Para ahli biologi evolusi melaporkan bahwa mereka telah menggabungkan pemindaian PET pada merpati modern dan penelitian terhadap fosil dinosaurus untuk membantu menjawab pertanyaan abadi dalam biologi: Bagaimana otak burung berevolusi sehingga memungkinkan mereka terbang?
Seekor burung – foto ilustrasi. Kredit gambar: Pixabay (Lisensi Pixabay gratis)
Jawabannya tampaknya adalah peningkatan adaptif dalam ukuran otak kecil pada beberapa fosil vertebrata. Otak kecil adalah wilayah di belakang otak burung yang bertanggung jawab untuk pergerakan dan kontrol motorik.
Temuan penelitian dipublikasikan di jurnal Prosiding Royal Society B.
“Kami menemukan bahwa ketika burung bertransisi dari istirahat ke terbang, sirkuit di otak kecil diaktifkan lebih banyak dibandingkan di bagian otak lainnya,” kata rekan penulis studi tersebut. Paul Gignac, seorang profesor di Universitas Arizona Sekolah Tinggi Kedokteran - Tucson, mempelajari neuroanatomi dan evolusi. Ia juga merupakan rekan peneliti di American Museum of Natural History.
“Kami kemudian melihat tengkorak yang sesuai dengan wilayah ini pada fosil dinosaurus dan burung untuk melacak kapan otak kecil membesar,” kata Gignac. “Denyut pembesaran pertama terjadi sebelum dinosaurus mulai bersayap, yang menunjukkan bahwa penerbangan burung menggunakan relai saraf kuno dan terpelihara dengan baik, namun dengan tingkat aktivitas yang meningkat secara unik.”
Para ilmuwan telah lama berpikir bahwa otak kecil berperan penting dalam penerbangan burung, namun mereka tidak memiliki bukti langsung. Untuk menentukan nilainya, penelitian baru ini menggabungkan data pencitraan PET modern dari merpati biasa dengan catatan fosil, memeriksa bagian otak burung selama penerbangan dan tempurung otak dinosaurus purba. Pemindaian PET menunjukkan cara kerja organ dan jaringan.
“Penerbangan bertenaga listrik di antara vertebrata adalah peristiwa langka dalam sejarah evolusi,” kata penulis utama Amy Balanoff, dari Fakultas Kedokteran Universitas Johns Hopkins.
Faktanya, hanya tiga kelompok vertebrata, atau hewan dengan tulang punggung, yang berevolusi untuk terbang: pterosaurus yang telah punah – teror di langit selama periode Mesozoikum, yang berakhir lebih dari 65 juta tahun yang lalu – kelelawar dan burung, kata Balanoff. Ketiga kelompok terbang tersebut tidak berkerabat dekat dalam pohon evolusi, dan faktor kunci yang memungkinkan ketiga kelompok terbang tersebut masih belum jelas.
Selain adaptasi fisik luar untuk terbang, seperti anggota tubuh bagian atas yang panjang, jenis bulu tertentu, tubuh ramping dan fitur lainnya, tim merancang penelitian untuk menemukan fitur yang menciptakan otak siap terbang.
Untuk melakukan hal ini, tim melibatkan insinyur biomedis di Stony Brook University di New York untuk membandingkan aktivitas otak merpati modern sebelum dan sesudah penerbangan.
Para peneliti melakukan pemindaian PET untuk membandingkan aktivitas di 26 wilayah otak saat burung beristirahat dan segera setelah terbang selama 10 menit dari satu tempat bertengger ke tempat lainnya. Mereka memindai delapan burung pada hari yang berbeda. Pemindaian PET menggunakan senyawa yang mirip dengan glukosa yang dapat dilacak ke tempat yang paling banyak diserap oleh sel-sel otak, yang menunjukkan peningkatan penggunaan energi dan aktivitas. Pelacaknya rusak dan dikeluarkan dari tubuh dalam satu atau dua hari.
Dari 26 wilayah, satu wilayah – otak kecil – mengalami peningkatan tingkat aktivitas yang signifikan secara statistik antara istirahat dan terbang pada kedelapan burung. Secara keseluruhan, tingkat peningkatan aktivitas di otak kecil berbeda secara signifikan dibandingkan dengan area otak lainnya.
Para peneliti juga mendeteksi peningkatan aktivitas otak di jalur aliran optik, jaringan sel otak yang menghubungkan retina mata ke otak kecil. Jalur ini memproses pergerakan melintasi bidang visual.
Balanoff mengatakan temuan tim mengenai peningkatan aktivitas di otak kecil dan jalur aliran optik tidak terlalu mengejutkan, karena area tersebut dihipotesiskan berperan dalam penerbangan.
Hal baru dalam penelitian mereka adalah menghubungkan temuan otak kecil dari otak burung modern yang mampu terbang dengan catatan fosil yang menunjukkan bagaimana otak dinosaurus mirip burung mulai mengembangkan kondisi otak untuk terbang bertenaga.
Untuk melakukannya, tim menggunakan database digital endocast, atau cetakan ruang internal tengkorak dinosaurus, yang bila diisi akan menyerupai otak.
Mereka kemudian mengidentifikasi dan menelusuri peningkatan volume otak kecil yang cukup besar pada beberapa spesies dinosaurus maniraptoran paling awal, yang mendahului kemunculan pertama penerbangan bertenaga di antara kerabat burung purba, termasuk Archaeopteryx, dinosaurus bersayap.
Para peneliti yang dipimpin oleh Balanoff juga menemukan bukti dalam endocast peningkatan lipatan jaringan di otak kecil maniraptoran awal, sebuah indikasi peningkatan kompleksitas otak.
Para peneliti memperingatkan bahwa ini adalah temuan awal, dan perubahan aktivitas otak selama penerbangan bertenaga juga dapat terjadi selama perilaku lain, seperti meluncur. Mereka juga mencatat bahwa tes mereka melibatkan penerbangan langsung, tanpa hambatan dan dengan jalur penerbangan yang mudah, dan wilayah otak lainnya mungkin lebih aktif selama manuver penerbangan yang rumit.
Tim peneliti selanjutnya berencana untuk menentukan area yang tepat di otak kecil yang memungkinkan otak siap terbang dan koneksi saraf antara struktur-struktur ini.
Teori-teori ilmiah mengapa otak menjadi lebih besar sepanjang sejarah evolusi mencakup kebutuhan untuk melintasi lanskap baru dan berbeda, menyiapkan landasan untuk penerbangan dan gaya lokomotif lainnya, kata rekan penulis Gabriel Bever dari Johns Hopkins University School of Medicine.
Penulis penelitian lainnya termasuk Elizabeth Ferrer dari American Museum of Natural History dan Samuel Merritt University; Lemise Saleh dan Paul Vaska dari Universitas Stony Brook; M. Eugenia Gold dari Museum Sejarah Alam Amerika dan Universitas Suffolk; Yesuss Marugán-Lobón dari Universitas Otonomi Madrid; Mark Norell dari Museum Sejarah Alam Amerika; David Ouellette dari Universitas Kedokteran Weill Cornell; Michael Salerno dari Universitas Pennsylvania; Akinobu Watanabe dari Museum Sejarah Alam Amerika, Sekolah Tinggi Kedokteran Osteopati Institut Teknologi New York dan Museum Sejarah Alam London; dan Shouyi Wei dari Pusat Proton New York.
Penelitian ini didanai oleh National Science Foundation.
Sumber: University of Arizona
