Historia życia na Ziemi obejmuje kilka miliardów lat, od powstania pierwszych organizmów do gatunków jakie istniały i istnieją dzisiaj. Z wyjątkiem ostatnich kilku tysięcy lat, historia życia na Ziemi jest rekonstruowana metodami pośrednimi (np. proxy).

Najstarsza znana ziemska materia pochodzenia biogenicznego datowana jest na 3,7 mld lat (grafit w przeobrażonych skałach osadowych z zachodniej Grenlandii, 2014) i 3,48 mld lat (piaskowiec znaleziony w Australii Zachodniej, 2013). W 2016 roku odkryto także prawdopodobne pozostałości sinic- stromatolity. Inni badacze sądzą jednak, że nie są to ich pozostałości, tylko "pseudostromatolity" W 2014 roku odkryto także cyrkon mający 4,1 mld lat, w którym znajduje się grafit. Według niektórych badaczy jest on pozostałością po organizmach żywych z tamtego okresu.

Niektóre wydarzenia powstania i rozwoju życia na Ziemi są dobrze udokumentowane, inne są przedmiotem sporów wśród biologów. W miarę uzyskiwania nowych danych obraz ulega zmianom.

W zrozumieniu historii życia na Ziemi dużą rolę odegrała biologia. Biologia współczesna rozwinęła się w XIX wieku, wraz z dyskusjami na temat przebiegu ewolucji (lamarkizm, darwinizm), powstaniem chemii organicznej, oraz słynnym doświadczeniem Pasteura, w którym wykazał on, że wszystkie komórki powstają z innych komórek. Wcześniejsze hipotezy nie wyjaśniały w sposób naukowy powstania pierwszej komórki i procesu jej ewolucji aż do współczesnej różnorodności życia.

Jako że podstawowymi źródłami informacji były współczesne organizmy oraz skamieniałości organizmów dawnych, dość szybko zarysowany został obraz zależności między głównymi grupami zwierząt i roślin. Obraz ten zbudowany był w dużej mierze na spekulacji opartej jedynie na morfologii organizmów i choć poprawnie przedstawiał pewne zależności, zawierał też wiele poważnych błędów. Do wydarzeń mających największy wpływ na wiedzę o historii życia należą powstanie genetyki oraz eksperyment Stanleya Millera, w którym wykazał on, że substancje organiczne mogły samoistnie tworzyć się na wczesnej Ziemi. Przełomowe było również rozpowszechnienie się komputerów, dzięki którym możliwe stały się obliczenia niedostępne dla XIX-wiecznych badaczy, takie jak analizowanie funkcji białek przeszłych organizmów, których strukturę znamy dzięki genom ich współczesnych potomków.

Źródła Choć obecnie najważniejszym źródłem wiedzy o historii życia są badania genetyczne współcześnie żyjących organizmów, historycznie głównym źródłem wiedzy o historii życia były skamieniałości. Jedną z najważniejszych zalet skamieniałości jest możliwość precyzyjnego określenia bezwzględnego wieku skamieniałych organizmów na podstawie wieku warstwy osadowej w której zostały znalezione. Drugą jest możliwość badania organizmów, które nie mają żadnych współcześnie żyjących potomków, tak jak np. wiele grup dinozaurów.

Z badaniem tego typu substancji wiążą się jednak niedoskonałości: Skamieniałości jest bardzo niewiele. Typową sytuacją jest posiadanie jedynie kilku niekompletnych szkieletów dla całej dużej grupy zwierząt. Skamieniałości tworzą się ekstremalnie nierównomiernie. Duże organizmy o twardych szkieletach są reprezentowane w miarę dobrze, organizmy niewielkie i bez szkieletów w bardzo niewielkim stopniu. Skamieniałości jednokomórkowców są wyjątkowo rzadkie. Skamieniałości dostarczają bardzo niewielkiej ilości informacji, praktycznie wyłącznie o kształcie organizmu. Na tej podstawie można lepiej lub gorzej odtworzyć wiele innych cech, np. o trybie życia, jednak uzyskanie wielu informacji pozostaje zupełnie niemożliwe tą metodą. Choć datowanie poszczególnych skamieniałości jest precyzyjne, są one wyjątkowo mało użyteczne w datowaniu powstawania i wymierania grup organizmów oraz ewolucji poszczególnych ich cech. Np. jeśli dana grupa żyła od 100 do 200 milionów lat temu i dysponujemy jedynie kilkoma jej skamieniałościami, to prawdopodobnie znacznie ograniczymy czas jej występowania. Np. jeśli dysponujemy tylko czterema, datowanymi na 114, 118, 133 i 152 milionów lat, czas występowania tej grupy oszacujemy na ponad dwukrotnie krótszy niż rzeczywisty. Mając tak niepewne datowania praktycznie niemożliwe jest wyciąganie jakichkolwiek wniosków, np. która z grup pojawiła się wcześniej bądź wymarła później. Ponieważ jedyne co znamy to szkielet bądź jego fragmenty, wiele zmian będzie niezauważonych. Np. pierwsze organizmy blisko spokrewnionych grup A i B prawdopodobnie wyglądały podobnie, więc nawet dysponując skamieniałościami możemy datę ich dywergencji wyznaczyć błędnie. Ewolucja organizmów jednokomórkowych nie pozostawiła praktycznie żadnego śladu w skamieniałościach.

