ในปี ค.ศ. 1676 พ่อค้าชาวดัตช์และนักวิทยาศาสตร์สมัคร
เล่น Antoni van Leeuwenhoek ได้ส่งบทความไปยังฝากถอนไม่มีขั้นต่ำ Royal Society of London โดยให้รายละเอียดเกี่ยวกับการค้นพบที่แปลกประหลาด นี่คือโลกของสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์เดียว ซึ่งเขาสังเกตเห็นโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ที่ออกแบบเอง สามร้อยปีต่อมา “สัตว์” ของ Leeuwenhoek แสดงให้เห็นว่ามีความลับในการวิวัฒนาการของชีวิตที่ซับซ้อนบนโลก
ในหนังสือ The Vital Question ที่สร้างสรรค์และสร้างสรรค์อย่างงดงาม Nick Lane นักชีวเคมีเชิงวิวัฒนาการได้ให้คำจำกัดความลำดับวงศ์ตระกูลที่เชื่อมโยงลูกหลานของการระเบิด Cambrian ซึ่งเป็นการปรากฏตัวครั้งแรกของสัตว์ที่มีความซับซ้อนทางสัณฐานวิทยาในบันทึกฟอสซิลเมื่อประมาณ 540 ล้านปีก่อน กับสิ่งมีชีวิตธรรมดาๆ ที่นำหน้า พวกเขา. ในการทำเช่นนั้น เขาเกลี้ยกล่อมเราว่าการเข้าใจโครงสร้าง หน้าที่ พฤติกรรม พันธุกรรม และวิวัฒนาการของจุลินทรีย์เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำความเข้าใจอย่างลึกซึ้งของชีวิตที่ซับซ้อน และกระบวนการที่บ่อนทำลายมัน รวมทั้งโรคและความชราภาพ ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับอวัยวะภายในนี้เกี่ยวกับพื้นที่กว้างใหญ่ไพศาลของการดำรงอยู่ของจุลินทรีย์ที่ยังมิได้จดที่แผนที่ อาจเป็นพื้นฐานของวิทยาศาสตร์การทำนายที่ช่วยให้เราสามารถคาดเดาเกี่ยวกับธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตที่อาจเกิดขึ้นบนดาวเคราะห์ดวงอื่นได้
นักชีวฟิสิกส์ Paul Falkowski ที่สนุกสนาน อ่านง่าย และเต็มไปด้วยประวัติศาสตร์ ในขณะเดียวกันก็ใช้ผลงานของนักจุลชีววิทยา Carl Woese เพื่อติดตามชีวิตที่ซับซ้อนกลับไปสู่สายเลือดสามสาย ได้แก่ แบคทีเรีย อาร์เคีย และยูคาริโอต จากการศึกษาลำดับอาร์เอ็นเอของไรโบโซม ซึ่งเป็นกลไกของเซลลูลาร์ที่สร้างโปรตีน Woese สามารถแสดงให้เห็นว่าชาร์ลส์ ดาร์วินถูกต้องโดยบอกว่าทุกชีวิตเกิดขึ้นจากบรรพบุรุษร่วมกันเพียงคนเดียวที่สูญพันธุ์ไปแล้วในขณะนี้
“เครื่องยนต์วิวัฒนาการติดค้างและเดินเบาในระดับเซลล์เดียว”
ยังไม่ชัดเจนว่าชีวิตเกิดขึ้นบนโลกครั้งแรกได้อย่างไรและเมื่อใด แต่เรารู้ว่าสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์เดียวตัวแรกเกิดขึ้นระหว่าง 3.6 พันล้านถึง 2.7 พันล้านปีก่อน ก่อให้เกิดแบคทีเรียและอาร์เคีย ซึ่งไม่มีนิวเคลียสหรือออร์แกเนลล์ย่อยเซลล์อื่นๆ กลไกวิวัฒนาการแห่งชีวิตในตอนนั้นดูเหมือนจะติดอยู่ โดยไม่ได้ใช้งานในระดับเซลล์เดียวเป็นเวลาอีก 2 พันล้านถึง 3 พันล้านปี Falkowski อธิบายว่าสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์เดียวถึงแม้จะมีความท้าทายทางสัณฐานวิทยา แต่ก็สามารถจัดการ ‘เครื่องยนต์’ ทางชีวเคมีขั้นพื้นฐานให้สมบูรณ์แบบซึ่งจะให้พลังงานแก่สิ่งมีชีวิตทุกรูปแบบบนโลกได้อย่างไร จากข้อมูลของ Lane ความซบเซาเกิดขึ้นเนื่องจากมอเตอร์ระดับโมเลกุลที่ขับเคลื่อนชีวเคมีของแบคทีเรียและอาร์เคียไม่สามารถข้ามขีดจำกัดพลังที่จำเป็นสำหรับการวิวัฒนาการของรูปแบบที่ซับซ้อนได้ ข้อจำกัดที่กระฉับกระเฉงในชีวิตนี้เป็นหัวใจสำคัญของ The Vital Question
