Diposting Minggu, 13 Maret 2011 jam 5:28 pm oleh Evy Siscawati

Evolusi Otak

Suka dengan artikel ini?

Jelajahi artikel-artikel FaktaIlmiah yang berdasarkan apa yang dibaca dan ditonton teman-teman.
Terbitkan aktivitas Anda sendiri dan dapatkan kendali penuh.
Login

Minggu, 13 Maret 2011 -


Hanya ada satu hewan yang anatomi otaknya diketahui secara detil untuk menentukan fungsi eksaknya, dan hewan ini adalah nematoda Caenorhabditis elegans. Kita dapat mengikuti pertumbuhannya sel demi sel dan telah memetakan setiap sel syaraf dalam sistem syarafnya, termasuk otak. Bakat linguistik nematoda ini sayangnya terlalu kecil sehingga tidak dapat dibandingkan dengan otak manusia.

Studi fungsi otak memang telah maju dengan cepat dalam dekade terakhir, karena kemajuan teknologi baru yang non invasif seperti PET, MEG, ERP dan MRI, memungkinkan pencitraan fungsi otak. Tinjauan dan sintesis apa yang sekarang diketahui mengenai evolusi otak kita dapat ditemukan dalam buku Evolving Brains, karya Allman.

Evolusi otak bermula sangat awal dalam sejarah kita, di masa Prakambria. Leluhur bersama semua hewan bilateria (hewan yang simetris kiri-kanan) lebih mungkin memiliki sesuatu yang dapat kita sebut otak, walaupun otak sejati, yang jelas homolog dengan otak kita, merupakan ciri khas vertebrata.

Pohon evolusi bilateria

Salah satu dari beberapa trend konsisten dalam evolusi adalah kemajuan menuju otak yang lebih besar dan lebih rumit, trend yang dapat dihubungkan dengan argumen Ng (1996) bahwa peningkatan kompleksitas di alam membantu evolusi apa yang disebut Ng (1996) sebagai “spesies rasional” dengan otak lebih besar namun keberadaan spesies rasional meningkatkan kompleksitas lingkungan lebih tinggi lagi bagi organisme lainnya, menciptakan loop umpan balik kompleksitas dan otak.

Bahkan demikian, tren menuju otak yang lebih besar ini hanya jelas dalam evolusi vertebrata. Ikan memiliki otak yang relatif kecil dan sederhana, namun modifikasi berarti terjadi dalam tiap langkah evolusi utama, mulai saat ikan pertama kali mendapatkan kaki dan pergi ke pantai. Pertumbuhan otak evolusioner terjadi baik lewat pembesaran struktur yang telah ada dan lewat penambahan struktur baru di atas struktur lama. Orang kadang merujuk pada  bagian reptil otak kita. Ekspresi ini cukup benar karena bagian dari otak kita memang berkaitan dengan struktur yang umum kita lihat pada reptil. Di atas struktur reptil, mamalia dan burung secara mandiri mengevolusikan lapisan tambahan dengan kapasitas pemprosesan yang cukup besar. Otak burung pada dasarnya perluasan otak reptil, secara anatomis cukup berbeda dari otak mamalia, namun secara fungsional dapat dibandingkan, setidaknya sampai satu titik. Gambar di bawah menunjukkan hubungan antara ukuran otak dan ukuran tubuh berbagai kelas vertebrata. Perbedaan antara ikan dan reptil di satu sisi, dan burung dan mamalia di sisi lain, terlihat. Primata menumpuk sepanjang pinggir atas distribusi mamalia, dengan human bersama dengan lumba-lumba menjadi pencilan daripada yang lain.

Gambar 1: Ukuran otak di plot melawan ukuran tubuh dari sekitar 200 spesies vertebrata, dengan simbol berbeda untuk kelas berbeda, sebagaimana ditunjukkan di atas. Empat titik penghubung di tengah bagian atas gambar menggariskan sejum;ah variasi dalam ukuran otak dan tubuh pada manusia modern.

Lapisan puncak mamalia disebut neokorteks. Ia berevolusi selama transisi reptil – mamalia sekitar 200 juta tahun lalu, sejajar dengan perubahan telinga. Ia bukan hanya lapisan tambahan jaringan otak, namun menambahkan prinsip organisasi baru, membuka jalan menuju peningkatan kompleksitas dan kekuatan prosesing. Detail asal usulnya belum cukup jelas, dengan setidaknya dua hipotesis bersaing, namun studi embriologi dengan teknik molekuler sedang dikembangkan untuk menjawabnya.

