Elämän historian päätapahtumat ovat yksisoluisten ja monisoluisten eliöiden synty sekä kuivan maan asuttaminen.
Fossiilien tutkiminen on auttanut geologeja laatimaan geologisen aikakaavan. Se jakaa Maan historian neljään aioniin ja niihin kuuluviin kausiin. Kolme ensimmäistä aionia (hadeeinen, arkeeinen ja proterotsooinen) kesti peräti neljä miljardia vuotta, viimeinen (fanerotsooinen) karkeasti ottaen viimeiset 500 miljoonaa vuotta. Tämän puolen miljardin vuoden aika käsittää suurimman osan eläinten olemassaoloajasta. Se jaetaan kolmeen maailmankauteen: paleotsooiseen (elämän vanha aika), mesotsooiseen (elämän keskiaika) ja kenotsooiseen (elämän uusi aika). Kullakin jaksolla oli omat erikoispiirteensä; ensimmäinen oli pääasiassa merieliöiden ja maan valloittamisen alkamisaika, toinen tunnetaan matelijoiden valtakautena ja kolmas nisäkkäiden. Aikakausien rajakohdat osuvat kahden suuren massasukupuuton kohdalle (yhteensä niitä oli viisi – ja kuudes nyt menossa kiitos ihmisen toiminnan).
Seuraavassa lyhyesti geologiset kaudet ja merkittäviä tapahtumia:
- N. 4600 miljoonaa v. sitten: maapallon synty
- Vanhimmat tunnetut kalliot ovat 4000 milj. v. vanhoja
- 4000 – 2500 milj. v. sitten arkeeinen aioni
- 3500 milj. v. sitten varhaisimmat solujen fossiilit (prokaryootteja)
- 2700 milj. v. sitten ilmakehän happipitoisuus alkoi lisääntyä
- 2500 – 541 milj. v. sitten proterotsooinen aioni
- 1800 milj. v. sitten vanhimmat aitotumaisten solujen fossiilit
- 635 – 541 milj. v. sitten ediacarakausi: erilaisia leviä ja pehmeäruumiisia selkärangattomia eläimiä (kuvia)
- 541 milj. v. sitten – nykyaika fanerotsooinen aioni (eli kaikki tästä eteenpäin on tätä aionia)
- 541 – 252 miljoonaa vuotta sitten paleotsooinen maailmankausi
- 541 – 485 milj. v. sitten kambrikausi: fossiilistossa äkillinen eläinten pääjaksojen lisääntyminen ja monimuotoisuus (kambrikauden räjähdys) – kuvia
- 485 – 444 milj. v. sitten ordoviikkikausi: merien levät runsaita, erilaiset sienet, kasvit ja eläimet aloittavat kuivan maan valloittamisen – kuvia
- 444 – 419 milj. v. sitten siluurikausi: varhaisten putkilokasvien monimuotoistuminen – kuvia
- 419 – 359 milj. v. sitten devonikausi: luukalojen monimuotoistuminen, ensimmäiset tetrapodit ja hyönteiset – kuvia
- 359 – 299 milj. v. sitten kivihiili- eli hiilikausi: putkilokasvit muodostavat valtavia metsiä, ensimmäiset siemenkasvit, matelijoiden synty, sammakkoeläinten valta-aika – kuvia
- 299 – 252 milj. v. sitten permikausi: matelijoiden sopeutumislevittäytyminen, useimpien nykyisten hyönteisryhmien synty, kauden lopulla suuri sukupuutto – kuvia
- 252 – 66 milj. v. sitten: mesotsooinen maailmankausi
- 252 -201 milj. v. sitten triaskausi: havupuut vallitsevat maisemaa, hirmuliskot (dinosaurit) kehittyvät ja levittäytyvät, nisäkkäiden synty – kuvia
- 201 – 145 m. v. s. jurakausi: paljassiemeniset edelleen vallitsevina, dinosaurit runsaita ja monimuotoisia – kuvia
- 145 – 66 m. v. s. liitukausi: kukkivat kasvit eli koppisiemeniset ilmestyvät ja monimuotoistuvat, kauden lopussa suuri sukupuutto, joka hävittää dinosaurit (linnut jäävät) – kuvia
- 66 m. v. sitten – nykyaika: kenotsooinen maailmankausi
- 66 – 23 m. v. s. paleogeeni, jossa kolme kautta:
- 23 – 2,6 mvs. neogeeni, jossa kaksi kautta:
- 2,6 mvs – nykyaika kvartäärikausi, joka sisältää pleistoseeniajan eli jääkauden (2,6 – 0,01 mvs; oma sukumme Homo syntyy) ja holoseeniajan eli ihmisen historiallisen ajan – kuvia
Ensimmäiset yksisoluiset
Todisteet varhaisimmasta elämästä löytyvät noin 3,5 miljardin vuoden takaa. Silloin eräät esitumaiset alkoivat muodostaa stromatoliitteja. Esitumaiset olivat ainoita eliöitä maapallolla noin 1,5 miljardin vuoden ajan.
