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Die Entstehung des Lebens umfasst die chemische Evolution, bei der unter den reduzierenden Bedingungen der Uratmosphäre organische Moleküle entstanden, die im Miller-Urey-Experiment nachgewiesen wurden. Die RNA-Welt-Hypothese und Protobionten erklären die Entwicklung von Selbstreplikation und Zellabgrenzung. Die Endosymbiontentheorie beschreibt den Übergang zu komplexen eukaryotischen Zellen mit Organellen wie Mitochondrien und Plastiden, die durch eigene DNA und Doppelmembranen belegt sind.
Die Chemische Evolution markiert den Zeitraum vor etwa 4 Milliarden Jahren, in dem aus einfachen anorganischen Verbindungen komplexe organische Moleküle entstanden. Die damalige Uratmosphäre war reduzierend, das heißt, sie enthielt keinen freien Sauerstoff (O2), sondern Gase wie Methan (CH4), Ammoniak (NH3), Wasserstoff (H2), Wasserdampf (H2O) und Kohlenmonoxid (CO). Die präbiotische Synthese lief in drei Schritten ab: zuerst bildeten sich einfache organische Moleküle aus Anorganischen, daraus entstanden Grundbausteine wie Aminosäuren und Nukleotide, und schließlich verknüpften sich diese zu komplexen Polymeren wie Proteinen und Nukleinsäuren.
Im berühmten Miller-Urey-Experiment (1953) wurde eine Atmosphäre aus Wasser, Methan, Ammoniak, Wasserstoff und Kohlenmonoxid in einer Glasapparatur nachgestellt. Durch Energiezufuhr in Form von elektrischen Entladungen (Simulation von Blitzen) und anschließende Kühlung entstand ein 'Miniaturmeer'. Nach einer Woche fanden sich darin eine Vielzahl organischer Verbindungen, darunter Aminosäuren, Carbonsäuren und Lipide. Dies bewies, dass die Bausteine des Lebens unter abiotischen (nicht-lebendigen) Bedingungen entstehen können.
Ein zentrales Problem der frühen Evolution war die Frage, was zuerst da war: Information (DNA) oder Katalysatoren (Proteine). Die RNA-Welt-Hypothese schlägt vor, dass RNA das erste Biopolymer war. RNA kann nämlich sowohl Erbinformation speichern als auch als Ribozym (ein RNA-Molekül mit enzymatischer Aktivität) chemische Reaktionen beschleunigen.
Die chemische Evolution durchlief vier postulierte Stadien: (1) Abiogene Synthese und Anreicherung von Biomonomeren, (2) Verknüpfung zu polymeren Makromolekülen, (3) Verpackung in Protobionten – hypothetische Vorläufer prokaryotischer Zellen, die durch eine einfache Membran aus Lipiden einen abgeschlossenen Reaktionsraum bildeten und bereits einfachen Stoffwechsel und Erregbarkeit aufwiesen, jedoch keine exakte Reproduktion. (4) Entstehung selbst replizierender Moleküle (RNA), die Vererbung ermöglichten.
Der Übergang von einfachen prokaryotischen Zellen (Zellen ohne Zellkern) zu komplexen eukaryotischen Zellen (Zellen mit Kern) wird durch die Endosymbiontentheorie erklärt. Erste Prokaryoten entstanden bereits vor 3,5–4 Milliarden Jahren. Die Theorie besagt, dass kleinere Prokaryoten von größeren aufgenommen wurden und eine Symbiose eingingen (Endosymbiose: eine Zelle lebt in einer anderen zum beidseitigen Vorteil). Aus diesen Symbionten entwickelten sich Mitochondrien und Plastiden (z. B. Chloroplasten). Belege dafür sind: eigene, ringförmige DNA (mtDNA) ohne Histone, die in der Größe Bakterien-DNA ähnelt; eigene Proteinsynthese mit prokaryotenähnlichen Ribosomen (70S, bzw. 55S bei tierischen Mitochondrien, statt 80S der Wirtszelle); Vermehrung durch Teilung; und eine Doppelmembran, deren äußere der Wirtszelle und deren innere bakteriellen Membranen entspricht. Mitochondrien werden maternal vererbt.
Charles Darwin legte mit seinem Werk 'On the Origin of Species' den Grundstein für die moderne Evolutionstheorie. Seine Theorie basiert auf drei Hauptpfeilern: Variation (Individuen einer Art unterscheiden sich), Reproduktion (es werden mehr Nachkommen erzeugt als überleben) und Selektion (Individuen, die besser an ihre Umwelt angepasst sind, überleben häufiger – 'Survival of the Fittest').
Im Gegensatz zur Biogenese, die besagt, dass Leben heute nur aus bereits existierendem Leben entstehen kann (Omne vivum ex vivo), beschreibt die Abiogenese die einmalige Entstehung von Leben aus unbelebter Materie unter den extremen Bedingungen der frühen Erde. Bis ins 19. Jahrhundert hielt sich der Glaube an spontane Urzeugung, bis Louis Pasteur experimentell nachwies, dass Lebewesen nur aus vorhandenen Lebensformen hervorgehen.
