Історія життя на Землі почалася з моменту появи перших живих організмів — приблизно 3,7 мільярда років тому— і триває донині. Подібність між усіма організмами вказує на наявність спільного предка, від якого в процесі еволюції пішли всі відомі види.
Домінантною формою життя 3,480 млрд років тому, на початку архейського еону, були ціанобактеріальні мати та археї. Вони стали величезним тогочасним еволюційним кроком вперед. Кисневий фотосинтез, що виник близько 3500 мільйонів років тому, в кінцевому результаті призвів до оксигенації атмосфери, починаючи приблизно з 2400 млн років тому. Найперші свідчення про евкаріотів датуються 1850 млн років тому, хоча, можливо, вони з'явилися раніше. Їхня диверсифікація прискорилася, коли вони почали використовувати у метаболізмі кисень. Пізніше, близько 1700 мільйонів років тому, виникли багатоклітинні організми з диференційованими клітинами, спеціалізованими для виконання певних функцій.
Приблизно 1200 млн років тому з'являються перші водорості, а вже приблизно 450 млн років тому — перші вищі рослини. Безхребетні тварини виникають в едіакарському періоді, а хребетні — близько 525 мільйонів років тому, невдовзі після кембрійського вибуху.
Передісторія Дослідження метеоритів, древніх гірських порід та інші дотичні дослідження вказують на те, що планета Земля сформувалась приблизно 4,6 млрд років тому (гадейський еон). До цього часу навколо Сонця обертався тільки розмитий протопланетний диск, що складався з газів та космічного пилу. Потім під дією сили тяжіння пил почав зосереджуватися у невеликі тіла (планетоїди), які з часом трансформувалися у планети. Протягом перших мільйонів років на Землі життя не могло існувати у жодній формі, у цей період верхня мантія планети перебувала у розплавленому стані магматичного океану та розтоплювала літосферу планети. Атмосфера у той час була не щільною і складалася із суміші розпечених до температури 80 °C газів: аміаку (NH3), метану (CH4), водню (H2), хлору (Cl2) та пари сірки (S). Природна радіоактивність була набагато вищою за сьогочасну. Тобто життя за таких умов було неможливим. Внаслідок дегазації земних надр та подальшого охолодження поверхні планети утворюються перші водойми рідкої води (H2O). Перші сліди появи рідкої водної оболонки у планети припадають на період 4,5 млрд років тому (циркон, подушкові базальтові лави) . Гіпотеза про кометне та планетезимальне походження води на Землі внаслідок метеоритного бомбардування не знаходить підтверджень після порівняння протій/дейтерієвого ізотопного співвідношення різних небесних тіл.
Згідно з моделлю мегаімпакту, ~4,5 млрд років тому протопланета розміром з Марс (яку часто називають Тея) зіткнулась із Землею. Зіткнення було таким сильним, що утворені при зіткненні уламки були викинуті в космос і утворили Місяць. Утворення Місяця сприяло появі життя, бо його обертання навколо Землі виклика́є припливи, які в подальшому сприяли перемішуванню товщ Світового океану, очищенню та аерації, стабілізували вісь обертання Землі. Доба у ті часи була дуже короткою (6 годин), але через близькість Місяця (17 тис. км проти сучасних 384,4 тис. км) сильніша припливна взаємодія гальмувала обертання Землі й поступово збільшувала тривалість доби до сучасних 24 годин.
Поява життя
Усі концепції появи життя можна розділити на дві групи: Випадковість.
Закономірність. Бельгійський біохімік і цитолог Крістіан де Дюв заперечує концепцію Моно двома доводами. По-перше, будівельні блоки живих організмів (амінокислоти, вуглеводні, азотисті сполуки, спирти, жирні кислоти, сполуки вуглецю) легко синтезуються в космічному просторі. З «першосупу» простих сполук ціанідів (CN-), фосфатів (PO4-), сірководня (H2S), ацетилену (C2H2), аміаку (NH3), ціанамідів (H2NCN) та глікольальдегідів (C2H4O) легко утворюються попередники амінокислот, ліпідів та нуклеозидів. По-друге, побудова живого організму є лише детерміністичні хімічні процеси різної складності. Наприклад, як тільки десяток нуклеотидів складається в найпростіший ланцюжок РНК, остання відразу починає свою каталітичну реакцію з прискорення біохімічних реакцій. Інший приклад, самостійна збірка ліпідів у мембранні поверхні й замкнені сфери у водному середовищі.
