Con evoluzione della vita si intende la cronologia dei cambiamenti che, nel tempo, da un pianeta abiotico hanno portato all'attuale ricchezza di esseri viventi.
La teoria dell evoluzione delle specie è un pilastro fondamentale della biologia moderna, sostenuta validamente dall'osservazione sperimentale. Si basa su prove paleontologiche, embriologiche di comparazione anatomica e di caratteristiche biochimiche degli organismi.
Per quanto ora noto, la vita biologica esiste soltanto sul pianeta Terra, terzo del Sistema solare, adatto per temperatura, pressione e irraggiamento elettromagnetico alla stabilità fisico-chimica delle molecole organiche che sono alla base di tutte le forme di vita biologica finora conosciute. Nulla si oppone teoricamente alla vita biologica in altre regioni dell'universo, se fisicamente adatte, e nulla si oppone, se fondato sulle leggi fisiche, a un concetto più esteso di vita come un sistema altamente organizzato, in grado di contrastare l'aumento di entropia del proprio sistema, potenzialmente in grado di evolvere, e di riprodurre se stesso.
L'esobiologia o xenobiologia è quella branca della biologia che si occupa dello studio sulle possibilità di vita extraterrestre, aumentate in seguito alla scoperta dei pianeti extrasolari alla fine del XX secolo.
Sintesi dei quattro miliardi di anni circa precedenti all'epoca attuale
Questa sintesi si riferisce principalmente alla linea evolutiva che comincia con la nascita della vita e si conclude con l'epoca attuale, l'Olocene. Il processo filogenetico è per sua stessa natura ramificato, e la sua interpretazione non è lineare, ma richiede riferimenti a ramificazioni e teorie scientifiche alternative. Durante questo periodo si originano e si evolvono contemporaneamente tutti i cinque o sei (a seconda degli schemi classificatori adottati) regni dei viventi, comprendenti gli organismi complessi che popolano il pianeta; così pure proseguiranno nella loro evoluzione ed adattamento i viventi unicellulari.
Va notato che la necessità dell'analisi scientifica di gerarchizzare, categorizzare, e dividere in unità tassonomiche il vivente non è che uno strumento utile alla comprensione dei fenomeni. L'evoluzione della vita è un fenomeno senza soluzione di continuità, dove l'unità elementare è il singolo organismo. Questo fatto spiega la velocità di cambiamento delle classificazioni di alcuni gruppi, in fattispecie ai livelli inferiori della complessità evolutiva, dove il concetto di specie è necessariamente più fluido, in particolare in assenza di riproduzione sessuale.
Nonostante la singolarità indubbia dell'individuo biologico, al di là di ogni teoria, si definisce speciazione, o evoluzione di una nuova specie il fenomeno per cui una popolazione diventa riproduttivamente isolata dagli altri membri della stessa specie, e quindi il suo pool genico (l'insieme degli alleli di tutti i geni presenti in una popolazione) si diversifica a tal punto da generare caratteristiche adattative uniche. Teorie evolutive contrapposte (del gradualismo filetico e degli equilibri punteggiati) che probabilmente coesistono in natura, cercano di definirne i meccanismi.
Lo studio delle popolazioni e delle loro condizioni di equilibrio genetico sono gli oggetti su cui si basa la legge di Hardy-Weinberg, (dal matematico inglese G. H. Hardy e il medico tedesco W. Weinberg) che permette di prevedere se in una popolazione si verificheranno mutamenti evolutivi. Questi avverranno se: intervengono mutazioni (e qui abbiamo la verifica sperimentale dell'evoluzione con il caso della poliploidia vegetale) intervengono migrazioni le dimensioni numeriche sono ridotte (deriva genetica) gli accoppiamenti non sono casuali agisce la selezione naturale Anche se il concetto di specie non risolve completamente casi di speciazione allopatrica riguardante le popolazioni fisicamente separate tra loro, la specie continua ad essere un utile strumento in mano alla scienza.
Il pianeta Terra si formò circa 4,54 Ga (miliardi di anni fa), relativamente poco tempo dopo l'origine stessa del Sistema solare.
