Lin Da
Ada banyak pola-pola indah di alam, seperti bintik-bintik macan tutul, garis-garis zebra, serta bentuk enam sisi dan pola ikan kudu-kudu, dan masih banyak lagi. Namun penjelasan lengkap tentang bagaimana pola-pola ini terbentuk masih belum ada. Sebuah studi baru menemukan bahwa proses fisik yang disebut elektroforesis difusi berperan.
Para peneliti di Universitas Colorado Boulder telah menemukan bahwa menghilangkan kotoran dari pakaian adalah proses fisik yang sama yang membuat ikan tropis memiliki garis-garis berwarna. Hasil penelitian tersebut dipublikasikan di jurnal Science Advances pada 8 November.
“Banyak masalah biologis yang pada dasarnya bermula dari masalah yang sama: Ketika semuanya dimulai dengan gumpalan sel berbentuk bola,” kata penulis utama studi, Benjamin Alessio, seorang peneliti di Departemen Teknik Kimia dan Biologi Universitas Colorado Boulder.
“Bagaimana organisme mengembang- kan pola dan bentuk yang kompleks, pekerjaan kami menggunakan mekanisme fisik dan kimia sederhana untuk menjelaskan fenomena biologis yang kompleks.”
Ahli biologi percaya bahwa banyak hewan menggunakan pola bulu untuk menyamarkan diri atau menarik pasangan. Misalnya, meskipun kode genetik berisi informasi seperti warna bintik pada bulu macan tutul, genetika saja tidak dapat menjelaskan bagaimana tepatnya bintik tersebut terbentuk.
Mekanisme Turing
Pada 1952, sebelum para ahli biologi menemukan struktur heliks ganda pada DNA, ahli matematika Alan Turing, pendiri ilmu komputasi modern, mengajukan teori yang berani tentang bagaimana hewan memperoleh berbagai polanya.
Turing mendalilkan bahwa seiring berkembangnya jaringan biologis, berbagai bahan kimia diproduksi.
Zat-zat ini berdifusi melalui jaringan biologis dalam proses yang mirip dengan apa yang terjadi ketika susu ditambahkan ke kopi. Beberapa zat ini bereaksi satu sama lain membentuk bintik. Yang lain menghambat difusi dan reaksi bahan kimia pembentuk noda yang disebutkan di atas, sehingga menciptakan celah antar- noda. Teori Turing menunjukkan bahwa model “reaksi- difusi” sederhana ini cukup untuk menjelaskan proses dasar pembentukan pola biologis tanpa memerlukan proses genetik yang rumit.
“Mekanisme turing tentu dapat menghasilkan pola, namun difusi tidak menghasilkan pola yang jelas,” kata Ankur Gupta, asisten profesor di Departemen Teknik Kimia dan Biologi serta penulis studi baru tersebut. Misalnya, ketika susu berdifusi ke dalam kopi, susu mengalir ke segala arah dalam garis yang tidak jelas.
Ketika Alessio mengunjungi Akuarium Birch di San Diego, dia terkesan dengan pola rumit pada ikan kudu-kudu dengan batas yang sangat jelas dan jelas. Polanya terdiri dari titik ungu yang dikelilingi oleh garis kuning heksagonal yang berbeda. Dia percaya bahwa teori Turing saja tidak dapat menjelaskan pola segi enam ini dengan jelas. Namun pola tersebut mengingatkannya pada simulasi komputer yang dijalankannya, di mana partikel-partikel membentuk garis-garis yang sama jelasnya. Alessio, anggota kelompok penelitian Gupta, bertanya-tanya apakah proses yang disebut Difusioforesis berperan dalam pembentukan pola alam.
Apa yang disebut elektroforesis difusi terjadi ketika molekul bergerak melalui cairan karena perbedaan konsentrasi, sehingga mempercepat pergerakan jenis molekul lain di lingkungan yang sama. Meskipun ini mungkin tampak seperti konsep yang tidak jelas bagi kebanyakan orang, ini sebenarnya adalah cara mendapatkan cucian yang bersih.
Sebuah penelitian terbaru menunjukkan bahwa membilas pakaian yang terkena sabun dengan air bersih menghilangkan kotoran lebih cepat dibandingkan membilas pakaian yang terkena sabun dengan air sabun. Hal ini karena ketika sabun berdifusi dari kain ke dalam air dengan konsentrasi sabun yang lebih rendah, pergerakan molekul sabun akan mengeluarkan kotoran. Sebaliknya, ketika pakaian dibilas dengan air sabun, tidak ada perbedaan konsentrasi sabun sehingga menyebabkan kotoran tetap menempel di tempatnya.
Simulasi Komputer
Untuk menentukan apakah proses ini mungkin berperan dalam menghasilkan pola pada tubuh hewan, kedua ilmuwan tersebut menyimulasikan pola heksagonal ungu dan hitam pada kulit ikan kudu-kudu yang diberi hiasan hanya dengan menggunakan persamaan Turing. Komputer menghasilkan gambar dengan titik- titik ungu kabur dan garis hitam samar. Tim peneliti kemudian memodifikasi persamaan Turing untuk memasukkan elektroforesis difusi. Ternyata lebih mirip dengan pola heksagonal dua warna yang cerah dan tajam pada ikan.
Teori tim peneliti menunjukkan bahwa ketika bahan kimia berdifusi melalui jaringan biologis, seperti yang dijelaskan Turing, mereka juga menyeret sel-sel penghasil pigmen melalui mekanisme elektroforesis difusi, seperti sabun yang membawa kotoran keluar dari pakaian. Sel-sel pigmen ini pada gilirannya membentuk bintik-bintik dan garis-garis yang lebih jelas.
Beberapa dekade setelah Turing mengemukakan teorinya, para ilmuwan telah memanfaatkan mekanisme tersebut untuk menjelaskan banyak pola lain dalam biologi, seperti susunan folikel rambut pada tikus dan tonjolan di langit-langit mulut mamalia.
Gupta berharap, semakin banyak penelitian yang dilakukan timnya akan semakin meningkatkan pemahaman tentang pembentukan pola dan menginspirasi para ilmuwan untuk mengembangkan bahan baru dan bahkan obat baru.
Temuan ini menyoroti bahwa peran elektroforesis difusi dalam bidang pembentukan pola mungkin diremehkan. Penelitian ini tidak hanya memiliki potensi untuk diterapkan dalam ilmu teknik dan material, namun juga memberikan peluang untuk mempelajari peran elektroforesis difusi dalam proses biologis seperti embriogenesis dan pembentukan tumor. Berbagai peluang masih terbuka lebar,” kata Gupta. (osc)