Struktur otak dasar dari semua mamalia adalah sama, dengan perbedaan umumnya hanya bersifat kuantitatif. Gambar di bawah menunjukkan beberapa contoh otak mamalia. Otak manusia tidak berbeda jauh dari yang lain, terpisah dari ukuran yang jauh lebih besar dari pada otak mamalia normal berbanding ukuran tubuh, namun seperti terlihat dalam gambar tersebut, otak lumba-lumba juga sebanding dengan kita dalam ukuran tubuh yang sama. Sebagian besar perbedaan ukuran otak antara berbagai mamalia dapat disebabkan oleh alometri ukuran tubuh (korelasi antara ukuran berbagai bagian tubuh, atau antara sebagian dengan keseluruhan). Namun tidak semua perbedaannya: primata secara umum, dan manusia khususnya, memiliki otak jauh lebih besar daripada yang dapat diramalkan oleh alometri.

Gambar 2 : Otak lumba-lumba, manusia, kera, monyet dan tikus, semua dalam skala yang sama

Perbedaan ukuran tidak tersebar seragam di sepanjang otak. Neokorteks dan khususnya lobus prefrontal dipandang sejak lama sebagai spesialisasi manusia, bahkan lebih besar daripada yang dapat diramalkan sebagai pembesaran umum, dan menyusun sebagian besar otak manusia daripada primata lainnya. Studi terbaru pada otak kera justru gagal membuktikan hal ini dan menunjukkan kalau semua bagian otak manusia membesar serentak. Di sisi lain, baik Barton dan Harvey (2000) dan Clark et al (2001) menemukan pembesaran neokorteks saat membandingkan primata dengan insektivora.

Secara embriologis, penambahan jaringan otak pada manusia ini sangat dikendalikan oleh pola dan waktu pertumbuhan otak janin versus pertumbuhan tubuh, dengan pola ekspresi gen-gen homeobox berperan utama. Pada mamalia secara umum, otak tumbuh dengan cepat saat perkembangan janin awal, dan melambat kemudian. Pada manusia (dan beberapa primata lainnya) fase pertumbuhan cepat ini diperpanjang, menjadi ke awal anak-anak pada kasus manusia, membawa pada rasio ukuran otak berbanding tubuh yang besar, pola pertumbuhan yang kadang diistilahkan sebagai neoteni. Bila masalah langsung perpanjangan pertumbuhan, hasil yang diduga akan memang langsung berupa peningkatan alometris semua bagian, seperti di amati oleh Semendeferi dan Damasio (2000) dan lainnya. Logika perkembangan ini didukung oleh perbandingan alometrik dan embriologis yang dilaporkan oleh Finlay et al (2001)

Di atas perbedaan ukuran, juga telah ditemukan baru saja bahwa manusia dan kera memiliki tipe khusus sel syaraf, yang tidak ada pada mamalia lainnya. Sel syaraf proyeksi berbentuk jarum ini berada di korteks singulat anterior. Pada manusia, sel-sel ini sangat rentan pada Alzheimer dan penyakit degeneratif lainnya, petunjuk pada peran fungsi kognitif tingkat tinggi yang tersulit dihadapi oleh penyakit-penyakit ini.

Otak penderita Alzheimer

Alasan mengapa ukuran otak relatif besar berevolusi pada primata tidak sepenuhnya jelas. Otak yang lebih besar diduga mencerminkan kognitif yang lebih baik, yang dalam sebagian besar konteks akan menguntungkan, namun manfaat ini paling tidak menyebabkan otak menjadi organ paling mahal secara metabolis untuk dipelihara.

Korelasi antara ukuran otak dan kognisi (atau kecerdasan) tidak cukup jelas pada Homo sapiens; namun jelas saat membandingkan berbagai spesies. Sebagian ukuran kerumitan otak dapat relevan disini, namun ukuran demikian yang ada jauh dari berguna secara operasional dalam konteks yang ada.

Hipotesis mengenai evolusi otak perlu menjelaskan mengapa primata menumbuhkan otak yang besar dan mengapa sebagian besar mamalia tidak. Ada tiga tipe hipotesis yang telah diajukan :

Hipotesis pembatasan energi

Otak tumbuh sehingga ia menghabiskan semua surplus energinya. Primata pemakan buah diduga memiliki lebih banyak energi berlebih ketimbang misalnya ruminantia pemakan rumput. Varian dari hipotesis ini adalah hipotesis energi ibu (maternal energy hypothesis) dimana pasokan energi dari ibu pada janin yang tumbuh menjadi faktor pembatas.

