuran, pemisahan atau perubahan kromosom lain. Mereka kemudiannya boleh mengkaji bagaimana laluan tersebut mungkin mempengaruhi kepelbagaian genom dari semasa ke semasa.

Hal ini membuka asas untuk simulasi laluan evolusi genom pada masa hadapan serta kemungkinan perubahan biodiversiti. Namun, rangka kerja ini lebih tepat difahami sebagai alat untuk menguji senario dan mengenal pasti kekangan struktur — bukannya alat yang kini mampu meramalkan nasib genom mana-mana spesies dengan tepat.

Mengapa penemuan ini penting?

Sumbangan utama kajian ini terletak pada skala analisisnya. Daripada menganggap setiap genom haiwan sebagai susunan yang berdiri sendiri, pendekatan topologi genom evolusi membandingkan seni bina kromosom merentasi seluruh kerajaan haiwan untuk mencari pola dan peraturan yang berulang.

Gambaran yang muncul menunjukkan bahawa evolusi bersifat kreatif, tetapi pada masa yang sama mempunyai batas. Kromosom boleh disusun semula secara meluas, namun sesetengah perubahan meninggalkan sempadan yang sukar dibina semula.

Peralihan satu hala ini mengekalkan cebisan hubungan keturunan yang sangat purba, menyusun spesies ke dalam kawasan tertentu dalam ruang seni bina genom dan memberikan cara baharu untuk memahami bagaimana kepelbagaian haiwan terbentuk — serta bagaimana sejarah evolusi yang unik mungkin hilang.