Le prime molecole organiche complesse formatesi con meccanismi oramai noti dall'atmosfera primordiale (la genesi delle prime molecole complesse è stata per la prima volta studiata sperimentalmente nell'Esperimento di Miller-Urey), portarono, attraverso processi non ancora univocamente accettati dalla comunità scientifica, al periodo Archeano, il cui inizio viene posto con l'origine della vita.
Le teorie sul passaggio dalle prime molecole complesse a sistemi in grado di riprodurre se stessi sono ancora in continua elaborazione. Vi è un generale accordo sull'ipotesi che in questo periodo una famiglia di polimeri organici acquisì la capacità di autoreplicarsi e propagarsi nell'ambiente primordiale.
I primi organismi I pro-procarioti, le monere da cui discendono gli attuali archei, sono padroni del pianeta. La loro veloce comparsa è all'origine oggi di ampi dibattiti scientifici. La vita si sviluppa e inizia a evolversi unicamente nelle acque, l'atmosfera terrestre è abiotica.
Le teorie classiche considerano i primi organismi come eterotrofi, che traggono cioè il proprio nutrimento dalle sostanze complesse già presenti nell'ambiente. Recenti scoperte propendono per un'autotrofia forse chemiosintetica. Si ritiene siano inoltre organismi anaerobici, sia per motivi di primitività del metabolismo, sia per la presenza di un'atmosfera terrestre fortemente riducente.
In ogni caso il veloce consumo ed il conseguente calare della concentrazione di nutrienti nell'ambiente spinge precocemente una parte degli organismi verso l'autotrofia. Un punto differente di vista inizialmente para-scientifico, ma che si presta ad essere indagato, dopo l'evidenza di molecole organiche nei nuclei cometari è quello della Panspermia.
Le tracce dei procarioti si ritroveranno nelle rare rocce del periodo primario non occorse in eccessivi metamorfismi.
In questo periodo la strategia di sopravvivenza dei viventi si organizza per utilizzare l'energia di legame chimico proveniente da svariate forme di molecole. La strategia è dunque volta ad una diversificazione degli organismi in senso biochimico. Gli organismi al di là di questa diversificazione sono strutturalmente semplici, anche a livello cellulare. Il materiale genetico, probabilmente non è ancora separato in un nucleo cellulare definito.
Molto tempo dopo, tra 2 e 1,5 Ga compaiono i primi eucarioti, e si va intanto incontro all'evoluzione di un'atmosfera ossidante, frutto dell'intensa fotosintesi clorofilliana iniziata da 3,5 a 2,8 Ga ad opera dei cianobatteri o alghe azzurre monocellulari.
Aumenta la complessità degli organismi, seppure a livello di strutture cellulari ed il materiale genetico in qualche gruppo viene ad essere confinato in una struttura specifica, il nucleo. Sempre più organismi intanto sfruttano come fonte di energia la radiazione elettromagnetica proveniente dal sole invece dell'energia di legame chimico.
Si gettano le basi per un'atmosfera terrestre atta ad accogliere i viventi, anche per il consolidamento derivante da uno schermo ultravioletto operato dal sempre più abbondante ozono nella stratosfera.
Avviene la separazione dei primi micro organismi animali dal ceppo comune: si originano i regni dei viventi. La complessità delle cellule aumenta. Probabilmente organismi molto diversi entrano in simbiosi tra loro per costituire cellule fornite di strutture complesse deputate a compiti specifici; questa è la genesi più accreditata dell'origine dei mitocondri, e dei cloroplasti nelle cellule vegetali (Teoria dell'endosimbionte). Le loro funzioni sono deputate a questioni energetiche.
Da una a più cellule
Col tempo, questi primi micro-organismi evolveranno in organismi pluricellulari, come i poriferi da associazioni di precursori di flagellati coloniali, ed i precursori dei platelminti da precursori di protozoi ciliati plasmodiali (Hadzi)J. Hadzi, The Evolution of the Metazoa (Macmillan, New York, 1963) (l'ipotesi che siano sulla linea evolutiva dei vertebrati viene ancora dibattuta molecolarmenteScience 19 March 1999: Vol. 283. no. 5409, pp. 1919 - 1923 DOI: 10.1126/science.283.5409.1919 Acoel Flatworms: Earliest Extant Bilaterian Metazoans, Not Members of Platyhelminthes Iñaki Ruiz-Trillo,et al) così come pare anche per gli cnidari (von Graff).
