חקר של סלעים על פני הירח גרם למדענים להסיק שבין 4 ל-3.8 Ga, פגע בו מספר עצום של מטאוריטים ; מספר גדול עוד יותר היה אמור לפגוע באותה תקופה בכדור הארץ בעל כוח המשיכה החזק יותר. אף על פי שלא נמצאו על פני כדור הארץ עדויות שמהן ניתן להסיק ישירות על התנאים בתקופה זו, אין סיבה לחשוב שהוא לא הושפע מ"הפגזה" זו. אירוע כזה היה עשוי למחות לחלוטין את האטמוספירה והאוקיינוסים שנוצרו עד אז, ולגרום להחלפתם על ידי גזים ומים שמקורם בשביטים (אם כי גם התפרצויות געשיות היו עשויות לגרום להחלפת המים). למרות זאת, האירוע לא היה יכול, ככל הנראה, להשמיד חיים חד-תאיים על כדור הארץ, אם כאלה כבר היו באותה תקופה.
עדויות ראשונות לחיים.
היצורים החיים המוקדמים ביותר שנתגלו הם זעירים וחסרי תווים ייחודיים; קשה לדעת בוודאות אם מדובר בייצורים חיים, מכיוון שצורתם דמוית-השוט דומה לזו של מבנים שנוצרו בתהליכים כימיים לא-אורגניים. העדות המובהקת הראשונה לחיידקים על פני כדור הארץ מתוארכת ל-3 Ga בקירוב. לפי מחקרים נוספים, נמצאו מאובני מיקרואורגניזמים מ-3.5 עד 3.8 Ga; עם זאת, בחינה חוזרת של הממצאים הצביעה על כך שמבנים אלו היו עשויים להיווצר בתהליכים כימיים לא-אורגניים. אין בכך כדי להצביע על כך שהממצאים אינם ממוצא ביולוגי, אך לא ניתן להתייחס אליהם כעדויות ודאיות לחיים. ישנם ממצאים נוספים שעשויים להצביע על הופעה מוקדמת יחסית של החיים, אך גם הם מוטלים בספק.
תאוריות לגבי מוצא החיים.
מרבית הביולוגים טוענים שכל היצורים החיים על פני כדור הארץ התפתחו ממין יחיד, האב הקדמון הכולל; טענה זו נסמכת על כך שהסבירות לכך שהתהליכים הביוכימיים המורכבים המשותפים לכל היצורים החיים התפתחו באופן בלתי תלוי, היא מזערית.
החיים נוצרו על פני כדור הארץ עצמאית.
החיים על פני כדור הארץ הם מבוססי פחמן ומים. הפחמן מהווה את היסוד החשוב ביותר במולקולות אורגניות, ויצורים חיים משיגים אותו מהסביבה בקלות - בעיקר מהפחמן הדו-חמצני הנמצא באטמוספירה. ככל הידוע לנו, אין יסוד נוסף שיכול ליצור מגוון כה רחב של מולקולות העשויות לשמש לחיים; צורן (סיליקון), הנמצא מתחת לפחמן בטבלה המחזורית (ולכן דומה לו מאוד בתכונותיו הכימיות), לא יוצר תרכובות כימיות יציבות רבות, ומכיוון שרוב התרכובות הכוללות אותו מסיסות במים, קשה יחסית לצרוך אותן מהסביבה. בור וזרחן יוצרים מספר רב יותר של תרכובות, אך מתאימים פחות לשימוש כיסודות-בסיס לחיים מסיבות שונות. המים הם ממס מעולה; בנוסף לכך, הצורה המוצקה שלהם בעלת צפיפות גבוהה משל צורתם הנוזלית, מה שמאפשר ליצורים חיים לשרוד במים קפואים בחורף, והאלקטרושליליות הגבוהה שלהם מאפשרת להם ליצור מגוון רחב יחסית של תערובות. ממסים אחרים, כגון אמוניה, נוזליים רק בטמפרטורות נמוכות מאוד, שבהן תגובות ביוכימיות היו עשויות להיות איטיות מכדי לאפשר חיים. למרות חסרונות אלה, יש המעריכים שביוכימיה אלטרנטיבית עשויה להיות בסיס לחיים על פני כוכבי לכת אחרים.