Lane อธิบายว่ามาจากคุณลักษณะการออกแบบหลักสองประการ
ที่สิ่งมีชีวิตทั้งหมดใช้เพื่อขับเคลื่อนตัวเอง ประการแรกคือการใช้โมเลกุลพลังงานสูงของ ATP ซึ่งเป็นสกุลเงินเคมีของการถ่ายโอนพลังงาน ประการที่สองคือแรง ‘เคมีออสโมติก’ ที่แปลกประหลาดซึ่งเคลื่อนที่โปรตอนและอำนวยความสะดวกในการสร้าง ATP อย่างต่อเนื่อง ทั้ง Lane และ Falkowski อธิบายกระบวนการระดับโมเลกุลเหล่านี้อย่างน่าสนใจ แม้ว่าจะเพียงพอที่จะให้พลังงานแก่เซลล์ที่มีขนาดแบคทีเรียเพียงตัวเดียว แต่วิธีการนี้ก็จำกัดอัตราส่วนของพื้นผิวต่อปริมาตรที่อนุญาตของเซลล์ที่มีชีวิต Lane ให้เหตุผลว่าเมื่อประมาณ 1.5 พันล้านปีก่อน ข้อจำกัดที่มีพลังนี้ถูกเอาชนะโดยเหตุการณ์เอนโดซิมไบโอซิสที่ไม่น่าจะเป็นไปได้: โฮสต์ของบรรพบุรุษในสมัยโบราณได้กลืนแบคทีเรียที่มีชีวิตแบบพึ่งพาอาศัยกันจำนวนเล็กน้อย ส่งผลให้เซลล์ยูคาริโอตแรก ซึ่งเป็นบรรพบุรุษของชีวิตที่ซับซ้อน
Lane เล่าว่าเมื่อเวลาผ่านไป แบคทีเรียที่ถูกดูดกลืนได้ละทิ้งยีนส่วนใหญ่ที่ไม่เกี่ยวข้องกับการผลิตพลังงาน สิ่งเหล่านี้สูญหายอย่างถาวรหรือย้ายไปอยู่ที่นิวเคลียสของเซลล์ ที่นั่นพวกเขายังคงทำหน้าที่เดิมให้สำเร็จ หรือสร้างวัตถุดิบสำหรับการวิวัฒนาการของยีนใหม่ที่มีบทบาทที่คาดไม่ถึง เช่น ปัจจัยการถอดรหัส ซึ่งเป็นโปรตีนที่จับกับดีเอ็นเอ สิ่งนี้ทำให้เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนมีลวดลายในพื้นที่สามมิติ สิ่งที่เหลืออยู่ของแบคทีเรียที่ถูกดูดซึมซึ่งมีจีโนมและเยื่อหุ้มรอบๆ ที่ถูกลดขนาดลง กลายเป็นไมโตคอนเดรียที่สร้างพลังงาน การได้มาซึ่งออร์แกเนลล์เหล่านี้ทำให้เซลล์ยูคาริโอตขยายปริมาตรของพวกมันได้มากถึง 15,000 เท่าของแบคทีเรียโดยเฉลี่ย และเพื่อรองรับจีโนมที่ใหญ่ขึ้นประมาณ 5,000 เท่า การตระหนักรู้ที่สำคัญของ Lane ก็คือสิ่งนี้ทำให้เซลล์ยูคาริโอตมีพรสวรรค์ด้วยพลังงานต่อยีนมากกว่าเซลล์โปรคาริโอตโดยเฉลี่ยประมาณ 200,000 เท่า กลไกการวิวัฒนาการที่มากเกินไปนี้ทำให้เกิดการพัฒนาความหลากหลายแบบบาโรกในธรรมชาติและขอบเขตของการแสดงออกของยีนและโปรตีนในเซลล์
แม้ว่าทฤษฎีวิวัฒนาการแบบดาร์วินแบบคลาสสิกจะนำมาใช้ได้โดยทันที แต่ลักษณะแนวนอน ฉับพลัน และร่วมมือของการเล่าเรื่องวิวัฒนาการของเลนนั้นแตกต่างจากลักษณะที่เพิ่มขึ้น แนวดิ่ง และเชิงแข่งขันของแบบที่เป็นที่ยอมรับมากกว่า แม้รายละเอียดที่เป็นรากฐานของวิทยานิพนธ์จะดูสง่างาม แต่บางครั้งก็ยากที่จะแยกแยะระหว่างข้อเท็จจริงกับการเก็งกำไร อย่างไรก็ตาม Lane ได้พยายามอย่างกล้าหาญและน่ายกย่องในการร่างปัญหาทางวิทยาศาสตร์ที่ท้าทายอย่างสูงสำหรับนายพล ฝากถอนไม่มีขั้นต่ำ
