Dalla cellula procariote alla cellula eucariote

In base ai resti fossili rinvenuti, le prime cellule viventi comparvero circa 3900 milioni di anni fa. Si tratta di cellule procarioti anaerobiche ed eterotrofe, riconducibili a batteri (v. tab. 10.1). Questi si nutrivano dei composti organici presenti nell'ambiente e ricavavano l'energia necessaria al proprio mantenimento grazie a processi di fermentazione.

Il progressivo impoverimento delle sostanze nutritive nel brodo primordiale favorì quelle cellule che, per sintetizzare i composti organici, avevano sviluppato la capacità di attuare la fotosintesi, cioè utilizzare il diossido di carbonio quale fonte alternativa di carbonio e la radiazione solare per ricavare l'energia necessaria a questo processo. Comparvero così insieme alla fotosintesi le prime cellule autotrofe, i cianobatteri.

La trasformazione fotosintetica dell'acqua e del diossido di carbonio in composti organici libera ossigeno come sottoprodotto. L'atmosfera iniziò così ad arricchirsi di ossigeno e si crearono le condizioni favorevoli per l'evoluzione dei batteri aerobici, cioè in grado di effettuare la respirazione cellulare , un processo più efficiente della fermentazione per ricavare energia dagli alimenti.

Secondo le ipotesi circa 1,6 miliardi di anni fa alcuni batteri anaerobici, che si nutrivano inglobando batteri interi, avrebbero dato origine alle cellule eucarioti. Ciò sarebbe avvenuto in seguito al verificarsi di due tipi di simbiosi metaboliche:

1. tra un batterio anaerobico ed eterotrofo e un batterio aerobico (che si evolve in mitocondrio): in questo caso si sarebbe formata la cellula animale;

2. tra un batterio contenente dei mitocondri e un cianobatterio (che si evolve in cloroplasto): in questo caso si sarebbe formata la cellula vegetale.

È probabile che anche i flagelli e altri organuli cellulari siano stati acquisiti con questo tipo di simbiosi. La membrana nucleare, invece, si sarebbe formata in seguito a un ripiegamento all'interno della membrana cellulare a formare una cavità.