Mother power, yeaaa

Hipotesis pengendalian oleh lingkungan

Hipotesis pengendalian oleh pola makan. Pemakan buah memerlukan kekuatan otak yang lebih besar untuk melacak dimanadan kapan buah yang matang tersedia, dan memilih buah lebih rumit daripada merumput atau mencari dedaunan. Walau begitu, tidak jelas kalau buah sulit dilacak dan ditangkap dibandingkan mangsa seperti karnivora. Karnivora memang memiliki otak yang lebih besar, lebih dari sebagian besar herbivora, namun tidak sebesar primata. Lebih jauh, sebagian besar primata bukanlah frugivora: kelompok ini termasuklah gorila, pemakan daun namun masih sangat cerdas.

Hipotesis pengendalian oleh navigasi. Hal ini terkait dengan kebutuhan kognitif pemakan buah di atas, namun berfokus pada salah satu versi yang khusus pada kebutuhan kognisi keruangan dan pembuatan peta mental, dan dalam versi lainnya mengenai kebutuhan kognitif mengenai kehidupan arboreal, memanjat pohon dengan aman namun tidak trivial untuk kera besar.

Hipotesis pengendalian oleh alat. Disarankan kalau evolusi kecerdasan manusia dikendalikan oleh alat juga termasuk kategori ini.

sstttt

Hipotesis pengendalian oleh sosial

Sebagian besar primata hidup dalam kelompok sosial yang kompleks, dimana hubungan dengan (dan manipulasi) sesama berperan penting. Tidak seperti sebagian besar mamalia sosial, dimana hirarki dominasi cukup langsung; politik dan ikatan koalisi penting untuk kesuksesan primata mengendalikan evolusi apa yang disebut kecerdasan Machiavellian. Dan manusia hidup dalam masyarakat yang lebih besar dan lebih kompleks daripada primata lain, sehingga gaya seleksi ini akan sangat kuat pada kita. Hal ini dapat membawa pada perlombaan senjata berupa kekautan otak, namun menuntut pertanyaan darimana kompleksitas sosial itu sendiri berasal. Kesejajaran yang menarik adalah evolusi otak yang sama besar pada lumba-lumba dan paus kerabatnya, yang memiliki kompleksitas sosial yang sebanding. Dunbar (1996) telah menemukan korelasi kuat pada primata bukan antara ukuran kelompok dan ukuran otak, namun antara ukuran kelompok dengan ukuran bagian tertentu otak di neokorteks, yang konsisten dengan hipotesis Machiavelli, karena neokorteks adalah bagian otak yang paling besar peningkatannya pada primata, dan khususnya manusia. Perlu juga dicatat kalau McComb et al (2001) telah menunjukkan kalau diantara para gajah (yang juga memiliki otak yang besar), kecerdasan sosial dan pengetahuan langsung diterjemahkan menjadi kebugaran Darwinian.

Referensi utama

Sverker Johansson. 2002. The Evolution of the Human Language Capacity. Thesis. University of Lund.

Referensi lanjut

Ahlberg et al, 1996. Rapid braincase evolution between Panderichtys and the earliest tetrapods. Nature, 381:61-65

Allman, J.M. 1999. Evolving Brains. W.H. Freeman

Barton,R.A dan Harvey,P.H. 2000. Mosaic Evolution of Brain Structure in Mammals. Nature, 105:1055-1058

Bargmann, C.I. 1998. Neurobiology of Caenorhabditis elegans genome. Science, 282:2029-2033

Byrne, R.W. 2000. Evolution of Primate Cognition. Cogn Sci 24:543-570

Byrne, R. dan Whiten, A.E. 1988. Machiavellian Intelligence. Social Expertise and the Evolution of Intellect in Monkeys, Apes and Humans. New York: Oxford University Press

Clark et al, 2001. Scalable architecture in mammalian brains. Nature 411:189-193

Coates, M.I. 1998. Actinopterygians from the Namurian of Bearsden, Scotland, with comments on early actinopterygian neurocrania. Zool J Linn Soc 122:27-59

Connor et al, 1998. Social evolution in toothed whales. Trend Ecol Evol 13:228-232

Deacon, T.W. 1997. The Symbolic Species. New York: Morton

De Pomerai, D. 1990. From gene to animal, 2nd Edition. Cambridge: Cambridge University Press

