היסטוריה אבולוציונית של החיים

היסטוריה מוקדמת של כדור הארץ

רסיסי המטאוריטים המוקדמים ביותר שנמצאו נכון לשנת 2001 הם מ-5.45 Ga בקירוב; ממצאים אלה, נוסף להערכות המבוססות על תיארוך של מרבצי עופרת, גרמו למדענים להעריך שכדור הארץ נוצר בתקופה זו בקירוב. הרכבו של הירח זהה לזה של קרום כדור הארץ, אבל הוא חסר ליבה עשירה בברזל כמו זו שבכדור הארץ. ישנם מדענים רבים שטוענים שכ-40 מיליוני שנים לאחר היווצרות כדור הארץ, התנגש בו מטאוריט ענק, שגרם לחלק מהקרום להתנתק מכדור הארץ, להיכנס למסלול סביבו ובסופו של דבר, ליצור את הירח. לפי השערה נוספת, הירח וכדור הארץ נוצרו באותו פרק זמן בקירוב, אך בשל כוח המשיכה החזק של הארץ, כמעט כל חלקיקי הברזל התקבצו אליה.
עד 2001, הסלעים העתיקים ביותר על פני כדור הארץ תוארכו ל-3.8 מיליארדי שנים לפני זמננו, והביאו את המדענים למסקנה שקרום הארץ לא התגבש עד אז. העידן שבא בין היווצרות הארץ לבין התגבשות הקרום שלה כונה על ידם האדן על שם האדס, אל המוות. למרות זאת, בעקבות בדיקה של מרבצי זירקון שנוצרו ב-4.4 Ga, התברר שקרום כדור הארץ התגבש כ-100 מיליוני שנים בלבד לאחר היווצרותו, מה שהביא להיווצרותם המהירה של אוקיינוסים ואטמוספירה. אלו אפשרו, כבר בתקופה זו, היווצרות חיים על פני כדור הארץ.
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 ביצורים 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.

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 גופריתי, 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 הנו 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.

יישוב הקרקע

יישוב הקרקע הצריך שינויים נרחבים באורגניזמים שהשתתפו בו: הם נאלצו לפתח מנגנונים שימנעו מהם למות מיובש או מהחום השורר על פני השטח; התהליכים הכימיים באברוניהם היו צריכים להתחשב כעת, בלא כוח העילוי הפועל במים, בכבידה מלאה; ובנוסף לכך, הוצרכו שינויים במערכת הנשימה ובמערכת המין (בעקבות אי-הימצאותם של זרמי מים שיפגישו בין תאי הזרע לתאי הביצית).
אף על פי שהעדויות האמינות המוקדמות ביותר להימצאותם של בעלי חיים וצמחים שוכני-יבשה הן מהתקופה האורדוביקינית (בין 488 ל-444 למ"ש בקירוב), וככל הנראה היו כאלו גם בתקופות מוקדמות יותר, מערכות אקולוגיות יבשתיות דומות לאלו הקיימות היום הופיעו רק בסוף תור הדבון (385 עד 359 למ"ש).
עד לפני שנת 1999, היו בנמצא מאובנים של בעלי הסנפירים הבשרניים שנמצאו עד אז ותוארכו ללפני כ-390-380 מיליון שנים, וכן המאובנים העתיקים ביותר שנמצאו עד אז של יצורים בעל ארבע רגליים שתוארך ללפני 363 מיליון שנה, אך הייתה חסרה למדענים החוליה המקשרת. בשנת 1999 ביצע צוות חוקרים אמריקאי חיזוי על פי תורת האבולוציה, ועל פי ממצאים נוספים דוגמת מפות גאולוגיות, והעריך שיימצאו מאובני מעבר אלו באזור הארכיפלג הארקטי הקנדי, ואלו אכן נמצאו לאחר 5 שנים של מחקר באזור. היצור שנמצא במאובנים כונה טיקטאליק, וסווג כחוליה המקשרת בין דגים לבין בעלי ארבע הרגליים.
בשנת 2017, התגלה בעל החיים היבשתי המוקדם ביותר לכאורה, במרבץ צורן ממערב אוסטרליה.