Sebagian besar dari kita akan mengenali otak manusia, tetapi bagaimana dengan otak katak atau ikan? Mengingat keanekaragaman kehidupan di Bumi yang sangat beragam, ada beberapa otak yang aneh dan menakjubkan di luar sana.
Meskipun demikian, rencana dasar sebagian besar otak vertebrata (hewan bertulang belakang) serupa, terdiri dari tiga wilayah utama: otak depan, tengah, dan belakang. Tetapi variasi dalam ukuran dan bentuk antara daerah-daerah ini (dan daerah lainnya) adalah hal yang membuat untuk mempelajari vertebrata menjadi sangat menarik.
Penelitian yang diterbitkan hari ini oleh kolega saya dan saya di Frontiers in Ecology and Evolution menunjukkan beberapa nenek moyang paling awal kita – yang kemungkinan masih belajar berjalan di daratan – memiliki otak yang hanya mengisi sekitar setengah bagian di tengkorak mereka.
Rintangan mempelajari otak kuno
Menumbuhkan dan memelihara jaringan otak sangat membutuhkan banyak energi bagi hewan. Ada anggapan bahwa ukuran relatif dari berbagai wilayah otak, diatur oleh sebuah konsep yang dikenal sebagai “prinsip massa yang tepat”.
Ini menyatakan bahwa semakin penting suatu indra atau wilayah otak bagi hewan, semakin besar kemungkinan wilayah itu akan membesar dibandingkan dengan yang lainnya. Lagi pula, tidak ada gunanya menghabiskan banyak energi untuk mengembangkan pusat pemrosesan visual jika Anda adalah hewan buta yang tinggal di dalam gua.
Sementara mempelajari otak makhluk hidup itu mudah, ini jauh lebih rumit untuk hewan-hewan yang telah punah. Ketika suatu organisme membatu, jaringan lunaknya (termasuk otot dan otak) cenderung membusuk dengan cepat, hanya menyisakan bagian kerangkanya yang keras untuk dipertahankan.
Ini menandakan bahwa para ahli harus mempelajari bagian dalam tengkorak (atau “tempurung otak“) dan ruang kosong di dalamnya, yang disebut “endocast“. Paleoneurologi adalah studi tentang endocast dan fosil otak. Bidang ini diawali sekitar satu abad yang lalu oleh seorang ahli paleontologi Tilly Edinger .
Pada masa awal paleoneurologi, para ilmuwan harus mengandalkan penemuannya yang dianggap beruntung dari tengkorak retak yang terbelah dua untuk mengungkap bagian dalamnya, atau mereka harus menghancurkan spesimennya untuk mendapatkan endocast. Saat ini, para peneliti dapat menggunakan metode pemindaian canggih untuk membuat endocast secara digital, tanpa harus merusak spesimennya.
Transisi tetrapoda yang luar biasa
Saat ini, separuh dari semua kehidupan vertebrata dapat diklasifikasikan sebagai tetrapoda – hewan bertulang belakang dengan empat tungkai yang memiliki jari (jari tangan dan kaki). Ini termasuk manusia, katak, buaya, burung beo dan kanguru, di antara banyak lainnya.
Hewan-hewan yang bertanggung jawab untuk menghasilkan kawanan besar ini dikenal sebagai “tetrapoda batang”. Hewan pemberani ini pertama kali keluar dari air dan menuju daratan lebih dari 360 juta tahun yang lalu.
Agar ikan dapat bertransisi menjadi tetrapoda penghuni daratan, diperlukan banyak perubahan pada tubuh dan otak mereka. Sirip memberikan peluang untuk anggota tubuh, dan insang memberikan jalan menjadi paru-paru yang bisa menghirup udara. Terlebih lagi, alam terestrial akan menghadirkan lingkungan yang sama sekali baru untuk dinavigasi secara sensorik.
Bagaimana otak tetrapoda batang berubah sebagai respons terhadap perubahan ekologi besar ini?
