Niet alleen organismen zijn het resultaat van emergente evolutie, ook de niet-levende materie is er door gevormd. Dit biedt kansen voor interdisciplinaire samenhang met andere beta-vakken. De grote moleculen aan het begin van de abiogenese (RNA, eiwitten, lipiden) zijn opgebouwd uit kleinere verbindingen met waterstof (meest voorkomende stof in het heelal) en oxidatieproducten (kiezel, water, koolzuur, allerlei ‘vervuiling’). Ongeacht of de abiogenese op aarde of op een meteoriet plaatsvond, de ‘grote’ atomaire bouwstenen (C, O, N, S, F, enz.) waaruit de moleculen bestaan zijn altijd afkomstig uit interstellaire gaswolken. Door de explosieve kracht van supernova’s werden ze gevormd uit waterstof en helium, de stoffen waaraan sterren hun bestaan ontlenen (waterstoffusie).

   Aanvankelijk, miljarden jaren geleden, was het heelal geheel gevuld met waterstofatomen. Door onderlinge aantrekking vormden ze clusters die door de gravitatie steeds zwaarder en heter werden (stervorming). De waterstofatomen zelf zijn in de eerste miljoen jaar na de oerknal ontstaan doordat vrije elektronen gaandeweg permanent werden ‘ingevangen’ door losse kernen (door de duurzame ontkoppeling van fotonen werd het heelal toen transparant). De atoomkernen werden enkele minuten na de oerknal geboren uit samenklittende protonen en neutronen die niet langer door energierijke deeltjes uit elkaar werden geslagen. Op hun beurt werden de materiedeeltjes (hadronen) in de eerste seconde gevormd uit samensmeltende quarks onder invloed van de sterke wisselwerking (gluonen). Eerdere ontwikkelingen in de ontzaglijke hete en dichte Oersoep is onderwerp van theoretische speculatie, het noodzakelijke energieniveau kan in geen enkele deeltjesversneller op aarde worden bereikt.

   Het ontstaansproces van de materie mag dan buiten het examenprogramma vallen, als onderdeel van ‘big science’ en het emergentie paradigma mag het niet ontbreken. 

Vanwege wiskundige problemen werden concepten als antideeltjes en denkbeeldige tijd geïntroduceerd. Die had men liever dan een oorzaak in de toekomst zoals sommigen voorstelden. De steeds groeiende complexiteit op microniveau leek te worden veroorzaakt door een attractor die de tweede hoofdwet van de thermodynamica tegenspreekt. Deze negentropie of syntropie wordt wel beschouwd als een analogie van antimaterie en is wiskundig afgeleid van de vierkantswortel in de energie / momentum / massa-vergelijking die zowel een positieve (convergente) als negatieve (divergente) oplossing heeft. Deze syntropie is een intrigerend concept dat complexiteit kan veroorzaken via vreemde attractoren zoals in niet-lineaire dynamische systemen. Het concept wordt echter van nature omarmd door creationisten, waardoor het gebruik ervan ongemakkelijk wordt voor wetenschappelijke toepassing. De tweede wet van de thermodynamica is alleen van toepassing op geïsoleerde systemen, dus - tenzij een steeds groter wordend universum niet als een geïsoleerd systeem wordt beschouwd - is het gebruik van syntropie beperkt tot 'open' (energie-verwerkende) systemen, zoals levende organismen.

Autokatalyse

De organische evolutie op aarde kan worden beschouwd als een voortzetting van het thermodynamische principe van energie-transductie. Vanwege het onzekerheidsprincipe van Heisenberg en het uitsluitingsprincipe van Pauli, zou een hele reeks moleculen met hun substantiële kenmerken kunnen worden geproduceerd door louter grootte-variatie van de verschillende atomen en hun onderlinge elektronenuitwisseling. Een enorme verscheidenheid aan 'vrije' chemische verbindingen (tegenwoordig zijn ze meestal verankerd in organische structuur of proces) vergroot de kans op de aanwezigheid van katalysatoren die nog meer chemische structuren mogelijk kunnen maken. In een willekeurig mengsel van reagentia wordt vroeg of laat een katalysator gesynthetiseerd. Deze katalysator zal de verdere processen binnen het mengsel in een bepaalde richting leiden door willekeurige reacties tegen te gaan. Door autokatalytische en oscillerende reacties op gang te brengen, ontstaat er een onvermijdelijk proces.