Найдревніші сліди життя на Землі датуються віком 3,8—4,1 млрд років тому (еоархей) — гнейсова зеленокам'яна формація Ісуа на острові Гренландія, породи Пілбари в Австралії та ізотопний склад зерняток вуглецю в мікрокристалах циркона. Біогенні сліди встановлено за властивим життю зміщенням пропорції ізотопів вуглецю 12C/13C в гірській породі в бік більш легкого. Проте для зеленокам'яних порід існує заперечення біогенного механізму зміщення пропорції суто фізичними механізмами при більш пізньому метаморфізмі (переплавці) гірських порід.
На еволюційному шляху передачі генетичної інформації спочатку сформувались такі найпростіші елементи ланцюжка, як транскрипція (синтез РНК) і подальша трансляція (синтез білків). Це епоха так званого «РНК-світу». Відповідно до неї, першою молекулою, яка мала здатність до самовідтворення, була рибонуклеїнова кислота (РНК). Молекула РНК може працювати як фермент, з'єднуючи вільні нуклеотиди в комплементарну послідовність, таким чином відбувається її розмноження. Формування ланцюжка реплікації (ДНК та її копіювання) стало першим еволюційним роздоріжжям на дереві життя, що розвело подальші шляхи еволюції бактерій в один бік, архей і евкаріот в інший.
Наступним етапом для еволюції життя стало здолання (), коли інтенсивність передачі генетичної інформації від організмів їхнім нащадкам почала переважати над горизонтальним перенесенням генів — від цього моменту вже можна вести розмову про біологічний вид як такий.
Але хімічні сполуки ще не можна назвати живими істотами, оскільки вони не мають меж тіла, як і має будь-який живий організм. Тільки всередині ізольованого від зовнішнього хаотичного руху частинок тіла можуть відбуватися складні хімічні реакції, які дозволяють істоті живитися, розмножуватися, рухатися, тобто підтримувати гомеостаз. Першою гіпотезою у цьому напрямку була теорія коацерватних крапель Олександра Опаріна. Поява ізольованих порожнин в океані є доволі частим явищем. Їх утворюють жирні (аліфатичні) кислоти, які потрапляють у воду. Уся річ у тому, що один кінець молекули гідрофільний, а інший — гідрофобний. Жирні кислоти, які потрапляють у воду, утворюють сфери таким чином, що гідрофобні кінці молекул знаходяться всередині сфери. Можливо, молекули РНК почали потрапляти в такі сфери. Найдревнішими залишками сформованих живих клітин слугують відбитки сульфатредукуючих бактерій віком 3,4 млрд років.
Перший обмін речовин Здатність до самовідтворення і наявність границь тіла — це ще не всі ознаки, які відрізняють живу істоту від неживої природи. Для відтворення всередині сфери з жирних кислот молекулі РНК потрібно було налагодити процес обміну речовин. Відомо, що молекула РНК здатна притягувати потрібні нуклеотиди та відштовхувати непотрібні. Тому їй нічого не заважало зробити це через мембрану. Скоріш за все, процес відбувався так: потрібний нуклеотид притягувався до мембрани впритул, як тільки він наближувався на достатньо близьку відстань, то починав відштовхувати від себе молекули жирних кислот, через що утворювався отвір за розмірами нуклеотиду, після чого він вільно проходив через нього і приєднувався до створюваного ланцюжка.
Перший поділ клітини Як почали ділитися перші клітини, що складалися з молекули РНК і мембрани з жирних кислот, нині невідомо. Можливо, побудована всередині мембрани нова молекула РНК починала відштовхуватися від першої. Зрештою, одна з них проривала мембрану. Разом з молекулою РНК виходила і частина молекул жирних кислот, які утворювали навколо неї нову сферу.