Valtaosa ilmakehän hapesta on biologista alkuperää. Sitä vapautuu vedestä, kun se yhteyttämisessä eli fotosynteesissä hajotetaan. Aluksi fotosynteettisten bakteerien vapauttama happi liukeni veteen, kunnes konsentraatio vedessä nousi niin korkeaksi, että sitä alkoi riittää muuhunkin. Happi alkoi reagoida muiden veteen liuenneiden alkuaineiden, kuten raudan, kanssa. Syntyi ruostetta eli rautaoksidia, joka sedimentoitui; rautamalmit syntyivät noin 2,7 miljardia vuotta sitten. Ja kun happea tuli aina vaan lisää, sitä alkoi paeta vedestä ilmakehään. Tästä kaikesta voidaan päätellä, että syanobakteerit, joita on kutsuttu myös sinileviksi, kehittyivät jo yli 2,7 miljardia vuotta sitten.
Hapen lisääntymisellä oli suuri vaikutus ilmiöön nimeltä elämä. Happi käy kemiallisten sidosten kimppuun ja voi estää entsyymejä toimimasta ja vahingoittaa soluja. Varmaan moni esitumaisryhmä kuoli happimyrkytykseen. Eräät säilyivät hapettomissa ympäristöissä, joista niiden jälkeläisiä löytyy nykyäänkin. Muilla eloonjääneillä kehittyi muita menetelmiä selvitä hapesta, kuten soluhengitys, jossa käytetään happea energian keräämiseen orgaanisia molekyylejä hajottamalla.
Muutama sata miljoonaa vuotta myöhemmin syntyi uudenlaisia soluja, aitotumaiset. Niiden ensimmäiset yleisesti hyväksytyt fossiilit ajoittuvat 1,8 miljardin vuoden taakse. Solun rakenteen uutuuksia olivat tumakotelo, mitokondriot, solukalvosto (endoplasmakalvosto), solun tukiranka ym. Viimeksi mainittu mahdollistaa sen, että solu voi muuttaa muotoaan ja siten ympäröidä ja sulkea sisäänsä toisia soluja (fagosytoosi).
Tämän fagosytoosin ansiosta lienevät mitokondriot saaneet alkunsa. Ne olivat nieltyjä prokaryootteja (tarkemmin proteobakteereja), jotka muuttuiva endosymbionteiksi, kiinteäksi osaksi isäntäsolua ja yhdeksi sen organelliksi eli soluelimeksi. Soluun ne joutuivat joko saaliina tarkoituksena tulla solun ravinnoksi tai loisina. Teoria ei ole niin mahdoton kuin miltä kuulostaa, sillä on havaintoja, joissa juuri tätä on tapahtunut niinkin lyhyessä ajassa kuin viisi vuotta. Ja yhä enemmän aerobiseksi muuttuvassa maailmassa joillekin anaerobeille oli eduksi päästä happi-olosuhteisiin sopeutuneeseen organismiin.