   Een reconstructie van de oorsprong van het leven is hoogst hypothetisch, maar er zijn enkele onbetwistbare premissen. Om een entiteit als een levend wezen te definiëren, moet het aan ten minste twee voorwaarden voldoen. De entiteit moet i) repliceerbaar zijn om informatie over zichzelf door te geven, inclusief het vermogen om te repliceren, en de entiteit moet los van de buitenwereld ii) beschikken over een interne omgeving om energie op te wekken. Uiteindelijk kon er homeostase ontstaan - voor sommigen kan dit zelfs een voorafgaande toestand zijn - door selectieve transudatie van ionen terwijl de nodige energie werd geleverd door chemische modulaties in organisch materiaal. Dat laatste was overvloedig aanwezig door abiotische synthese in de buurt van vulkaanuitbarstingen en wellicht door elektrische ontladingen in de reducerende gasatmosfeer.

   Tijdens de enorme tijdspanne dat leven kon ontstaan hoefde replicatie met waarschijnlijk een stof als het huidige RNA maar één keer te gebeuren. Door zichzelf in stand te houden zou het blijven repliceren en verdere complexiteit ontwikkelen om zo zichzelf te verbeteren. Dit zou kunnen verklaren waarom alle moderne organismen dezelfde structuren hebben om informatie over te dragen.

   Na de ontdekking van katalytische RNA's (introns) bij zeer uiteenlopende organismen, is er veel gespeculeerd over hun betekenis in de vroege evolutie van het leven.

   Een autokatalytisch chemisch netwerk lijkt een serieuze en plausibele kandidaat om de eerste RNA's te hebben geproduceerd. Dit kan voorafgegaan zijn door een reducerend chemisch reactie-netwerk om energie te leveren (zoals in moderne chemotrofe bacteriën). Als prebiotisch metabolisme werd een omgeving voorgesteld met autokatalytische niet-polymere moleculen, zoals moderne co-enzymen, als voorlopers van nucleotiden. Deze moleculen koloniseren het oppervlak van zelfassemblerende olie-druppeltjes, oxideren de koolwaterstoffen in de olie en veranderen langzaam maar zeker de structuur in een membraan. De verwijdering van een interne omgeving zou mogelijk ook geleverd kunnen worden door zelfgeorganiseerde lipidemembranen.

   Het idee van zelforganiserende autokatalytische chemische systemen als basis voor de vorming van vroege zichzelf onderhoudende pre-metabolische moleculaire netwerken wordt serieus onderzocht en is geschikt gebleken om informatieoverdracht van de ene generatie naar de volgende mogelijk te maken.

   De oeratmosfeer was sterk reducerend qua samenstelling (voornamelijk H₂O, CO₂ en N₂) en kwam vooral voort uit ontgassing tijdens meteorietinslagen (in plaats van uit de aardmantel zelf). In tegenstelling tot wat lang werd gedacht, namelijk dat NH₃ en CH₄ belangrijke componenten waren van de vroege atmosfeer, zouden deze gassen alleen aanwezig zijn geweest in de buurt van vulkaanuitbarstingen en opgelost in de oceanen. De samenstelling van de atmosfeer was bepalend voor het ontstaan van leven wat betreft de aanwezige componenten in potentiële autokatalytische netwerken en met het oog op de mogelijke fotochemische reacties en het soort doorgelaten straling vanuit de ruimte. De afwezigheid van ammoniak en methaan in de atmosfeer gaf aanleiding tot de hydrothermische hypothese die een onderzeese oorsprong van leven suggereert. En er is de theorie van panspermie die veronderstelt dat biochemische verbindingen uit de ruimte afkomstig zijn. Hoewel een exogene bron van organische moleculen als oorsprong van het leven in tegenspraak is met zowel de filosofische afwijzing door Ockham's scheermes als met de meer pragmatische overweging dat slechts een kleine fractie een inslag op aarde zou overleven, wint het aan waarschijnlijkheid in een atmosfeer die wordt gegenereerd door vrijkomende gassen bij meteorietinslagen. Volgens de opvatting dat evolutionaire veranderingen met hele kleine stapjes heeft plaats gevonden, zou het leven lang voordat de aarde werd gevormd zijn begonnen en daarom op een andere planeet moeten zijn ontstaan. De berekeningen kunnen echter op verkeerde aannames gebaseerd zijn en onvoldoende rekening houden met de attractoren in de dynamische subsystemen, wat de accumulatieperiode aanzienlijk zou kunnen verkorten.