Киснева революція
Життя на Землі у стосунку до вільного кисню (O2) ділиться на дві групи організмів: анаероби (деякі бактерії, археї), для яких кисень виступає лише як отрута; аероби (усі евкаріоти, деякі бактерії), як навчились отримувати енергетичний зиск від кисню.
Кисень виступає як сильний окисник, який руйнує клітини, але за допомогою якого можна отримати багато енергії. Тому в аеробів присутні дві незалежні системи ферментів, налаштовані на взаємодію з такими протилежними властивостями для живих організмів речовини.
Перші аероби опанували реакцію фотосинтезу не пізніше 3 млрд років тому. Перші процеси утворення глюкози з вуглекислоти відбувались за участі таких відновників як сірководень (HS), водень (H2), сполуки заліза (Fe), без участі води (H2O), тому вільного кисню не утворювалось. Вміст такого сильного окисника в атмосфері Землі тогочасної епохи не перевищував 0,001 % від сучасного. З появою перших ціанобактерій (синьо-зелених водоростей), що використовували як відновник воду, а побічним продуктом реакції виступав вільний кисень, геохімічна історія планети, як і біологічна, переходить на новий етап розвитку. Надалі від ціанобактерій еволюційно, ймовірно через симбіоз, утворились органели еукаріотичних клітин здатні до фотосинтезу — хлоропласти. Ціанобактерії, послуговуючись необмеженими запасами води (в той час як сировина для безводного фотосинтезу була обмеженою) насичували середовище токсичним киснем, обмежуючи розвиток як конкурентів, так і власний. Вирішальним у цій боротьбі виступили ресурси саме відновлювача. 2,4 млрд років тому, у ранньому протерозої, після Великої окиснювальної події (, GOE), коли за десятки млн років концентрація кисню в атмосфері підвищилась у тисячі разів, настала епоха панування ціанобактерій у водах Світового океану. Під час епохи ціанобактерій біосфера Землі стала незворотньо кисневою. Більшість анаеробних прокаріотів вимерли — це перше масове вимирання в історії життя планети. Ті організми, що вижили, захистили себе товстими клітинними стінками.
Докиснева атмосфера Землі була насичена парниковими газами, вуглекислим (CO2) і метаном (CH4), що створювали парниковий ефект й зберігали досить теплий клімат на планеті. Крім того, вважається що світимість Сонця в ту епоху становила лише до 80 % від сучасної. Після початку епохи ціанобактерій весь метан, що має у 23 рази більший парниковий ефект ніж вуглекислий газ, було перероблено на останній, що спричинило катастрофічне гуронське зледеніння 2,3 млрд років тому. Різноманітні льодовикові відкладення того зледеніння знаходять на тогочасних екваторіальних широтах. Зледеніння тривало 100 млн років й було подолане сильною вулканічною активністю, що достатньо наситила атмосферу парниковими газами.
Відповіддю біоти на нове кисневе середовище стало опанування у перші 100—200 млн років протеобактеріями реакції окиснення глюкози вільним киснем — дихання. Так був задіяний новий енергетичний ресурс, що виявився більш ефективним за безкисневе бродіння, початкові етапи якого слугують базисом біохімічного механізму кисневого дихання. Надалі від протеобактерій еволюційно, ймовірно через симбіоз, утворились дихальні органели еукаріотичних клітин — мітохондрії. Найближчий сучасний генетичний родич мітохондрій, пурпурова альфа-протеобактерія Rhodospirillum rubrum володіє одночасно біохімічними механізмами дихання, бродіння й сірководневого фотосинтезу, може вільно перемикатись між ними залежно від середовища.
Поява евкаріотів
Поява сучасних евкаріотичних організмів з біохімічними механізмами дихання за допомогою мітохондрій пояснюється двома гіпотезами: Пізньомітохондріальна гіпотеза стверджує, що захоплення протеобактерій відбулось попередньо сформованими евкаріотичними організмами. Ранньомітохондріальна гіпотеза наголошує на причинності симбіозу протеобактерій і древніх архей в самому процесі розподілу внутрішнього середовища клітини на цитоплазму й окреме ядро з генетичною інформацією.