Fotosintesis Penting pada Awal Kehidupan

Para peneliti menemukan bahwa bakteri paling awal memiliki alat untuk melakukan langkah penting dalam fotosintesis. Temuan ini sekaligus mengubah cara berpikir ihwal evolusi kehidupan di bumi.

Penemuan ini juga menantang ekspektasi tentang bagaimana kehidupan mungkin berevolusi di planet lain. Evolusi fotosintesis yang menghasilkan oksigen dianggap sebagai faktor kunci dalam kemunculan kehidupan kompleks.

Proses ini butuh beberapa miliar tahun untuk berkembang. Tapi, jika kehidupan paling awal bisa melakukannya, planet lain mungkin mengembangkan kehidupan yang kompleks jauh lebih awal dari perkiraan sebelumnya.

Tim peneliti, yang dipimpin para ilmuwan dari Imperial College London, menelusuri evolusi protein utama yang dibutuhkan untuk fotosintesis hingga kemungkinan asal mula kehidupan bakteri di bumi. Hasilnya dipublikasikan dan dapat diakses secara bebas di BBA-Bioenergetics.

"Kami sebelumnya telah menunjukkan bahwa sistem biologis untuk melakukan produksi oksigen, yang dikenal sebagai Fotosistem II, sangat tua. Tapi sampai sekarang kami belum dapat melakukannya,” kata peneliti utama, Tanai Cardona, dari Departemen Ilmu Hayati di Imperial.

Proses Fotosintesis

Fotosistem II menunjukkan pola evolusi yang biasanya hanya dikaitkan dengan enzim tertua yang diketahui. Hal ini sangat penting bagi kehidupan itu sendiri untuk berkembang.

Fotosintesis, yang mengubah sinar matahari menjadi energi, dapat terjadi dalam dua bentuk: satu menghasilkan oksigen dan satu lagi tidak. Bentuk penghasil oksigen biasanya diasumsikan telah berevolusi kemudian, terutama dengan munculnya cyanobacteria, atau alga biru-hijau, sekitar 2,5 miliar tahun silam.

Sementara beberapa penelitian menunjukkan kantong fotosintesis penghasil oksigen (oksigenik) mungkin telah ada sebelum ini, hal itu masih dianggap sebagai inovasi yang membutuhkan setidaknya beberapa miliar tahun untuk berevolusi di bumi.

Penelitian baru menemukan bahwa enzim yang mampu melakukan proses kunci dalam fotosintesis oksigenik—memecah air menjadi hidrogen dan oksigen—sebenarnya ada pada beberapa bakteri paling awal.

Bukti paling awal kehidupan di bumi berusia lebih dari 3,4 miliar tahun dan beberapa penelitian menunjukkan bahwa kehidupan paling awal bisa jadi lebih tua dari 4 miliar tahun.

Seperti evolusi mata, versi pertama fotosintesis oksigenik mungkin sangat sederhana dan tidak efisien. Karena mata paling awal hanya merasakan cahaya, fotosintesis paling awal mungkin sangat tidak efisien dan lambat.

Di bumi, butuh lebih dari 1 miliar tahun bagi bakteri untuk menyempurnakan proses yang mengarah pada evolusi cyanobacteria, dan 2 miliar tahun lagi bagi hewan dan tumbuhan untuk menaklukkan daratan.

Namun, bahwa produksi oksigen hadir sangat awal di lingkungan lain, seperti di planet lain, transisi ke kehidupan yang kompleks bisa memakan waktu yang jauh lebih sedikit.

Tim membuat penemuan mereka dengan melacak "jam molekuler" dari protein fotosintesis utama yang bertanggung jawab untuk memisahkan air.

Metode itu memperkirakan laju evolusi protein dengan melihat waktu antara momen evolusi yang diketahui, seperti munculnya berbagai kelompok cyanobacteria atau tumbuhan darat, yang membawa versi protein tersebut saat ini.

Laju evolusi yang dihitung kemudian diperpanjang kembali ke masa lalu, untuk melihat kapan protein pertama kali berevolusi.

Mereka membandingkan laju evolusi protein fotosintesis ini dengan protein kunci lain dalam evolusi kehidupan, termasuk yang membentuk molekul penyimpan energi dalam tubuh dan yang menerjemahkan urutan DNA menjadi RNA.

DNA dan RNA diperkirakan sudah ada sebelum nenek moyang manusia, semua kehidupan seluler di bumi. Mereka membandingkan laju kejadian yang diketahui terjadi baru-baru ini, ketika kehidupan sudah bervariasi dan cyanobacteria muncul.

Protein fotosintesis menunjukkan pola evolusi yang hampir identik dengan enzim tertua, membentang jauh ke masa lalu, menunjukkan bahwa mereka berevolusi dengan cara serupa.

Penulis pertama studi, Thomas Oliver, dari Departemen Ilmu Kehidupan di Imperial, mengatakan, "Kami menggunakan teknik yang disebut rekonstruksi urutan leluhur untuk memprediksi urutan protein dari protein fotosintetik leluhur.”

Urutan ini memberikan informasi tentang bagaimana Fotosistem II leluhur akan berhasil dan dapat menunjukkan bahwa banyak komponen kunci diperlukan untuk evolusi oksigen di Fotosistem II dapat ditelusuri ke tahap paling awal dalam evolusi enzim.

Mengetahui bagaimana protein fotosintesis utama ini berevolusi tidak hanya relevan untuk pencarian kehidupan di planet lain, tapi juga dapat membantu para peneliti menemukan strategi untuk menggunakan fotosintesis dengan cara baru melalui biologi sintetis.

"Sekarang kami memiliki pemahaman yang baik tentang bagaimana protein fotosintesis berevolusi, beradaptasi dengan dunia yang berubah,” ucap peneliti utama Tanai Cardona.

SCIENCE DAILY | BIOENERGETICS | FIRMAN ATMAKUSUMA