Muita tällaisia endosymbiontteja ovat plastidit, joita ei ole kaikissa tumallisissa soluissa; sen sijaan mitokondriot tai niiden jäänteet ovat yheisiä kaikille aitotumaisille. Plastideista tunnetuin muoto ovat viherhiukkaset eli kloroplastit, joissa lehtivihreällisten eliöiden fotosynteesi tapahtuu. Mitokondriot ovat em. soluhengityksen paikkoja. Plastidien kantamuotoja ovat syanobakteerit.
Monisoluisuuden synty
Kun aitotumaiset solut syntyivät, sai alkunsa laaja yksisoluisten eliöiden evoluutio, jonka tuloksia on nykyäänkin runsaasti tavattavissa (ns. alkueliöt eli protistit). Aikaa myöten alkoi myös muodostua solujen kolonioita, jotka sulautuivat yksiköiksi, joiden yksittäiset solut tulivat toisistaan riippuvaisiksi. Morfologinen erilaistuminen mahdollistui. Erilaiset levät, kasvit, sienet ja eläimet alkoivat kehittyä.
Varhaisimmat taksonomisesti tunnistetut monisoluisfossiilit ovat pienehköjä punaleviä, jotka elivät 1200 miljoonaa vuotta sitten, mutta niitäkin vanhempia eukaryoottisia monisoluisehdokkaita tunnetaan (jopa 1800 miljoonaa vuotta vanhoja). Isompia ja morfologisesti monimuotoisempia tunnetaan vasta 600 miljoonan vuoden takaa. Nämä ediacarakauden fossiilit edustivat pehmeäruumiisia eliöitä, eräät jopa metrin pituisia, ja olivat leviä tai eläimiä, osa on jäänyt taksonomisesti tuntemattomiksi.
Ennen ediacarakautta Maassa oli vain mikrobeja, osa jo tosin monisoluisia. Nyt alkoi makroskooppisten eliöiden aika, ja ediacarakauden jälkeen noin 541 alkoi ns. kambrikauden räjähdys, millä tarkoitetaan makroskooppisten monisoluisten eliöryhmien nopeaa, suorastaan äkkinäistä ilmestymistä fossiilistoon. Ediacarakaudelta on tosin tunnistettu jo sienieläimiä (Porifera, kuvia), polttiaiseläimiä (Cnidaria, kuvia) ja nilviäisiä (Mollusca, kuvia).
Ennen kambrikauden räjähdystä kaikki kookkaat eläimet olivat pehmeitä, eikä niiden joukosta löydy petoja, vaan ne laidunsivat levillä, olivat suodattajia tai raadonsyöjiä. Kambrikausi muutti tilanteen: noin 10 miljoonan vuoden kuluessa merissä oli jo yli metrin pituisia saalistajia leukoineen. Samalla kehittyi myös saaliseläinten puolustusmekanismeja: teräviä piikkejä ja kovia panssareita.
Näyttää siltä, että moni eläinten pääjakso sai alkunsa kuitenkin kauan ennen kambrikautta. Viimeaikaisten DNA-tutkimusten mukaan sienieläimet olivat kehittyneet jo yli 700 miljoonaa vuotta sitten. Kambrikaudella kukoistaneiden eläinpääjaksojen yhteinen kantamuoto eli 670 miljoonaa vuotta sitten (käytettävissä tutkimukseen on niihin kuuluvien nykyelänten DNA). 710 miljoonan vuoden ikäisistä kerrostumista on löytynyt steroideja, jotka ilmaisevat tietyn sienieläinryhmän eläneen jo tuolloin. Tämä havainto vahvistaa DNAn antaman tiedon. Vanhin nykypääjaksoihin kuuluva fossiili on Kimberella-nilviäinen (kuvia), joka eli 560 miljoonaa vuotta sitten. Näillä perusteilla on sanottu, että kambrikauden räjähdyksellä oli pitkä sytytyslanka.