ישנן שלוש השערות עיקריות בנוגע ל"נקודת המפנה", שממנה מולקולות לא-אורגניות התחילו להתפתח ליצורים חיים, בהן מתמקד המחקר: השגת יכולת השכפול העצמי - יכולתו של אורגניזם ליצור עותק כמעט מדויק של עצמו; פיתוח המטבוליזם - יכולתו של אורגניזם להזין ולתקן את עצמו; והתגבשות הממברנה, הבוררת את החומרים הנכנסים לתא ויוצאים ממנו. תחום האביוגנזה, העוסק בחקר נקודת מפנה זו, עדיין נמצא בתחילתו; כרגע כמעט ולא נמצא קשר בין התאוריה לבין העדויות האמפיריות בתחום זה.
השערה ראשונה: שכפול תחילה - עולם ה-RNA.
השימוש ב-DNA כקוד גנטי העובר מדור לדור, וב-RNA וחלבונים כ"שליחים" המסייעים בתרגום ה-DNA לחלבונים חדשים, משותף לכל מיני היצורים החיים, אפילו לפשוטים ביותר (אך לא לנגיפים, שלא בהכרח נחשבים ככאלה). גילוי הריבוזימים - קטעי RNA שמסוגלים לזרז את השכפול של עצמם - גרם למדענים להעלות את השערת עולם ה-RNA, לפיה היצורים החיים הראשונים התבססו על RNA בלבד כקוד הגנטי. לפי השערה זו, מיקרואוגניזמים אלו היו אינדיבידואליים, כאשר העברות גנטיות אופקיות ומוטציות גרמו לכל תא להיות שונה באופן משמעותי עד כדי כך מהאחר (גם מזה שממנו התא נוצר), עד שלא יכולה להיות חלוקה למינים ביולוגיים. ה-RNA הוחלף לאחר מכן ב-DNA, שהיה יציב יותר ולכן אפשר יצירת גנומים ארוכים יותר, שאפשרו גיוון רב יותר בתפקודם של האורגניזמים. הריבוזימים נותרו מרכיב משמעותי בריבוזומים - האברונים בתאים המודרניים שבהם מתרחש תהליך התרגום.
אף על פי שמולקולות RNA קצרות בעלות יכולת שכפול עצמי נוצרו במעבדה, הועלו ספקות בנוגע לאפשרות היווצרות RNA שלא באופן ביולוגי. אפשרות נוספת שהועלתה היא שהריבוזימים הראשונים היו חומצות גרעין פשוטות יותר, כמו PNA, TNA או GNA, שהוחלפו עם הזמן על ידי RNA שסונתז בתאים.
במאמר מ-2003, הועלתה האפשרות לפיה ה-RNA עשוי להיווצר בתגובות שיקוע של גפרות מתכתיות נקבוביות בטמפרטורה של כ-100 מעלות צלזיוס ובלחצים הגבוהים האופייניים לנביעות הידרותרמיות. לפי השערה זו, קרום התא הליפידי יהיה המרכיב המרכזי האחרון בתא שייווצר באופן טבעי; למרות זאת, מרכיבי הקדם-תא יישארו באזור המצומצם של הנקבובית, ולכן יוכלו להיווצר כך תאים בגודל שמאפשר מטבוליזם.
השערה שנייה: מטבוליזם תחילה - עולם הברזל והגופרית.
סדרת ניסויים, שהתרחשו החל מ-1997, הראתה שניתן להגיע לשלבים ראשונים בהיווצרותם של חלבונים מחומרים לא-אורגניים כגון פחמן חד-חמצני ומימן גופרי, על ידי שימוש בברזל גופריתי וניקל גופריתי כזרזים. תהליך זה מחייב סביבה בטמפרטורה של כ-100 מעלות צלזיוס ולחץ מתון יחסית, אם כי אחד מהשלבים מחייב טמפרטורה של 250 מעלות ולחץ שווה-ערך לזה שנוצר מתחת ל-7 קילומטרים של סלע. אם כך, תהליך זה היה עשוי להתרחש רק בנביעות הידרותרמיות או בתנאים מיוחדים אחרים.
השערה שלישית: ממברנה תחילה - עולם הליפידים.
הוצע שהיווצרות הממברנות הדו-שכבתיות, העשויות מפוספוליפידים, הייתה נקודת המפנה הראשונית בהיווצרות החיים על פני כדור הארץ. בניסויים שבהם דומו התנאים ששררו בכדור הארץ בתקופות קדומות, נמצא שנוצרו באופן ספונטני ליפידים העשויים להתלכד לליפוזומים בעלי יכולת רבייה. אף על פי שאין בהן כמעט "נשיאת מידע" כמו בחומצות הגרעין מהן עשויים ה-RNA וה-DNA, הברירה הטבעית עשויה הייתה לפעול גם עם הממברנות, וכך לייעל את השכפול שלהן ולהאריך את זמן קיומן. יש הטוענים שבשל התנאים השוררים בליפוזומים, סביר יותר להניח שחומצות הגרעין נוצרו בתוכם ולא מחוצה להם.