   Van de talrijke microsferen moeten sommige een replicerende structuur hebben omsloten. De kans op een goede combinatie was misschien miniem, het aantal moleculen en de beschikbare tijd waren daarentegen immens. Punt is dat de eerste complexe structuren die aan de meest fundamentele eisen van levensvatbaarheid voldeden, evolueerden door fusie van de juiste ingrediënten in plaats van door selectie. De eigenschappen van de losse componenten bleven intact en hun combinatie leverde iets op dat er nooit eerder was. Perfecte synergie. Of liever, emergentie.

Vroege organische evolutie

Neem een enkele oude microbe die zich slechts één keer per jaar repliceert (als de omgeving optimaal is, kunnen moderne microben zich elke 20 minuten delen) en stel dat de diameter ervan 1μm bedraagt, dan zou na het totale wateroppervlak op aarde bedekt na 100 jaar bedekt zijn met een bacteriële deken van meer dan 3μm dik. Je kunt dit zelf berekenen voor 2¹⁰⁰ microben met een afmeting van 1 x 1 x 1 μm over een oppervlak van 3,7 x 10⁸ km².

   De eerste protobionten (een combinatie van een omhullend membraan, een replicatieapparaat en voldoende katalytisch vermogen om de motor te laten draaien) waren hoogstwaarschijnlijk chemotrofen met een omgekeerde Krebs-cyclus die al het beschikbare (an)organische materiaal 'consumeerden'. De energie die door deze autotrofe replicatoren werd gegenereerd, zou afval produceren dat vroeg of laat op een vergelijkbare manier door andere protobionten kon worden gebruikt. En hun afval weer door anderen, enz. Het is het begin van een organische co-evolutie (onderling afhankelijke relatie) en tegelijkertijd zou natuurlijke selectie (competitie) zijn biologische debuut maken. Autokatalytische replicatie van losse bouwstenen werd gereguleerd (we weten nog niet hoe) en omgezet in reproductie.

   De oersoep van protobionten zag er misschien wat chaotisch uit met veel interacties en in- en uitsluitingen van grotere en minuscule bio-druppeltjes. Het minimaliseren van het aantal membraanverbindingen resulteerde in een bolvorm vanwege de fysische wetmatigheden. Chemische eigenschappen van de verbindingen konden leiden tot plooien en uitrekking als de omgevingsdruk hoger was dan de morfogenetische kosten, zo die er al was.

   De vroegste prokaryote fossielen - tegenwoordig wordt de term prokaryoot vervangen door echte bacteriële - dateren van ongeveer 3,8 miljard jaar geleden (nabij Quebec). Aangezien de aarde zelf hooguit 4,5 miljard jaar oud is, moeten deze prokaryoten gedurende de eerste paar honderd miljoen jaar zijn geëvolueerd - de suggestie dat levende organismen de aarde vanuit de ruimte hebben gekoloniseerd leidt alleen maar af en maakt de zaak onnodig ingewikkeld. Het lijkt aannemelijk dat veel van de oorspronkelijke levensvormen zijn verdwenen nadat ze werden opgeslokt, opgenomen of ingekapseld door meer succesvolle vormen die in staat waren om specifiek organisch materiaal op een meer efficiënte wijze te verwerken. Dit zou natuurlijke selectie kunnen worden genoemd, maar niet zoals Darwin het definieerde. Eén oude groep bacteriën, de Archeae, bestaat echter nog steeds en ze onderscheiden zich van alle andere moderne levensvormen door een specifieke samenstelling van hun membranen. Tot de Archeae behoren de enige moderne levensvormen die extreme temperaturen en zoutconcentraties (extremofielen) kunnen overleven.