Kuivan maan valloitus
Fossiilievidenssi osoittaa, että syanobakteerit ja muut fotosyntetoivat prokaryootit peittivät maan kosteita pintoja jo yli miljardi vuotta sitten ja olivat ainoita maaeliöitä satojen miljoonien vuosien ajan. Isommat eliömuodot, sienet, kasvit ja eläimet aloittivat kuivan maan valloituksen vasta 500 miljoonaa vuotta sitten.
Kuivalle maalle tapahtunut hidas ja vaiheittainen nousu sisälsi sopeutumia eli adaptaatioita, jotka mahdollistivat maalla lisääntymisen ja auttoivat välttämään kuivumisen. Esimerkiksi monilla nykyajan maakasveilla on kuljetussolukko veden ja erinäisten muiden aineidein kuljettamista varten kasvin sisällä (näitä sanotaan putkilokasveiksi ja niitä ovat lieot, saniaiset ja siemenkasvit). Ulkopintaa niillä peittää vahakerros, joka hidastaa veden haihtumista. Varhaisia merkkejä tämänlaisista sopeutumista tunnetaan 420 miljoonan vuoden takaa, jolloin maalla kasvoi noin kymmensenttisiä kasveja, joilla oli kuljetussolukkoa muttei juuria eikä lehtiä. 40 miljoonassa vuodessa niistä oli kehittynyt jo jopa puumaisia juurellisia ja lehdellisiä kasveja (kyse oli devonikaudesta, kalojen valta-ajasta; kivihiilikaudella muutama kymmenen miljoonaa vuotta myöhemmin oli jo mahtavia metsiä).
Kasvien maanvalloitus näyttä tapahtuneen yhdessä sienten kanssa ja avustuksella. Nykyäänkin useimpien kasvien juuriin liittyy sienirihmastoja, jotka auttavat kasveja saamaan vettä ja mineraaleja maaperästä. Nämä ns. mykorritsasienet puolestaan saavat kasveilta orgaanista ravintoa, jota ne tuottavat fotosynteesissa ja muina solun metaboliatuotteina. Tämänlainen mutualistinen eli vastavuoroisesti hyödyttävä suhde on ilmeistä joissakin vanhimmissa kasvifossiileissa (esim. Aglaophyton major, kuvia).
Vaikka monet nykyiset eläinryhmät ovat maalla eläviä eli terrestrisiä, niistä valtaosa on niveljalkaisia (pääjakso Arthropoda, mm. hyönteiset, äyriäiset ja hämähäkkieläinet) ja tetrapodeja (maaselkärankaisia). Ensimmäiset maaeläimet ilmaantuivat noin 450 miljoonaa vuotta sitten ordoviikkikaudella, ja ne edustivat niveljalkaisten pääjaksoa. Fossiiliston ensimmäiset tetrapodit elivät noin 365 miljoonaa vuotta sitten devonikaudella ja ovat mitä ilmeisimmin kehittyneet varsieväkaloista (Crossopterygii, kuvia).
Tetrapodien evoluutio tuotti nykyiset sammakkoeläimet (Amphibia, kuvia), matelijat (Reptilia, kuvia), linnut (Aves) ja nisäkkäät (Mammalia), joihin me ihmisetkin lukeudumme. Ihmisen kehityshaara erosi muista kädellisistä (lahko Primates, kummituseläimet, puoliapinat ja apinat) vasta noin kuusi tai seitsemän miljoonaa vuotta sitten mioseenikaudella. Meidän oma lajimme, Homo sapiens, syntyi noin 300 tuhatta vuotta sitten jääkauden eli pleistoseenin aikaan Afrikassa (olemme siis trooppinen apinalaji, vaikkakin jääkauden lapsia). Lisäksemme maapallolla on elänyt viisi tai kuusi tunnettua Homo-sukuun kuulunutta lajia, osa samaan aikaan meidän lajimme kanssa, kuten neandertalinihminen (H. neanderthalensis, kuvia), jonka kanssa tapahtui myös risteytymistä Euraasiassa.