Selama ini, asal-usul kehidupan di Bumi biasanya digambarkan sebagai satu rangkaian sejarah. Dari lingkungan kimia purba, muncul sistem kehidupan pertama, lalu seluruh organisme modern—mulai dari bakteri, tumbuhan, hewan, hingga manusia—berkembang melalui percabangan evolusi yang panjang.
Namun, sebuah studi terbaru menawarkan gambaran yang jauh lebih tidak biasa. Para peneliti mengusulkan bahwa metabolisme yang memungkinkan kehidupan seluler menjadi mandiri mungkin dirakit secara independen pada garis keturunan yang mengarah ke bakteri dan arkea. Jika skenario ini benar, kehidupan tidak harus memiliki dua asal yang sepenuhnya terpisah. Sebaliknya, satu sistem kehidupan leluhur mungkin telah muncul lebih dahulu, kemudian dua kelompok utama mikroorganisme tersebut secara terpisah menyempurnakan mesin metabolisme mereka.
Gagasan ini memberikan perspektif baru mengenai salah satu pertanyaan terbesar dalam biologi: bagaimana kimia sederhana di Bumi purba akhirnya berubah menjadi sistem yang mampu mempertahankan dirinya sendiri?
Misteri Awal Kehidupan
Salah satu pertanyaan terbesar dalam biologi adalah bagaimana materi tak hidup dapat berubah menjadi sistem yang mampu mempertahankan diri, menggunakan energi, tumbuh, dan bereproduksi. Peristiwa ini kemungkinan terjadi lebih dari 4 miliar tahun lalu, ketika Bumi masih memiliki lingkungan yang sangat berbeda dari sekarang.
Para ilmuwan menduga bahwa kehidupan awal dapat muncul di lingkungan yang kaya energi dan reaktif, termasuk kawasan ventilasi hidrotermal di dasar laut. Di tempat seperti itu, hidrogen, karbon dioksida, amonia, hidrogen sulfida, air, fosfat, serta berbagai mineral dapat berinteraksi dan menghasilkan molekul organik.
Namun, muncul persoalan penting. Sel modern membutuhkan enzim untuk mempercepat reaksi kimia. Enzim sendiri merupakan produk dari sistem biologis. Artinya, bagaimana organisme pertama dapat menjalankan metabolisme sebelum memiliki sistem enzimatik yang kompleks?
Pertanyaan ini sering disebut sebagai masalah “telur dan ayam” dalam asal-usul kehidupan. Penelitian terbaru mencoba mengatasinya dengan melihat metabolisme bukan sebagai sistem yang muncul sekaligus, tetapi sebagai jaringan reaksi yang dirakit secara bertahap dari kimia lingkungan menuju biologi.
Metabolisme Sebagai Jembatan Menuju Kehidupan
Metabolisme adalah keseluruhan reaksi kimia yang memungkinkan organisme memperoleh energi, membangun komponen sel, dan mempertahankan fungsi kehidupan. Pada sel modern, proses tersebut dikendalikan oleh jaringan enzim yang sangat kompleks.
Namun, sistem metabolisme awal kemungkinan jauh lebih sederhana.
Tim peneliti yang dipimpin oleh William Martin dari Heinrich Heine University Düsseldorf menganalisis enzim-enzim yang terlibat dalam jaringan metabolisme dasar. Jaringan tersebut mencakup ratusan reaksi yang mengubah senyawa sederhana seperti hidrogen, karbon dioksida, amonia, hidrogen sulfida, dan fosfat menjadi molekul organik yang dibutuhkan kehidupan, termasuk asam amino, basa nitrogen, dan kofaktor.
Jaringan reaksi sebesar itu hampir tidak mungkin muncul lengkap dalam satu tahap. Menurut skenario yang diajukan peneliti, metabolisme awal harus terbentuk melalui serangkaian fase perakitan. Pada tahap pertama, reaksi kimia mungkin berlangsung dengan bantuan mineral dan logam alami di lingkungan. Setelah molekul organik tertentu terbentuk dan terkumpul, katalis biologis sederhana mulai mengambil alih sebagian fungsi yang sebelumnya dilakukan oleh lingkungan geokimia.
Dengan demikian, batas antara “kimia” dan “kehidupan” mungkin tidak berupa satu titik yang jelas. Bisa jadi terdapat tahap panjang ketika sistem kimia semakin menyerupai metabolisme biologis sebelum akhirnya menjadi bagian dari sel.
Empat Tahap Perkembangan
Berdasarkan analisis struktur protein, urutan gen, serta hubungan evolusioner berbagai enzim, para peneliti menyusun gambaran mengenai bagaimana katalisis metabolik dapat berkembang secara bertahap.
Fase pertama sepenuhnya bergantung pada lingkungan. Reaksi belum dikendalikan oleh enzim, tetapi dapat berlangsung karena sifat katalitik mineral dan logam yang tersedia di sekitar lingkungan hidrotermal.