Bardziej zaawansowana metoda wykorzystuje dane z genów współczesnych organizmów. Porównując sekwencje genetyczne możliwe jest ustalenie składu drzew ewolucyjnych. Na podstawie drzew genetycznych potrafimy wyznaczać momenty powstania poszczególnych grup organizmów i poszczególnych cech. Informacje o względnej kolejności pojawiania się poszczególnych cech są bardzo dobre, ale dość słabo wypadły próby bezwzględnej oceny czasu różnych wydarzeń. Idea zegara molekularnego jest następująca: większość zmian sekwencji par zasad w DNA nie wpływa na funkcjonalność genów. Np. dwie trójki zasad mogą kodować ten sam aminokwas. Takie zmiany powinny więc się losowo akumulować w stałym tempie. Okazało się jednak, że tempo to wcale nie jest stałe, i obecnie używane modele są o wiele bardziej skomplikowane. Zwykle używa się więc zegarów genetycznych o nierównomiernych tempach zmian kalibrowanych na podstawie danych pochodzących z badań skamieniałości. Główną zaletą jest większa ilość dostępnych w ten sposób informacji, lepsza równomierność oraz związek z o wiele większą ilością cech – praktycznie wszystkie cechy organizmu są zdeterminowane genetycznie. Do wad należy niemożliwość badania wymarłych grup organizmów.

Układ Słoneczny

Wiek Ziemi, jedynej znanej nam planety, na której występuje życie, szacowany jest na 4,5 miliarda lat. Należy ona do Układu Słonecznego liczącego niewiele więcej, bo ok. 5 miliardów lat. Słońce powstało w wyniku kondensacji istniejących w przestrzeni kosmicznej chmur materii, natomiast planety powstały z ciężkich pierwiastków powstałych w wyniku wybuchu supernowej.

Większość planet Układu Słonecznego nie nadaje się do zamieszkania przez życie podobne do tego, które znamy. Są albo zbyt zimne albo zbyt gorące, żeby występowała na nich płynna woda. Wiele z nich posiada bardzo rozrzedzoną atmosferę. Planety większe od Ziemi często mają zbyt gęste atmosfery, mniejsze łatwo je tracą. Być może jednak nie zawsze tak było – niektórzy naukowcy uważają, że Mars kiedyś był znacznie bardziej przyjazny życiu z gęstszą atmosferą i wodą występującą na powierzchni. Życie mogło też rozwinąć się w korzystniejszych warunkach pod powierzchnią planety. Są to jednak na razie tylko spekulacje i jedyną planetą, na której na pewno istniało i istnieje życie, jest Ziemia.

Pochodzenie życia na Ziemi

thumb|Porównanie kwasu rybonukleinowego (RNA) i kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA). Wczesna Ziemia nie wyglądała tak jak teraz. Oczywiście pozbawiona była organizmów żywych, a zatem wszystkich skutków ich działalności takich jak powszechne obecnie skały osadowe pochodzenia organicznego czy erozja gleb wywołana działaniami organizmów. Układ kontynentów też był zupełnie inny. Jednak różnice nie dotyczyły jedynie kształtu powierzchni – ważną różnicą było to, że atmosfera miała charakter redukujący, nie zaś utleniający jak dzisiaj. Składała się ona z elementów takich jak azot, para wodna, metan, dwutlenek węgla i tlenek węgla. Chociaż nie ma konsensusu wśród naukowców co do dokładnego składu wczesnej atmosfery, wiadomo że nie zawierała ona prawie wcale wolnego tlenu.