השערה רביעית: השערת החרסית.
ה-RNA הוא חומר מורכב, והועלו ספקות בנוגע להיתכנות היווצרותו באופן ספונטני. למרות זאת, תרכובות חרסית מסוימות, במיוחד מונטמורילוניט, היו עשויות לשמש תחליפים זמניים ל-RNA: יש להן יכולת שכפול עצמי; הן "מתרבות" על ידי שכפול התבנית הגבישית שלהם; יש להן מעין ברירה טבעית, שגורמת לכך שה"מין" שמתרבה במהירות הגדולה ביותר נהיה הדומיננטי בסביבתו תוך זמן קצר; והן יכולות לזרז את היווצרותן של מולקולות RNA. אף על פי שאין הסכמה גורפת לנכונותה של השערה זו, יש לה אוהדים רבים בקרב הקהילה המדעית.
לפי מחקר שנעשה ב-2003, מונטמורילוניטים מזרזים את הפיכתן של חומצות שומן למעין בועיות, כאשר אלו עשויות לספוג לתוכן מולקולות RNA, לגדול באמצעות קליטת ליפידים מסביבתן הקרובה ויש להן יכולת חלוקה. הוצע שהתאים הראשונים נוצרו באופן דומה.
לפי הצעה דומה, מקורם של חומרים אורגניים כגון נוקלאוטידים, ליפידים וחומצות אמינו הוא מחרסיות עשירות בברזל.
החיים הגיעו לכדור הארץ ממקור חיצוני.
לפי הפנספרמיה, החיים נוצרו מחוץ לכדור הארץ; למרות זאת, היא לא מספקת הסבר להיווצרותם הראשונית. להשערה זו היו תומכים רבים, החל באנכסימנדרוס, פילוסוף יווני מהמאה ה-6 לפנה"ס, וכלה בארהניוס, פרד הויל ופרנסיס קריק. ישנן שלוש גרסאות עיקריות להשערה זו. לפי הראשונה, המיקרואורגניזמים הראשונים נוצרו על אחד מכוכבי הלכת הסלעיים במערכת השמש; רסיסי סלע אותם אכלסו הועפו לחלל לאחר הפגזות מטאוריטים כבדות. שני מקורות אפשריים לחיים, לפי גרסה זו, הם נוגה ומאדים. לפי השנייה, הם הובאו על ידי חוצנים, שזוהמו על ידם; ולפי השלישית, הם נוצרו מחוץ למערכת השמש. ניסויים ב-LDEF, אששו את הטענה שנבגי מיקרואורגניזמים מסוימים יכולים לשרוד מעבר מהיר מעין זה לחלל, ויכולים לשרוד בתנאי הקרינה הגבוהים שבו במשך כ-5.7 שנים לכל הפחות. בקהילה המדעית אין קונצנזוס בנוגע לאפשרות קיומם של יצורים חיים על כוכבי לכת אחרים.
מצעי החיידקים.
מצעי החיידקיים נמנים עם הצורות המוקדמות ביותר של מערכות אקולוגיות. מדובר בצברים מרובי שכבות של חיידקים ממינים שונים, בעובי של מספר מילימטרים; באזורים שונים של מצעים אלו ישנם תנאים כימיים שונים, ולכן כל אזור מתאים לסוג אחר של מיקרואורגניזמים. במצעים אלו אף נוצרת מעין "שרשרת מזון", כאשר חיידקים מסוימים משתמשים בתוצרי הלוואי של חיידקים ממינים אחרים כמזון. סטרומטוליטים מהווים דוגמה למצעים מעין אלה: ככל הנראה, הם נוצרו על ידי קהילות ממינים שונים של חיידקים, שעם הזמן, נדדו מעלה באיטיות כדי למנוע את מותם מהמשקעים שהתגבשו במים. גילם של הסטרומוליטים המוקדמים ביותר, שנמצאו ב-2006, עומד על 3.5 מיליארדי שנים. פרשנות זו עוררה דיון נרחב בקהילה המדעית, כאשר יש המפקפקים בתקפותם של "מאובנים" מ-3 Ga ולפני כן, וטוענים שהסטרומוליטים היו עשויים להיווצר גם בתהליכים לא-ביולוגיים.