Dunbar, R. 1996.  Grooming, gossip and the evolution of language. London: Faber and Faber

Flinn, M.V. 1997. Culture and the evolution of social learning. Evo and Hum Behav 18:23-67

Horwitz et al, 1999. Neural modeling, functional brain imagning and cognition. Trends Cogn Sci 3:91-98

Jerison, H.J. 1976. Paleoneurology and the evolution of mind. Scientific American, January 76

Karten, H.J. 1997. Evolutionary develompental biology meets the brain: the origins of mammalian cortex. Proc Nat Acad Sci 94:2800-2804

Kaas,J.H dan Collins, C.F. 2001. Evolving ideas of brain evolution. Nature 411:141-142

Kaas, J.H. dan Reiner, A. 1999.  The neocortex comes together. Nature 399:418-419

Loumasmaa et al, 1996. Information processing in the human brain: magnetoencephalic approach. Proc Nat Acad Sci 93:8809-8815

Martin, R.D. 1998. Comparative aspects of human brain evolution, dalam Jablonski, N.G. dan Aiello, L.C (editors) : The Origin and Diversification of Language. San Francisco: California Academy of Sciences

McComb et al, 2001. Matriarchs as repositiories of social knowledge in African elephants. Science 292:491-494

McKinney, M.I. 1998. The juvenilized ape myth: our ‘overdeveloped’ brain. Bioscience 48:109

Ng, Y.K. 1996. Complex niches favour rational species. J theor biol 179:303-311

Nielsen, C. 1999. Origin of the chordate central nervous system and the origin of the chordates. Dev Genes Evol 209:198-205

Nilsson, G.E. 1999. The cost of a brain. Natural History 12/99:66-73

Nimchinsky et al, 1999. A Neuronal morphologic type unique to humans and great apes. Proc Nat Acad Sci 96:5268-5273

Nishikawa, K.C. 1997. Emergence of novel functions during brain evolution. Bioscience 47:341

Osterhout et al, 1997. Event related brain potentials and human language. Trends Cogn Scie 1:203-209

Patterson, F.G.P dan Cohn,R.H. 1990.  Language acquisition by a lowland gorilla: Koko’s first ten years of vocabulary development. Word 41:97-144

Pendleton et al, 1993.  Expansion of the Hox gene family and the evolution of chordates. Proc Nat Acad Sci 90:6300-6304

Rifkin, S. 1995. The Evolution of Primate Intelligence.

Rilling, J.K dan Insel, T.R. 1999. The primate neocortex in comparative perspective using magnetic resonance imaging. J Hum Evo 37:191-223

Rowe, T. 1996. Coevolution of the mammalian middle ear and neocortex. Science 273:651-655

Savage-Rumbough et al, 1993. Reply to Bates (1993): How does evolution design a brain capable of learning language? Dalam Savage-Rumbough et al (ed) Laguage comprehension in ape and child. Monograph Soc Res Child Dev, Serial No. 233, Vol. 58, No 3-4

Schoenemann et al, 2000. Brain size does not predict general cognitive ability within families. Proc Nat Acad Scie 97:4932-4937

Semendeferi et al, 1997. The evolution of the frontal lobes: a volumetric analysis based on three dimensional reconstructions of magnetic resonance scans of human and ape brains. J Hum Evo 32:375-388

Semendeferi,K. dan Damasio,H. 2000. The brain and its main anatomical subdivisions in living humanoids using magnetic resonance imaging. J Hum Evo 38:317-322

Shimeld, S.M dan Holland, P.W.H. 2000. Vertebrate innovations. Proc Nat Acad Sci 97:4449-4452

Tomasello, M. 2000. Primate cognition: introduction to the issue. Cogn Sci 24:351-361

Tomoni et al, 1994. A measure for brain complexity: relating functional segregation and integration in the nervous system. Proc Nat Acad Sci 91:5033-5037

Evy Siscawati
Facts are the air of scientists. Without them you can never fly (Linus Pauling). Berjalan di pantai, dud dud, berjalan di pantai, dud dud (ESW).
Bergabung dengan 1000 orang lebih dengan kami melalui sosial media

Berlangganan artikel dan berita terbaru dari kami via email


Aktifitas

© 2010 FaktaIlmiah.com. Hak cipta asli oleh faktailmiah
Anda boleh mendistribusikannya dengan mencantumkan referensi dari situs kami.