Ученые считают, что первые примитивные клетки (прокариоты) появились в водной среде Земли 3,0 – 3,5 млрд. лет назад. Они питались синтезированными абиогенно органическими веществами или менее удачливыми своими собратьями; энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения, т.е. были анаэробными гетеротрофами. Отбор среди клеток велся на способность получать энергию и вещества из окружающей среды более эффективным путем и обращать их на создание потомства.
При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности, т.е. к синтезу органических веществ из неорганических за счет реакций окисления и восстановления. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии. Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света – фотосинтез. Для первых фотосинтезирующих бактерий источником электронов был сероводород (H2S). Значительно позже у цианобактерий (синезеленых водорослей) развился более сложный процесс получения электронов из воды. В результате в качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ. Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного симбиоза, эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга в пределах общей клеточной мембраны (рис. 1.5). Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов, а возможно, и жгутиков от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размерам анаэробной клетки. Объем эукариотических клеток по сравнению с прокариотическими, как правило, в 1000 раз больше. Соответственно в эукариотических клетках больше разнообразного клеточного материала. Глубокие преобразования в строении и функционировании значительно увеличили эволюционные возможности эукариот, которые, появившись всего 0,9 млрд. лет назад, смогли достигнуть многоклеточного уровня и сформировать современную флору и фауну. Для сравнения следует сказать, что с момента появления первых прокариотических клеток (3,5 млрд. лет назад) до появления первых эукариотических клеток потребовалось около 2,5 млрд. лет.