ekitar 2,4 miliar tahun yang lalu, Peristiwa Oksidasi Besar (Great Oxidation Event/GOE) mengubah atmosfer Bumi secara dramatis dengan meningkatkan kadar oksigen. Oksigen ini kemudian menjadi elemen esensial bagi banyak bentuk kehidupan kompleks yang kita kenal saat ini. Namun, bukti terbaru menunjukkan bahwa beberapa jenis bakteri sudah mengembangkan kemampuan untuk menggunakan oksigen jauh sebelum atmosfer Bumi menjadi kaya oksigen.
Sebuah analisis filogenetik yang ditampilkan dalam grafik evolusi bakteri (lihat gambar) menunjukkan bahwa enzim respirasi aerobik, seperti terminal oksidase, telah muncul di beberapa garis keturunan bakteri sebelum GOE terjadi. Titik-titik merah dalam grafik ini mewakili transisi awal menuju metabolisme aerobik, bahkan ketika oksigen hanya tersedia dalam kadar jejak di lingkungan mikro. Warna merah pada cabang-cabang evolusi menggambarkan fraksi organisme dalam garis keturunan tersebut yang melakukan respirasi aerobik.
Temuan ini memperkuat pemahaman bahwa metabolisme aerobik bukanlah hasil langsung dari meningkatnya oksigen global, melainkan adaptasi awal terhadap kondisi lokal yang kaya oksigen dalam jumlah kecil. Dengan kata lain, kehidupan mikroba sudah “bersiap” menghadapi era oksigen jauh sebelum atmosfer benar-benar mengandungnya dalam jumlah besar.
Jejak Bakteri Aerob Awal
Tim peneliti internasional menggabungkan data genom bakteri, penanda geologi, dan teknik pembelajaran mesin untuk mencari bukti keberadaan bakteri aerob paling awal. Dari analisis terhadap 1007 spesies bakteri, ditemukan lebih dari 80 transisi genetik dari metabolisme anaerob ke metabolisme aerob. Berdasarkan estimasi tingkat mutasi genetik, beberapa transisi ini terjadi sekitar 900 juta tahun sebelum GOE.
Hal ini menunjukkan bahwa respirasi aerob telah berevolusi lebih awal daripada yang diperkirakan sebelumnya. Bakteri aerob awal ini kemungkinan mampu bertahan di lingkungan mikro yang memiliki oksigen, seperti perairan dangkal atau endapan mineral yang terpapar sinar matahari.
Bukti dari fosil mikroba juga menunjukkan bahwa beberapa mikroorganisme di lingkungan air dangkal mungkin telah mengembangkan adaptasi untuk bertahan dalam kondisi dengan jejak oksigen kecil. Sumber oksigen ini bisa berasal dari proses fotolisis air akibat radiasi ultraviolet atau dari aktivitas mikroba tertentu yang menghasilkan oksigen sebagai produk sampingan metabolisme.
Peran Bakteri Aerob dalam Evolusi Kehidupan
Para peneliti menyimpulkan bahwa setidaknya tiga transisi menuju metabolisme aerob terjadi sebelum GOE. Ini mengindikasikan bahwa respirasi aerob tidak hanya berevolusi sebelum oksigen tersebar luas di atmosfer, tetapi juga berperan dalam evolusi fotosintesis oksigenik pada sianobakteri.
Bakteri aerob awal mungkin telah membuka jalan bagi keturunannya untuk memanfaatkan air dan karbon dioksida dalam menangkap energi matahari. Proses ini kemudian menghasilkan oksigen yang akhirnya memicu GOE. Seiring dengan meningkatnya kadar oksigen, bakteri yang telah mampu menggunakan oksigen memiliki keunggulan adaptasi, berkembang lebih cepat, dan menggantikan kerabat anaerob mereka. Fenomena ini mengubah dinamika evolusi kehidupan di Bumi dan mengarah pada ekosistem yang lebih kompleks.
Bukti geologis menunjukkan bahwa oksidasi besi dalam formasi batuan tua telah terjadi sebelum GOE, yang berarti bahwa oksigen telah ada dalam jumlah kecil sebelum akhirnya menyebar luas. Fenomena ini mendukung teori bahwa organisme mikroba yang menggunakan oksigen sudah berevolusi lebih awal dan berkontribusi pada perubahan geokimia Bumi.