Moderne bacteriën zijn enorm talrijk en kunnen op verschillende manieren worden geclassificeerd. Het meest algemeen zijn de fotolithotrofen die licht en een anorganische elektronendonor (H₂O, H₂S of S) gebruiken en de chemoorganotrofen die redoxreacties en een organische elektronendonor gebruiken. Om aan koolstof te komen nemen de autotrofen zoals cyanobacteriën CO₂ op of breken ze organisch materiaal af (heterotrofen zoals parasieten en reducenten). Aërobe hetrotrofen gebruiken zuurstof als elektronen-acceptor, anaërobe geven hun elektronen af aan een verscheidenheid van (an)organische chemicaliën. Sommige van de aanwezige bacteriën zijn aëroob maar niet autotroof (nitrificatiebacteriën), andere gebruiken licht maar geen CO₂ (paarse bacteriën). De immense diversiteit van tegenwoordig moet destijds beslist onbeduidend zijn geweest aangezien moderne bacteriën in hoge mate afhankelijk zijn van andere levensvormen (en vice versa). Toch vormden ze een onvermijdelijk matrix voor verdere organische evolutie.

   Reproductie van bacteriën wordt voornamelijk gerealiseerd door binaire splitsing, terwijl verschillende manieren van recombinatie voorhanden zijn. De onverwachte, vaak voorkomende laterale overdracht van genetisch materiaal tussen verschillende bacterie-stammen wil niet zeggen dat deze ook drie miljard jaar geleden voorkwam, maar ondersteunt nog wel steeds het idee van emergente evolutie.

   Ervan uitgaande dat er voldoende organisch materiaal beschikbaar was voor een wereldwijde groei, lijdt het geen twijfel dat, naast selectie door genetische mutaties, de ophoping van microben gemakkelijk allerlei soorten fusies tot gevolg had. Een direct bewijs voor emergente evolutie tijdens de eerste miljard jaar van organische evolutie is niet voorhanden. Het is wel aannemelijk.

Endosymbiose

De echte bacteriën hebben celmembranen die vergelijkbaar zijn met die in alle andere organismen (behalve de Archeae). Dit feit, evenals hun eenvoudige structuur (geen organellen; vrij DNA), maakt het aannemelijk dat alle eukaryoten zijn geëvolueerd uit de echte bacteriën. Onder de vele complexe moleculen waren er enkele straling-absorberende eiwitten, via welke elektronen op andere moleculen konden worden overgebracht om daarmee wat energie op te wekken. Een primitieve fotosynthese verving bij sommige bacteriën de chemische omzettingen die nodig waren om energie op te wekken. Het bijproduct zuurstof kan voor veel van de organische structuren behoorlijk schadelijk zijn geweest.

   De opmerkelijke overeenkomsten tussen vrijlevende cyanobacteriën en de chloroplasten in moderne plantencellen waren een eerste aanleiding tot de ontwikkeling van de seriële endosymbiotische theorie. Hoewel niet unaniem gesteund wordt nu algemeen aangenomen dat zowel chloroplasten als mitochondriën zijn geëvolueerd uit bacteriën die ingekapseld werden door een grotere entiteit. De combinatie van fotosynthese en zuurstofrecycling was een volgende stap in de emergente evolutie. De basissubstantie van de eukaryote cel, het nucleocytoplasma, is mogelijk ontstaan uit een associatie tussen archeae en anaërobe heterotrofe bacteriën, terwijl het nucleaire omhulsel en het endoplasmatisch reticulum tot stand kwamen door zelfassemblage. Deze zogenaamde proto-eukaryoten zouden dan cyanobacteriën en paarse niet-zwavelbacteriën hebben opgenomen die we nu kennen als resp. chloroplasten en mitochondriën. Deze hypothese over een ontwikkeling van enkele miljarden jaren geleden verdient enig voorbehoud en moet misschien op details worden herzien. Er bestaan tegenstrijdige theorieën over de oorsprong van trilharen en andere bewegingsstructuren in eukaryoten. Voorstanders van de seriële endosymbiotische theorie beweren dat voorouders van moderne spirocheten zijn doorgedrongen in de proto-eukaryoten om microtubuli en undulipodia te vormen. Endogene modellen gaan ervan uit dat de flagella zijn ontstaan uit componenten van het eukaryote cytoskelet.

