אבולוציה של תאים
האבולוציה של המטבוליזם

היכולות המטבוליות של תאים התפתחו במסלולים רבים. המטבוליזם הראשוני של התאים אפשר הפקה של אנרגיה וסינתזה של אבני בניין ראשוניים (Primary metabolite) למטרות גדילה ולחלוקה של התאים. התפתחות מסלולים מטבוליים נוספים אפשרו התפתחות אמצעי הגנה כנגד הסביבה החיצונית, כגון רעלנים (Toxins). תהליכים אלה קרויים תהליכים מטבוליים משניים (Secondary metabolite). האבולוציה של המטבוליזם התוך-תאי היא תוצאה של התפתחות האברונים השונים בפרוקריוטה ובאיוקריוטה.
התא הפרוקריוטי הוא תא פשוט יחסית הבנוי מציטופסלזמה בה נמצא נוקלאואיד האחראי על ייצור חלבוני התא. התא הפרוקריוטי עטוף בממברנה בררנית המווסתת את תהליכי העברת חומרים אל התא ומתוכו. התא הפרוקריוטי מצויד בדופן תא סביב הממברנה, אשר מקנה יציבות ועמידה בפני שינויי לחצים אוסמוטיים. לעיתים, סביב דופן התא מצויה קפסולה רירית פוליסכרידית, המקנה לתא הגנה בפני חומרים זרים ואמצעי אחיזה טובה למשטחים. לחלק מהתאים הפרוקריוטיים יש שוטון אחד או יותר במקנה לתא את היכולת לנוע לכיוון מקורות מזון ולהתרחק מחומרים טוקסיים' תהליך הקרוי כמוטקסיס. על פני התא הפרוקריוטי יש גם שלוחות דקיקות הקרויות פילי (Pilus) המקנות לו כושר אחיזה על משטחים ומאפשרות לו ליצור ביופילמים. הביופילמים מהווים מערכת אקולוגית עצמאית המאפשרת קיום אוכלוסיות מעורבות של חד-תאיים בתנאי קיצון.
בתא האיוקריוטי ישנם אברונים רבים נוספים, בעלי תפקידים מגוונים, המאפשרים מטבוליזם יעיל. התמיינות של התאים העובריים הראשוניים והפיכתם לרקמות מתרחשת הודות ליכולת הביטוי הגנטי הטמון בגנים. בתהליך ההתמיינות התאית חלים שינויים משמעותיים בגודל ובמבנה של התאים, בפעילות המטבולית שלהם, בתגובתם לאיתותים חיצוניים ובתפקודי קרום התא.
בממלכת הפרוטיסטה, השייכת לעל-ממלכת האיוקריוטיים, רוב היצורים הם חד-תאיים ומיעוטם רב-תאיים חסרי יכולת להתארגן ברקמות. בשלוש הממלכות האחרות - פטריות, צמחים ובעלי-חיים מצויים יצורים רב-תאיים בעלי יכולת לבנות רקמות. ארגון רב-תאי של יצורים חד-תאיים התרחש כנראה לפני 3-3.5 מיליארד שנים, על ידי הכחוליות - הציאנובקטריה . ההשערה המדעית היא כי הארגון הרב-תאי של תאים בעלי מבנה דומה הקרוי clonal multicellularity, התרחש עקב כוחות אדהזיה בין תאים דומים. כך נוצרו צבירי תאים בעלי תכונות דומות שהקנו להם יכולת איסוף מידע מן הסביבה בצורה טובה יותר מתא בודד, למשל, על ידי פיתוח כימוטקסיס למקורות אנרגיה, המאפשר ניצול מקורות מזון יעיל יותר. הצבר הרב-תאי מקנה הגנה טובה יותר לחלק מתאי הצבר, לעומת התא הבודד החשוף לתנאים חיצוניים. כיום, ניתן לראות כי בבעלי חיים התפתחו סוגי תאים רבה יותר בהשוואה לצמחים. אפשרות נוספת היא יצירת צבר רב-תאי אשר מורכב מתאים ממקורות שונים, אשר מקנים לו תכונות מגוונות. בעוד שבצמחים ידועים כ־10-20 סוגי תאים, הרי שבבעלי-חיים התפתחו כ-100–150 סוגים של תאים.
האבולוציה של המטבוליזם התוך-תאי היא פרי ההסתגלות לסביבה החיצונית על ידי צברי תאים. על פי ההשערה, התאים הראשונים שהתפתחו על פני כדור הארץ היו תאים אוטוטרופיים המסוגלים ליצור מולקולות אורגניות מגז דו-תחמוצת הפחמן ששימש כמקור לפחמן ומים, בתהליכי פוטוסינתזה או בראקציות כימיות של מולקולות אי-אורגניות. בהמשך האבולוציה, התפתחו התאים ההטרוטרופיים, אשר מסוגלים להשתמש בחומרים אורגניים המיוצרים על ידי מיקרואורגניזמים אחרים, אך אינם מסוגלים ליצור חומרים אורגניים מחומרים אי-אורגניים. מקור האנרגיה של תאים הטרוטרופיים הוא מאורגניזמים הטרוטרופיים אחרים או מאורגניזמים אוטוטרופיים. כך התפתחו התאים הספרופיטיים, שמסוגלים להתקיים על חומרים אורגניים שהשתחררו מאורגניזמים אחרים והתפרקו למולקולות הניתנות לספיגה. כך התפתחו גם התאים הפגוטרופיים שמסוגלים לבלוע חלקיקים ולפרק אותם, ולבלוע חלקיקים בתהליך של פגוציטוזה. על פי תאוריה אחרת, התאים הראשונים היו התאים הטרוטרופים שהתפתחו באוקיינוסים הקדומים, שהיו עשירים בחומרים אורגניים שנהנו מריבוי של ראקציות כימיות בטמפרטורות גבוהות.