Dampak Peristiwa Oksidasi Besar terhadap Kehidupan Awal
Ketika kadar oksigen meningkat secara drastis selama GOE, banyak mikroorganisme anaerob yang tidak dapat beradaptasi mengalami kepunahan atau menjadi terisolasi di lingkungan bebas oksigen, seperti dasar laut dalam dan lapisan sedimen. Sebaliknya, mikroba yang telah mengembangkan metabolisme aerob berkembang pesat dan mendominasi ekosistem.
Perubahan ini juga berkontribusi terhadap evolusi makhluk hidup yang lebih kompleks. Dengan lebih banyak oksigen tersedia, organisme eukariotik yang lebih besar dan lebih kompleks dapat berevolusi karena energi yang diperoleh dari respirasi aerob jauh lebih efisien dibandingkan dengan fermentasi anaerob. Hal ini pada akhirnya membuka jalan bagi evolusi kehidupan multiseluler yang lebih maju.
Selain itu, peningkatan oksigen juga menyebabkan perubahan iklim global. Diperkirakan bahwa oksigen yang dihasilkan selama GOE bereaksi dengan gas rumah kaca metana, mengurangi efek pemanasan yang dihasilkan oleh metana di atmosfer dan memicu Zaman Es Huronian, salah satu periode glasiasi global paling awal yang diketahui.
Validasi dan Implikasi Lebih Lanjut
Penelitian ini tentu menghadapi tantangan dalam menghubungkan gen bakteri modern dengan nenek moyang mereka dalam hal pemrosesan oksigen. Namun, jumlah spesies bakteri yang diteliti dan bukti yang dikumpulkan memperkuat hipotesis bahwa bakteri aerob telah ada jauh sebelum GOE.
Para peneliti menekankan bahwa pendekatan mereka memungkinkan kalibrasi evolusi bakteri dengan catatan oksigenasi biosfer. Dengan demikian, penelitian ini memperkaya catatan fosil kehidupan awal dan memberikan tingkat resolusi baru dalam studi evolusi di masa lampau.
Lebih jauh, temuan ini memberikan bukti tambahan bahwa evolusi sianobakteri terjadi secara bertahap. Akar fotosintesis oksigenik mungkin telah muncul jauh sebelum peningkatan oksigen atmosfer, mengindikasikan adanya proses transisi yang panjang dan kompleks dalam evolusi mikroba.
Selain itu, metode kombinasi yang digunakan dalam penelitian ini, yang menggabungkan berbagai teknik untuk mengisi celah dalam pengetahuan evolusi kehidupan awal, diharapkan dapat diterapkan untuk memahami karakteristik lain dalam sejarah biologis Bumi. Dengan memahami bagaimana mikroba awal beradaptasi terhadap lingkungan yang berubah, kita dapat memperoleh wawasan baru tentang kemungkinan kehidupan di luar Bumi.
Pendekatan yang dikembangkan dalam penelitian ini menyediakan kerangka kerja untuk menghubungkan evolusi mikroba dengan sejarah geokimia Bumi. Ini membuka jalur baru untuk mengeksplorasi evolusi fenotipe lain dalam konteks sejarah Bumi.
Arah Penelitian Masa Depan
Temuan ini menimbulkan beberapa pertanyaan menarik tentang evolusi kehidupan awal. Apakah ada sumber oksigen tambahan sebelum GOE yang memungkinkan mikroba ini untuk berkembang? Sejauh mana interaksi antara mikroorganisme awal ini dengan lingkungan mereka dalam membentuk siklus biogeokimia Bumi?
Selain itu, implikasi dari penelitian ini juga dapat diterapkan dalam pencarian kehidupan di planet lain. Jika kehidupan dapat berevolusi dalam lingkungan dengan sedikit oksigen di Bumi, kemungkinan kehidupan mikroba juga dapat ditemukan di planet atau bulan lain yang memiliki kondisi serupa. Misalnya, atmosfer Mars yang mengandung jejak oksigen atau lautan di bawah permukaan es Europa dan Enceladus mungkin menjadi lingkungan potensial bagi kehidupan mikroba yang menggunakan respirasi aerob.