   Ook over de oorsprong van de eukaryote kern zijn de meningen verdeeld. Het endogene model is gebaseerd op de aanname dat de kern selectief is voortgekomen uit een gemodificeerd reeds bestaand endomembraansysteem. Volgens het syntrofische model is de kern ontstaan uit een fusie tussen archaea en bacteriën of tenminste uit de endosymbiotische opname van archeaeïsche eigenschappen in een gastcel. Er is ook toenemende belangstelling voor de mogelijke rol van virussen bij het ontstaan van de eukaryoten.

Van eencellig naar meercellig

Gedeeltelijke mitose, aan elkaar blijven plakken na deling, kolonievorming, er zijn diverse mogelijkheden hoe meercellige organismen uit enkele cellen zijn voortgekomen. Wat ze gemeen hebben, is de noodzakelijke samenwerking tussen de cellen. Sommigen denken dat het ontstaan van meercellige organismen een natuurlijk gevolg was van een kolonie cellen die continu kon groeien. Alle water-organismen werden meercellig door gedeeltelijke mitose terwijl bij de meeste terrestrische micro-organismen sprake was van een soort beweeglijke aggregatie van cellen of kernen in een meerkernig syncytium. Of de meercellige organismen voortkwamen uit aggregaties van gelijkaardige eencellige organismen zoals in de huidige slijmzwammen of dat multicellulariteit voortkwam uit verschillende soorten eencellige organismen (symbiose-theorie), in beide gevallen zou men kunnen spreken van emergente evolutie. In nauw verwante cellen kan hun samenwerking worden begrepen uit het oogpunt van 'egoïstische genen' terwijl de vorming van kolonies van minder verwante individuele cellen verklaard zou kunnen worden met het 'prisoners dilemma'. Aangezien multicellulariteit waarschijnlijk vele malen onafhankelijk is geëvolueerd, zijn mogelijk alle scenario's gerealiseerd.

   Onlosmakelijk verbonden met multicellulariteit zijn celdifferentiatie en apoptose (celdood) die mogelijk hun oorsprong hebben in hun eigen geschiedenis, dat wil zeggen, de eencellige evolutie. De toegenomen genoomcomplexiteit die samenvalt met multicellulariteit houdt hoogstwaarschijnlijk verband met intercellulaire communicatie en eerder genoemde processen.

   Samenwerkende eenheden van cellen met verschillende taken zullen op het terrein van vruchtbaarheid en levensvatbaarheid een enorm voordeel hebben opgeleverd ten opzichte van eencellige organismen. Bij eencellige individuen moet dezelfde cel voor beide fitnesscomponenten zorgen, terwijl bij meercellige organismen afzonderlijke cellen zich kunnen specialiseren. Selectieve druk is voordelig bij grote verscheidenheid en kan eencellige organismen aanzetten tot kolonievorming om vervolgens te evolueren tot meercellige individuen. Grootte kan gunstig zijn voor de levensvatbaarheid (zoals predatie vermijden, grotere prooien vangen, buffervorming) en voor de vruchtbaarheid. Naarmate de grootte verder toeneemt, kunnen de voordelen voor levensvatbaarheid en vruchtbaarheid nog beter worden door kiemvorming en de volledige scheiding tussen kiem en soma. Met het resultaat wordt een verhoogde complexiteit bereikt.

   Toen meercellige organismen ruim een half miljard jaar geleden ontstonden, waren alle fundamenteel verschillende bouwplannen van de moderne phyla al vertegenwoordigd. De variatie in bouwplan bleef beperkt door intrinsieke wetmatigheden van de sub-systemen tijdens de ontogenie. Ongeveer 50 miljoen jaar later verdween 85% van de meercellige organismen en verdwenen de meeste phyla voor altijd. Deze eerste bekende massa-extinctie viel samen met de vorming van Gondwanaland. Blijkbaar werkten de externe omstandigheden (verkorte kustlijn en verlaagde gemiddelde temperatuur) als een selectief mechanisme ten gunste van slechts enkele bouwplannen.