We współczesnej atmosferze tlenu i azotu nie tylko nie formują się spontanicznie związki organiczne (bo nie zawiera ona węgla, i jedynie bardzo nieznaczne ilości wodoru w postaci pary wodnej), ale wiele z nich rozkłada się reagując z tlenem. Zupełnie inaczej było jednak w pełnej związków węglowych atmosferze redukującej – pod wpływem wyładowań atmosferycznych, temperatury i innych czynników samorzutnie formowały się stanowiące podstawę życia związki organiczne.

Najstarszym organizmem, który potrafimy dobrze odtworzyć analizując geny współczesnych komórek jest ostatni uniwersalny wspólny przodek, czyli ostatni wspólny przodek wszystkich ziemskich organizmów, zwany LUCA. Jest on bardzo złożoną komórką – posiadał materiał genetyczny w postaci RNA i DNA, rybosomy, syntezował białkowe enzymy, które katalizowały setki reakcji koniecznych w metabolizmie (najprawdopodobniej chemoautotroficznym) oraz syntezie elementów komórki.

Historia życia pomiędzy martwym oceanem pełnym związków organicznych a LUCA jest jednak pełna zagadek. Współczesne życie ma kilka cech – składa się ze zbudowanych z różnych substancji organicznych zamkniętych półprzepuszczalnymi błonami komórek, które posiadają materiał genetyczny i wykazują metabolizm. Pełne wyjaśnienie powstania życia powinno podać kolejność powstawania tych cech. Takiej pełnej teorii nie ma, ale o kilku względnych kolejnościach możemy powiedzieć, że coś wiemy: Proste substancje organiczne powstawały spontanicznie zanim powstały jakiekolwiek inne cechy życia. DNA powstało później niż RNA i białka. Komórki mogły powstać albo bardzo wcześnie, jak koacerwaty według teorii Oparina, gdzieś pośrodku procesu powstawania życia, lub nawet już po LUCA. Ta ostatnia teoria opiera się na obserwacji, że lipidy błon bakteryjnych i eukariotycznych oraz lipidy błon komórek Archea nie są ze sobą genetycznie powiązane (choć problem ten ma też inne wyjaśnienia). Nie wiadomo czy pierwsze były geny czy metabolizm. Według teorii pierwszeństwa genów, życie wywodzi się z przypadkowo powstałej cząsteczki katalizującej własne powielanie (replikatora). Powielaniu się i mutowaniu nagiego replikatora z czasem zaczęło towarzyszyć coraz więcej różnorodnych reakcji, uorganizowanych w prymitywny metabolizm, ułatwiający kopiowanie. Według teorii pierwszeństwa metabolizmu, pierwsze życie było agenetyczne. Do kandydatów należą tu porowate skały siarczku żelaza, koacerwaty, czy też różne modele oparte na chemii tioestry. Według nich geny powstały w takich środowiskach wykazujących już metabolizm i nagi replikator nigdy nie istniał. RNA najprawdopodobniej powstało wcześniej niż białka. RNA potrafi spontanicznie się powielać, a białka nie powielają się, a jedynie są syntezowane na podstawie RNA. RNA potrafi też katalizować reakcje chemiczne, dlatego nadaje się zarówno do modeli z pierwszeństwem genów (nagie RNA), jak i z pierwszeństwem metabolizmu (RNA w środowisku metabolizującym). Jest to tzw. świat RNA. Być może przed światem RNA istniała jakaś wcześniejsza faza. Niektóre teorie postulują przejście od świata tioestrów do RNA. Inne na pierwszy nośnik informacji genetycznej wybierają PNA.

Alternatywną teorią jest hipoteza panspermii, według której życie przybyło na Ziemię z kosmosu w postaci unoszących się w przestrzeni kosmicznej przetrwalników bakterii. Wiemy, że przetrwalniki potrafią przetrwać w bardzo rozrzedzonej atmosferze na wysokości kilkudziesięciu kilometrów, i że dość niewielkie ilości skały w bardzo dużym stopniu ograniczają negatywne skutki występującego w przestrzeni kosmicznej promieniowania na ich materiał genetyczny. Tak więc mogłyby one teoretycznie przenosić się np. w meteorytach i ożywić w korzystnych warunkach na innej planecie.

Teoria panspermii jest jednak obecnie niezbyt popularna, gdyż potrafimy odtworzyć historię życia daleko poza fazę wczesnej komórki bakteryjnej, których to etapów panspermia nie wyjaśnia. Panspermia próbuje wyjaśnić jedynie powstanie życia na Ziemi, nie życia jako takiego – trudne problemy zostają jedynie przeniesione na inną planetę.

Trzy domeny Wszystkie istniejące współcześnie komórki można pogrupować w 3 grupy: bakterie archea eukarionty