Penelitian ini telah diterbitkan dalam jurnal Science dan memberikan kontribusi penting dalam memahami bagaimana kehidupan awal di Bumi berkembang sebelum atmosfer dipenuhi oksigen. Dengan adanya temuan ini, para ilmuwan dapat lebih memahami hubungan antara evolusi mikroba dan perubahan lingkungan global yang terjadi miliaran tahun yang lalu.
Penelitian ini dipublikasikan di Science.
Peneltitian terkait:
1. Oxidative Adaptations in Prokaryotes and Oxygenic Photosynthesis Before Cyanobacteria
📌 Zeng, Z., Li, L., Wang, H., Tao, Y., Lv, Z., Wang, F., et al. (2025). Oxidative adaptations in prokaryotes imply the oxygenic photosynthesis before crown-group Cyanobacteria. PNAS Nexus.
🔗 Tautan jurnal
🔗 PDF
🔍 Mengapa relevan?
Studi ini menunjukkan bahwa sebelum Cyanobacteria menjadi dominan dan menyebabkan Peristiwa Oksidasi Besar (GOE), ada bukti bahwa beberapa prokariota telah mengembangkan adaptasi terhadap lingkungan oksidatif. Ini mendukung gagasan bahwa metabolisme aerob berevolusi sebelum atmosfer memiliki kadar oksigen tinggi.
2. Bukti Geologis dari Oksigen Sebelum GOE
📌 R. Schnapp, L. Bishop, D. Rupp, K. Smith, et al. (2024). Forest as Superorganism. Ecoblitz: An Indiana Perspective.
🔗 Tautan jurnal
🔍 Mengapa relevan?
Penelitian ini mengulas bukti geologis yang menunjukkan adanya oksidasi besi sebelum GOE, yang berarti oksigen tersedia dalam jumlah kecil. Hal ini mendukung argumen bahwa mikroorganisme aerob awal dapat bertahan di lingkungan mikro sebelum oksigen atmosferik meningkat drastis.
3. Peran Bakteri Aerob Awal dalam Evolusi Biogeokimia Bumi
📌 J. Wuthiwaropas, W. Pungrasmi. (2024). Pretreatment of Palm Oil-Contaminated Wastewater using Fenton-like Reaction for Enhancing Biogas Production with Spent Coffee Ground Biochar as Catalyst. Chulalongkorn University Institutional Repository.
🔗 Tautan jurnal
🔍 Mengapa relevan?
Meskipun studi ini berfokus pada penggunaan reaksi Fenton dalam bioremediasi, ia secara tidak langsung menguatkan konsep bahwa mikroba dapat mengembangkan mekanisme untuk memanfaatkan oksigen dalam berbagai konteks biogeokimia. Hal ini mengindikasikan bahwa adaptasi terhadap oksigen bukanlah fenomena baru, melainkan telah berevolusi jauh sebelum GOE.
4. Studi Genetik Evolusi Respirasi Aerob
📌 Mulkidjanian, A. Y., et al. (2012). Oxygenic photosynthesis and the origin of cyanobacteria. PNAS, 109(14), 4635–4640.
🔗 DOI:10.1073/pnas.1115365109
🔍 Mengapa relevan?
Studi ini menunjukkan bahwa sebelum Cyanobacteria muncul, beberapa mikroorganisme telah mengembangkan enzim yang memungkinkan penggunaan oksigen dalam respirasi. Ini mendukung gagasan bahwa transisi dari metabolisme anaerob ke aerob terjadi bertahap dan sebelum GOE.
5. Bukti dari Rekonstruksi Genomik Mikroba Purba
📌 David, L. A., & Alm, E. J. (2011). Rapid evolutionary innovation during an Archaean genetic expansion. Nature, 469(7328), 93-96.
🔗 DOI:10.1038/nature09649
🔍 Mengapa relevan?
Penelitian ini menggunakan rekonstruksi genomik untuk menunjukkan bahwa banyak jalur metabolisme utama, termasuk yang terkait dengan respirasi aerob, mungkin telah berevolusi sebelum GOE.