   Volgens het fossielenbestand kwamen na de multicellulariteit de terrestrische planten en dieren relatief snel tevoorschijn. Aangezien de oudste overblijfselen van organisch aards leven meer dan 2 miljard jaar oud zijn, is het aannemelijk dat het meeste ervan destijds beschikbaar was als voeding voor de eukaryote nieuwkomers. Algemeen wordt aangenomen dat de eerste terrestrische eukaryoten autotroof waren, zodat ze bijdroegen aan een verdere toename van het zuurstofgehalte in de atmosfeer. Omdat de ozonlaag nog niet volledig was ontwikkeld was het stralingsniveau bedreigend hoog. Daardoor was de aarde voor de nieuwe levensvormen een levensgevaarlijke omgeving. Het land was voedselarm, fysiek onstabiel en onderhevig aan sterke temperatuurschommelingen. Alleen alluviale of lacustriene laaglandgebieden met fijnkorrelige bodems die water en voedingsstoffen konden vasthouden, waren mogelijk een geschikte habitat voor de eerste landplanten.

   Men vermoedt dat de kolonisatie van het land door eukaryoten waarschijnlijk werd vergemakkelijkt door symbiose tussen een fototroof en heterotroof organisme. Het fossielenbestand in dit opzicht is ontoereikend. De symbiotische samenwerking tussen schimmels en algen of cyanobacteriën bestond echter al lang vóór de evolutie van vaatplanten en hun synergetisch aandeel in de terrestrische invasie was onvermijdelijk. Met hun hyfen konden de schimmels water en opgeloste anorganische ingrediënten opnemen, terwijl de ingesloten fototrofen de benodigde suikers leverden. Fotosynthetiserende algen waren veel te kwetsbaar om alléén te overleven en werden beschermd tegen te grote hoeveelheden UV-straling en uitdroging door de cuticula van de schimmel.

   De meeste moderne embryofyten (landplanten) onderhouden nog steeds een symbiotische relatie met schimmelhyfen in de vorm van mycorrhiza, om het contactoppervlak van het wortelsysteem van de plant te vergroten. Bovendien kan de mycorrhiza voedingsstoffen leveren die zonder deze samenwerking voor de plant niet beschikbaar zouden zijn.

   Moderne korstmossen bestaan uit een symbiotische associatie van een schimmel en een groene alg. Ze kunnen extreme omstandigheden overleven, hoewel sommige soorten behoorlijk gevoelig zijn voor luchtverontreiniging. Uit onderzoek blijkt dat daarnaast ook bacteriën verschillende functionele rollen kunnen vervullen binnen de symbiose van korstmossen.

   Verschillende moderne groepen kolonievormende algen zijn tussenproducten tussen eencellige en meercellige planten. Het meest bekend onder de groene algen zijn de bolvormige kolonies van Volvocales die zijn samengesteld uit talrijke flagellaten met af en toe cytoplasmatische verbindingen en een duidelijke voor- en achterzijde. Groene algen van het geslacht Scenedesmus scheiden prikkels af om kleine niet-beweeglijke kolonies te vormen, waarschijnlijk om predatie te voorkomen (de kolonie is te groot om door zoöplankton te worden geconsumeerd). Veel goud- en geelbruine algen (chrysophyta) en diatomeeën (bacillarioophyceae) kleven aaneen tot kolonies, de laatste met een rudimentaire celdifferentiatie.

   Moderne slijmzwammen beginnen als een eenkernige amoebe. Tijdens de groei delen alleen de kernen zich en ontwikkelt het organisme zich tot een groot meerkernig plasmodium. Als de omstandigheden gunstig zijn voor vruchtvorming, valt het plasmodium uiteen om een vruchtlichaam te vormen dat haploïde sporen draagt. Daaruit ontwikkelen zich de gameten van de volgende generatie.

   De moderne porifera (sponzen) nemen als meercellige organismen een positie in tussen de eencellige protozoa en de metazoa met een zenuwstelsel. Van alle moderne dieren zijn ze het nauwst verwant met de voorouderlijke oermetazoa. Ze zijn samengesteld uit een beperkt aantal gedifferentieerde cellen die, na scheiding, weer samenklitten tot het oorspronkelijke dier. Het bestaan van cel-adhesiemoleculen maakte de ontwikkeling van een koloniaal organisme mogelijk. Sponzen hebben geen zenuw- en spierweefsel. Cellulaire communicatie en coördinatie worden chemisch gegenereerd door een complexe reeks moleculaire componenten in plaats van door elektrische geleiding.