Selama beberapa dekade, banyak ahli biologi evolusi memandang evolusi molekuler sebagai sesuatu yang sangat tenang. Idenya adalah bahwa banyak perubahan genetik yang menyebar melalui populasi tidak bermanfaat dan tidak berbahaya. Mereka hanya melayang di alam liar tanpa menarik banyak perhatian seleksi alam.
Sebuah studi dari Universitas Michigan menantang gambaran ini. Dipimpin oleh ahli biologi evolusi Jianzhi Zhang, penelitian ini menunjukkan bahwa mutasi yang berguna mungkin jauh lebih umum daripada prediksi teori lama. Tapi ada batasannya. Banyak dari mutasi yang bermanfaat ini mungkin tidak bertahan cukup lama untuk menjadi permanen.
Sebuah teori evolusi besar menghadapi ujian baru
Selama evolusi, mutasi terjadi secara kebetulan. Beberapa menghilang. Yang lain menyebar sampai setiap anggota populasi membawanya, sebuah proses yang dikenal sebagai fiksasi.
Selama lebih dari setengah abad, salah satu gagasan paling berpengaruh dalam evolusi molekuler adalah teori netral evolusi molekuler. Pertama kali dikemukakan pada tahun 1960-an, teori ini menyatakan bahwa sebagian besar perubahan genetik tetap pada tingkat gen dan protein bersifat netral. Dalam pandangan ini, mutasi yang merugikan umumnya dihilangkan melalui seleksi alam, sedangkan mutasi yang benar-benar menguntungkan sangat jarang terjadi sehingga sebagian besar perubahan molekuler yang bertahan lama seharusnya bersifat netral.
Zhang dan rekan-rekannya mulai mengkaji asumsi utama di balik teori ini. Apakah mutasi yang menguntungkan sangat langka?
Hasil penelitian mereka menunjukkan bahwa jawabannya mungkin tidak.
Mutasi yang berguna ternyata sangat umum terjadi
Dengan menggunakan kumpulan data besar dari analisis mutasi mendalam dari laboratorium mereka sendiri dan laboratorium lain, tim meneliti efek dari berbagai mutasi pada organisme model seperti ragi dan E. coli. Dalam analisis mutasi yang mendalam, para ilmuwan membuat banyak mutasi pada suatu gen atau wilayah genom dan kemudian mengukur bagaimana perubahan ini mempengaruhi organisme.
Para peneliti mengikuti organisme tersebut selama beberapa generasi dan membandingkannya dengan tipe liar, atau versi yang paling umum ditemukan di alam. Dengan mengukur pertumbuhan, mereka dapat memperkirakan apakah mutasi membantu, merugikan, atau hanya berdampak kecil.
Mereka menemukan bahwa lebih dari 1% mutasi pengubah asam amino yang mereka periksa bermanfaat. Hal ini mungkin terlihat kecil, namun dalam teori evolusi, hal ini sangatlah besar. Jika mutasi sebanyak itu bermanfaat, tim menghitung bahwa lebih dari 99% substitusi asam amino harus bersifat adaptif. Evolusi gen juga diperkirakan terjadi jauh lebih cepat dibandingkan pengamatan para ilmuwan di alam.
Ketidakcocokan ini memaksa para peneliti untuk memikirkan kembali salah satu hipotesis mereka. Mereka menyimpulkan, masalahnya adalah lingkungan tidak tinggal diam.
Evolusi mengejar target yang bergerak
Mutasi dapat berguna dalam satu konteks dan berbahaya dalam konteks lain. Jika lingkungan berubah sebelum mutasi yang menguntungkan menyebar ke seluruh populasi, mutasi tersebut mungkin kehilangan manfaatnya atau bahkan menjadi suatu kerugian.
“Kami bilang hasilnya netral, tapi prosesnya tidak netral,” kata Zhang, profesor ekologi dan biologi evolusi di UM. “Model kami menunjukkan bahwa populasi alami tidak benar-benar beradaptasi dengan lingkungannya, karena lingkungan berubah dengan sangat cepat dan populasi selalu mengejar lingkungan.”
Tim menyebut kerangka pelacakan adaptif ini dengan pleiotropi antagonis. Sederhananya, hal ini berarti bahwa populasi dapat terus-menerus merespons perubahan lingkungan, sementara banyak mutasi mengakibatkan ketergantungan pada lingkungan.
Mutasi yang meningkatkan kebugaran saat ini dapat menurunkannya di kemudian hari. Akibatnya, evolusi dapat dipenuhi dengan perubahan-perubahan bermanfaat yang tidak pernah bersifat permanen.
Eksperimen ragi menunjukkan apa yang terjadi ketika kondisi berubah
Untuk menguji ide ini, tim Zhang membandingkan dua kelompok ragi selama 800 generasi. Suatu kelompok berevolusi dalam lingkungan yang stabil. Yang lainnya berevolusi dalam lingkungan yang berubah yang terdiri dari 10 media pertumbuhan berbeda.
Kelompok pengubah lingkungan menghabiskan 80 generasi pada lingkungan pertama, kemudian 80 generasi pada lingkungan berikutnya, dan seterusnya, hingga mereka juga menyelesaikan 800 generasi. (setiap generasi berlangsung 3 jam)
Para peneliti menemukan jauh lebih sedikit mutasi menguntungkan pada kelompok yang terkena perubahan kondisi. Mutasi yang berguna masih muncul, namun seringkali tidak memiliki cukup waktu untuk menyebar ke seluruh populasi sebelum kondisi berubah lagi.