Kami memiliki beberapa petunjuk yang diperoleh dari berbagai bagian kerangka, seperti rongga mata yang membesar yang bertepatan dengan transisi dari ikan menjadi tetrapoda di daratan. Sebuah penelitian menunjukkan bahwa perubahan posisi dan ukuran mata akan menyebabkan peningkatan ketajaman visual jutaan kali lipat pada tetrapoda awal, dibandingkan dengan kerabat ikan lainnya.
Jika demikian, kita mengharapkan perubahan seperti itu tercermin di daerah pemrosesan visual di otak. Tapi bagaimana kita bisa mengujinya?
Menafsirkan endocast kuno
Salah satu hal tersulit dalam menafsirkan endocast adalah tidak semua otak berisi ruang endocast sepenuhnya. Meskipun sebagian besar burung dan mamalia memiliki otak yang sangat mirip dengan bentuk endocast, hewan lain seperti ikan, amfibi, dan reptil biasanya tidak.
Faktanya, ikan coelacanth yang terkenal, memiliki otak yang sangat kecil yang hanya membutuhkan 1% dari endocastnya.
Saya telah mempelajari hubungan spasial antara otak dan endocast pada hewan yang termasuk dalam kategori yang disebut stem tetrapoda “braket filogenetik yang masih ada”. Ini adalah kerabat terdekat tetrapoda batang yang punah di pohon evolusi.
Kategori ini termasuk ikan coelacanth, lungfish dan amfibi seperti katak, salamander, dan sesilia.
Dengan menggunakan metode pemindaian yang disebut diceCT, kami memindai kepala hewan-hewan ini dan mengukur otak di dalamnya untuk membandingkan ukuran dan bentuk otak terhadap endocast-nya.
Serangkaian makalah yang diterbitkan oleh saya dan kolega saya telah menunjukkan bahwa lungfish, tidak seperti coelacanth, memiliki otak yang mengisi sebagian besar endocast mereka (mulai dari sekitar 40% dan mungkin hingga 80%).
Pada amfibi, otak salamander tampak sangat mirip dengan otak lungfish dan mengisi endocast-nya dengan cara yang sama.
Namun, dalam makalah terbaru kami, kami menyelidiki katak dan sesilia dan menemukan bahwa mereka memiliki otak yang umumnya terpasang lebih rapat di dalam endocast mereka.
Merekonstruksi otak lama
Pengetahuan ini membantu kami memperkirakan dengan lebih akurat kemungkinan ukuran otak dari tetrapoda batang yang telah punah. Selain itu, mempertimbangkan ekologi dan habitat kerabat yang masih hidup, membantu kami lebih mempersempit nilai-nilai ini.
Misalnya, katak dan sesilia adalah amfibi yang sangat terspesialisasi dan oleh karena itu tidak mungkin secara akurat mewakili biologi tetrapoda pertama. Demikian pula, coelacanth adalah ikan laut dalam, sedangkan tetrapoda paling awal hidup di lingkungan dangkal dan marginal.
Ini meninggalkan kita dengan salamander dan lungfish sebagai contoh hidup terbaik tentang bagaimana biologi saraf tetrapoda pertama mungkin terlihat. Dengan pemikiran ini, kita dapat berasumsi bahwa otak nenek moyang awal kita yang mengambil langkah pertama menuju daratan mengisi sekitar 40-50% endocast mereka – di mana sisanya, kemungkinan dipenuhi oleh jaringan lemak atau cairan.
Menggabungkan ini dengan fosil luar biasa 3D yang terawetkan, kita dapat mulai merekonstruksi otak hewan ini dari jutaan tahun yang lalu.
Selain itu, memahami bagaimana otak mereka berubah selama fase penting dari air ke darat akan membantu kita memahami langkah besar dalam sejarah evolusi saraf kita sendiri.
Research Associate in the College of Science and Engineering, Flinders University