La strategia di sopravvivenza passa ad aumentare la complessità dell'organismo tramite l'aumento del numero delle cellule tra loro associate. Alcuni gruppi cellulari assumeranno specifiche funzioni nell'economia globale dell'organismo. Si originano i diversi tessuti nei viventi.
Dai protisti in passato classificati come fitoflagellati seguendo una via che fa trarre energia agli organismi dalla radiazione elettromagnetica, anziché dal legame chimico delle molecole intanto evolveranno i vegetali, anch'essi sempre più complessi. Le linee evolutive delle piante, per questioni inerenti alla loro ecologia, sono meno note e più soggette a revisione scientifica.
Nel periodo Precambriano gli organismi pluricellulari conosciuti come metazoi raggiungono una notevole complessità, pur lasciando limitate testimonianze paleontologiche. Sono presenti cnidari (tracce di meduse fossili), poriferi (fossili di spicole), le possibili prime forme di brachiopodi, ed anche anellidi, organismi ad organizzazione segmentale (metamerici) (rinvenute gallerie fossili scavate dagli stessi).
Gli aceloidi primitivi, privi di celoma che origineranno gli attuali gruppi a cui appartengono i nemertini e gli aschelminti come i rotiferi preludono ai primi deuterostomi, che appaiono nel Precambriano. Sono organismi filogeneticamente collegati ai moderni echinodermi. I calcicordati, secondo altre classificazioni ascrivibili agli echinodermi eterosteli (stilofori, oggi estinti), animali a primitiva simmetria bilaterale, viaggiano verso la linea evolutiva diretta ai vertebrati (Jefferies 1975).Jefferies, R.P.S. and Jacobson, A.G. 1998. An episode in the ancestry of the vertebrates: from mitrate to crown−group chordate. Integrative Biology1: 15–132Sébastien Clausen, Andrew B. Smith. (2005) Palaeoanatomy and biological affinities of a Cambrian deuterostome (Stylophora). Nature 438:7066, 351Palaeontology Volume 46 Issue 3 Page 511Issue 3 - 555 - May 2003 Functional Morphology of Stylophoran EchinodermsDavid K. Jacobs, Nigel C. Hughes, Sorel T. Fitz-Gibbon and Christopher J. Winchell. (2005) Terminal addition, the Cambrian radiation and the Phanerozoic evolution of bilaterian form. Evolution & Development 7:6, 498–514 Altro parere, più condiviso dagli evoluzionisti, i lofoforati (primitivi) del Cambriano sono i precursori dei cordati e quindi dei vertebrati.
I celomati Questa linea evolutiva parte con un'organizzazione dell'organismo che prevede durante il suo sviluppo embrionale la formazione di una cavità interna viscerale, il celoma in cui sono contenuti gli organi interni. Gli organismi sono detti quindi celomati.
La linea evolutiva si biforcherà in breve tempo. Da una parte i celomati deuterostomi, diretti verso i vertebrati ed affini, dall'altra i protostomi diretti verso i molluschi e gli artropodi come aracnidi crostacei ed insetti. La differenza tra le due linee si riferisce a caratteristiche dello sviluppo embrionale. Nei protostomi il blastoporo originerà la bocca dell'adulto, nei deuterostomi originerà l'ano. Questa doppia linea evolutiva sarà destinata ad originare gli organismi più avanzati, e la struttura più complessa a livello funzionale esistente nell'universo conosciuto: il sistema nervoso degli organismi superiori.
Nel Cambriano, ancor prima che si registrino tracce dei cordati, sono molto diffusi organismi del gruppo dei protostomi che costituiranno gli artropodi, si tratta di trilobiti, e rari onicofori, che li mettono in relazione con i precursori comuni anche agli anellidi. I molluschi con cefalopodi e lamellibranchi si rinvengono diffusamente.