Meskipun kami mengamati banyak mutasi menguntungkan di lingkungan tertentu, mutasi menguntungkan ini tidak memiliki peluang untuk diperbaiki karena frekuensinya meningkat ke tingkat tertentu, lingkungan pun berubah,” kata Zhang. “Mutasi yang menguntungkan di lingkungan lama ini bisa menjadi merugikan di lingkungan baru.”
Mengapa kecocokan yang sempurna mungkin di luar jangkauan
Hasilnya menunjukkan pandangan evolusi yang lebih bergejolak. Alih-alih berkembang secara bertahap menuju kesesuaian sempurna antara organisme dan lingkungannya, populasi seringkali terjebak dalam mengejar kondisi yang terus berubah.
Zhang mengatakan gagasan ini memiliki implikasi luas bagi makhluk hidup, termasuk manusia.
Lingkungan kita telah banyak berubah, dan gen kita mungkin bukan yang terbaik untuk lingkungan saat ini karena kita telah melalui banyak lingkungan berbeda. Beberapa mutasi mungkin bermanfaat di lingkungan kuno kita, tapi tidak cocok dengan lingkungan saat ini,” kata Zhang.
Dia menambahkan bahwa tingkat adaptasi yang terlihat pada suatu populasi mungkin bergantung pada kapan lingkungannya berubah.
“Setiap kali Anda melihat populasi alami, tergantung pada kapan perubahan signifikan terakhir dalam lingkungan terjadi, populasi tersebut mungkin mengalami adaptasi yang sangat buruk atau adaptasi yang relatif baik. Namun kita mungkin tidak akan pernah melihat populasi yang sepenuhnya beradaptasi dengan lingkungannya, karena adaptasi yang lengkap akan memakan waktu lebih lama dibandingkan dengan hampir semua lingkungan alam yang bisa tetap konstan.”
Pergeseran yang lebih besar dalam cara para ilmuwan mempelajari mutasi
Teori netral muncul pada titik balik dalam biologi. Sebelum tahun 1960-an, para ilmuwan sering mempelajari evolusi dengan memeriksa bentuk, struktur, dan karakteristik fisik suatu organisme. Ketika para peneliti mulai mengurutkan protein, dan kemudian gen, mereka mampu mempelajari evolusi pada tingkat molekuler.
Pergeseran ini mengungkapkan pola-pola yang dijelaskan dengan baik oleh teori netral, termasuk mengapa banyak perbedaan genetik tampaknya terus terakumulasi seiring berjalannya waktu. Penelitian di Michigan tidak menghapus sejarah itu. Sebaliknya, hal ini menawarkan cara untuk merekonsiliasi dua pengamatan yang tampaknya bertentangan.
Di satu sisi, banyak perubahan molekuler yang menjadi tetap masih tampak netral ketika para ilmuwan membandingkan genom. Di sisi lain, eksperimen menunjukkan bahwa mutasi yang menguntungkan mungkin melimpah di lingkungan tertentu. Tim Zhang berpendapat bahwa keduanya mungkin benar jika mutasi yang menguntungkan sering kali bersifat sementara.
Penelitian terbaru di bidang genetika evolusioner terus menekankan pentingnya perubahan lingkungan. Tinjauan adaptasi pada kondisi yang berubah dengan cepat pada tahun 2026 menyoroti bagaimana perubahan frekuensi dan sifat alel sangat bergantung pada variasi genetik yang tersedia. Penelitian lain mengenai ragi juga menunjukkan bahwa adaptasi dapat dipengaruhi oleh tekanan lingkungan dan bahwa mutasi yang berguna dalam satu konteks dapat berdampak buruk pada konteks lain.
Secara keseluruhan, temuan ini memperkuat tema yang berkembang dalam biologi evolusi. Dampak mutasi tidak selalu dapat dipahami secara terpisah. Hal ini mungkin bergantung pada lingkungan, sejarah organisme, dan kecepatan perubahan kondisi.
Peringatan dan pertanyaan berikutnya
Zhang mencatat sebuah batasan penting. Sebagian besar data yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari ragi dan E.coliorganisme bersel tunggal yang memudahkan pengukuran efek mutasi terhadap kebugaran. Data analisis mutasi yang lebih mendalam dari organisme multiseluler diperlukan untuk melihat apakah pola yang sama berlaku pada hewan, tumbuhan, dan manusia.
Tim juga berencana mempelajari mengapa organisme membutuhkan waktu lama untuk beradaptasi sepenuhnya, bahkan ketika lingkungan tetap konstan.
Studi ini didukung oleh Institut Kesehatan Nasional AS dan dipublikasikan di Nature Ecology and Evolution. Penulis lainnya termasuk Siliang Song dan Xukang Shen, mantan mahasiswa pascasarjana UM, dan Piaopiao Chen, mantan peneliti postdoctoral UM.
Untuk saat ini, penelitian ini menunjukkan kemungkinan yang sangat besar. Evolusi mungkin tampak bukan seperti pendakian terus-menerus menuju kesempurnaan, melainkan lebih seperti perlombaan demi dunia yang tidak pernah berhenti bergerak.
