Ilmuwan Universitas Alaska Fairbanks telah mengidentifikasi apa yang mereka pikirkan adalah sifat leluhur yang memungkinkan evolusi pernapasan udara pada vertebrata.
"Untuk menghirup udara dengan paru-paru yang Anda butuhkan lebih dari paru-paru, Anda memerlukan sirkuit saraf yang peka terhadap karbon dioksida," kata Michael Harris, ahli saraf UAF dan peneliti utama pada proyek yang menyelidiki mekanisme yang menghasilkan dan mengendalikan pernapasan.
LIHAT LEBIH BESAR | Kredit: M Hoffman, BE Taylor, MB Harris / Universitas Fairbanks Alaska, Institut Biologi Arktik, Departemen Biologi & Margasatwa.
"Ini adalah sirkuit saraf yang memungkinkan organisme yang bernapas melalui udara mengambil oksigen, yang sel-sel perlu mengubah makanan menjadi energi, dan mengeluarkan limbah karbon dioksida yang dihasilkan dari proses itu," katanya. "Saya tertarik dari mana sirkuit saraf sensitif karbon-dioksida, yang disebut generator irama, berasal."
Harris dan rekannya berpendapat bahwa pernapasan udara kemungkinan berevolusi pada vertebrata leluhur yang tidak memiliki paru-paru, tetapi memang memiliki generator ritme.
"Kami mencoba menemukan contoh hidup leluhur primitif yang tidak bernafas di udara, seperti lamprey, dan kemudian mencari bukti generator irama yang melakukan sesuatu selain pernapasan udara," kata Harris.
Lamprey adalah ikan purba yang memiliki karakteristik mirip dengan vertebrata pertama. Mereka tidak memiliki paru-paru dan tidak menghirup udara. Sebagai larva, mereka hidup dalam tabung yang digali menjadi lumpur lunak dan bernafas dan memberi makan dengan memompa air melalui tubuh mereka. Ketika lumpur atau puing menyumbat tabung lamprey, mereka menggunakan perilaku seperti batuk untuk mengeluarkan air dan membersihkan tabung. Generator ritme di otak mereka mengendalikan perilaku itu.
Klip video di bawah ini direkam di laboratorium Harris menunjukkan perbedaan antara ventilasi insang dan 'batuk' dalam larva lamprey. 'Batuk' muncul sekitar tanda 9 detik.
"Kami pikir lamprey 'batuk' sangat mirip dengan pernapasan udara pada amfibi," kata Harris. "Ketika kami mengeluarkan otak dari lamprey dan mengukur aktivitas saraf yang biasanya dikaitkan dengan pernapasan, kami menemukan pola yang menyerupai pernapasan dan menemukan bahwa generator ritme sensitif terhadap karbon dioksida."
Pernapasan udara berevolusi pada ikan dan memungkinkan pergerakan vertebrata mendarat dan evolusi reptil, burung, dan mamalia. Tanpa generator ritme karbon-dioksida-sensitif, struktur yang akan menjadi paru-paru mungkin tidak berfungsi sebagai paru-paru.
"Evolusi pernapasan paru-paru mungkin merupakan pengobatan batuk sensitif karbon dioksida yang sudah ada di vertebrata tanpa paru-paru, seperti lamprey," kata Harris.
Lembaga Biologi Arktik, University of Alaska Fairbanks