Pada fase kedua, sistem kimia purba mulai menggabungkan katalisis lingkungan dengan katalisis biologis sederhana. Molekul-molekul yang memiliki kemampuan katalitik mulai mengambil alih sebagian fungsi mineral dan logam.
Fase ketiga ditandai oleh semakin banyaknya reaksi yang dikendalikan oleh enzim. Sistem tersebut menjadi semakin mandiri dan ketergantungannya terhadap kondisi kimia eksternal mulai berkurang.
Pada fase terakhir, sel memiliki cukup banyak enzim untuk menjalankan jaringan metabolisme secara lebih mandiri. Inilah tahap ketika sistem tersebut semakin mendekati konsep sel bebas atau free-living cell seperti yang dikenal dalam biologi modern.
Yang penting, proses tersebut tidak harus terjadi dalam satu lompatan. Sebaliknya, kehidupan mungkin merupakan hasil dari akumulasi bertahap kemampuan kimia yang pada akhirnya memungkinkan sebuah sel mempertahankan dirinya sendiri.
Peran LUCA
Dalam biologi evolusi, LUCA atau Last Universal Common Ancestor sering digambarkan sebagai leluhur universal terakhir dari seluruh sel modern. Bakteri dan arkea dianggap sebagai dua garis keturunan utama yang kemudian berkembang dari nenek moyang tersebut.
Namun, penelitian ini memberikan gambaran yang lebih kompleks mengenai kondisi LUCA.
Para peneliti memperkirakan bahwa LUCA kemungkinan belum memiliki seluruh perangkat enzimatik yang dibutuhkan untuk menjalankan metabolisme secara mandiri seperti sel modern. Analisis mereka menunjukkan bahwa sejumlah enzim metabolik dapat ditelusuri ke LUCA, sementara enzim lainnya tampaknya muncul kemudian pada garis keturunan yang mengarah ke Bacteria dan Archaea.
Dengan kata lain, LUCA mungkin sudah merupakan sistem biologis yang cukup kompleks, tetapi metabolisme yang dimilikinya belum sepenuhnya “selesai”. Sebagian reaksi mungkin masih bergantung pada katalisis lingkungan berupa mineral dan logam.
Hal ini mengubah cara kita membayangkan LUCA. Alih-alih melihatnya sebagai sel modern yang sangat sederhana, LUCA mungkin merupakan organisme atau sistem seluler awal yang berada pada tahap transisi menuju kemandirian metabolik yang lebih besar.
Dua Jalan Menuju Metabolisme Mandiri
Temuan paling menarik dari penelitian ini adalah bahwa beberapa enzim yang menjalankan reaksi serupa pada bakteri dan arkea ternyata tidak selalu berasal dari satu enzim leluhur yang sama. Sebagian memiliki struktur dan sejarah evolusi yang berbeda, meskipun akhirnya menjalankan fungsi metabolik yang mirip.
Hal ini mengisyaratkan bahwa bakteri dan arkea mungkin menemukan solusi mereka sendiri terhadap persoalan kimia yang sama.
Setelah garis keturunan tersebut berpisah, masing-masing dapat mengembangkan atau mempertahankan kelompok enzim berbeda untuk menyempurnakan jaringan metabolisme. Dengan demikian, bukan berarti bakteri dan arkea mengalami dua peristiwa abiogenesis yang sepenuhnya terpisah. Lebih tepatnya, perakitan akhir sistem metabolisme dapat terjadi secara independen setelah leluhur bersama mereka sudah ada.
Fenomena tersebut memiliki kemiripan dengan evolusi konvergen. Dalam evolusi konvergen, organisme yang tidak memiliki hubungan kekerabatan dekat dapat mengembangkan solusi serupa karena menghadapi persoalan lingkungan atau fungsi yang sama. Contohnya adalah bentuk tubuh hiu dan lumba-lumba yang sama-sama berkembang menjadi ramping untuk bergerak efisien di air.
Dalam kasus ini, konvergensi dapat terjadi pada tingkat molekuler. Bakteri dan arkea menghadapi tantangan yang sama: bagaimana mengendalikan reaksi kimia dan menghasilkan metabolisme yang semakin mandiri. Namun, mereka mungkin tidak selalu menggunakan perangkat molekuler yang identik untuk menyelesaikan masalah tersebut.
Petunjuk dari Fosfit dan Paladium
Penelitian tersebut juga memberikan petunjuk mengenai bagaimana reaksi metabolik awal dapat berlangsung sebelum sistem ATP dan enzim modern tersedia.
ATP merupakan salah satu molekul pembawa energi utama pada hampir semua sel modern. Namun, pembentukan dan penggunaannya sendiri bergantung pada sistem enzimatik yang kompleks. Karena itu, ATP tidak dapat begitu saja diasumsikan sudah tersedia dalam bentuk seperti sekarang pada tahap paling awal kehidupan.
Para peneliti melakukan eksperimen yang menunjukkan bahwa fosfit, bentuk fosfor yang dapat terbentuk dalam kondisi geokimia tertentu, dapat mengalami reaksi dengan senyawa organik dalam air ketika dibantu katalis paladium.
Reaksi tersebut menghasilkan proses fosforilasi, yaitu penambahan gugus fosfat pada molekul organik. Fosforilasi merupakan bagian penting dari banyak proses metabolik modern.
Hasil tersebut tidak berarti bahwa para peneliti telah menciptakan kehidupan di laboratorium. Namun, eksperimen itu menunjukkan bahwa lingkungan geokimia mungkin mampu menyediakan sebagian fungsi kimia yang pada sel modern dilakukan oleh sistem fosforilasi dan enzim.
Dengan kata lain, metabolisme pertama mungkin tidak memerlukan sistem biologis lengkap sejak awal. Mineral dan logam lingkungan dapat terlebih dahulu menjalankan sebagian reaksi yang kemudian secara bertahap diambil alih dan disempurnakan oleh molekul biologis.
Mengubah Pohon Kehidupan
Jika didukung oleh penelitian lanjutan, temuan ini dapat mengubah cara kita menggambarkan tahap paling awal pohon kehidupan.
Gambaran sederhana biasanya menempatkan LUCA sebagai batang tunggal yang kemudian bercabang menjadi Bacteria dan Archaea. Namun, model yang diusulkan dalam penelitian ini memberikan gambaran yang lebih bertahap.
Pada bagian paling awal, terdapat jaringan kimia yang bergantung pada lingkungan. Dari jaringan tersebut muncul sistem metabolik yang semakin kompleks, kemudian terbentuk kehidupan seluler yang memiliki leluhur bersama. Setelah itu, garis keturunan yang mengarah ke Bacteria dan Archaea mengalami perkembangan metabolik lebih lanjut dengan cara yang tidak sepenuhnya sama.
Dengan demikian, percabangan evolusi mungkin tidak hanya berarti perubahan bentuk tubuh atau gen. Bahkan mesin kimia dasar yang membuat sebuah sel mampu hidup secara mandiri dapat mengalami evolusi dan perakitan ulang setelah garis keturunan mulai berpisah.
Namun, penting untuk menekankan bahwa penelitian ini masih merupakan hipotesis ilmiah yang membutuhkan pengujian lebih lanjut. Rekonstruksi asal-usul kehidupan sangat bergantung pada data genom organisme modern, model evolusi, struktur protein, serta eksperimen kimia yang mencoba meniru kondisi Bumi purba.
Jarak waktu lebih dari 4 miliar tahun juga membuat bukti langsung hampir mustahil ditemukan. Karena itu, para ilmuwan harus menggabungkan berbagai jenis bukti yang masih tersisa pada organisme modern dan mencocokkannya dengan eksperimen laboratorium.
Kesimpulan
Studi ini menghadirkan pandangan baru yang menarik tentang asal-usul kehidupan. Penelitian tersebut tidak membuktikan bahwa kehidupan muncul dua kali melalui dua peristiwa abiogenesis yang terpisah. Sebaliknya, temuan ini mengusulkan bahwa metabolisme yang memungkinkan kehidupan menjadi semakin mandiri mungkin dirakit secara independen pada garis keturunan menuju Bacteria dan Archaea.
Gagasan tersebut membuat asal-usul kehidupan terlihat bukan sebagai satu lompatan tiba-tiba dari benda mati menjadi sel, melainkan sebagai proses panjang dengan banyak tahap antara.
Mineral dan logam lingkungan mungkin terlebih dahulu menjalankan reaksi kimia. Molekul organik kemudian mulai membentuk jaringan reaksi yang semakin kompleks. Katalis biologis mengambil alih sebagian fungsi tersebut, sementara sistem seluler secara bertahap menjadi semakin mandiri.
Jika skenario ini benar, maka sejarah awal kehidupan bukanlah sebuah jalan lurus dari kimia menuju organisme modern. Ia mungkin merupakan perjalanan panjang ketika kimia secara perlahan memperoleh kemampuan yang semakin menyerupai kehidupan, kemudian diwariskan kepada leluhur bersama dan disempurnakan melalui jalur evolusi yang berbeda.
Pada akhirnya, pertanyaan terbesar tentang asal-usul kehidupan mungkin bukan hanya “Kapan kehidupan muncul?”, tetapi juga pertanyaan yang jauh lebih sulit:
Kapan kimia berhenti menjadi sekadar kimia dan mulai berperilaku seperti kehidupan?
Martin, W., Mrnjavac, N., Schlikker, M., et al. (2026). “Intermediate stages in the origin of metabolism at a phosphorylating hydrothermal vent.” Science Advances.
