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DNA的结构和复制DNA
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从碱基对的中间一分为二，复制自己。每一半吸引另一个糖分子链和互补碱基，形成与原始DNA一致的新分子。基因是更大的DNA分子序列上的较小的分子序列。
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活细胞是什么元素组成的？最常见的4种元素是氢、氧、碳和氮，还有少量的硫和磷。这些原子构成分子，而这些分子可以分成4个大类：构成结构、提供机能的蛋白质，储存能量的碳水化合物，不溶于水、在水中形成膜的脂质，以及核酸（核酸指导细胞如何构成合适的蛋白质，并指导细胞如何繁衍）。
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地球上的第一个活细胞究竟是怎么诞生的？这件事情发生的顺序，现在依然是个谜，或许它仅次于“宇宙从何而来”这个最大的谜团。不过，生物学家已经收集了大量的证据，能大体勾勒出第一批活细胞诞生的过程。
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其中的矛盾在于：活细胞既有蛋白质，也有核酸。蛋白质由氨基酸构成（多数是碳、氢、氧和氮），而核酸中另外还包含磷。核酸携带基因指令，可以是具有双链的（脱氧核糖核酸DNA），也可以是只有一个单链的（核糖核酸RNA）。
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那么到底先有哪个呢：蛋白质还是DNA/RNA？它们是按哪种顺序出现的呢？是一同演化产生的，还是先有一个再有另一个？或者是二者在不同的原始细胞内演化，然后结合在一起？还没有人能解答这个问题。生物学家认为RNA可能先于DNA出现，因为RNA较简单，而且在细胞中还有许多其他功能。
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科学家推测，当生物体在某个地方的水体中出现时，在类似细胞的球内，复杂分子结合在一起，外部有膜，起到保护作用。它们能够吸收其他原子和分子，并且能够分裂复制。最早的原始细胞如何保留有用的基因改变，尚不清楚。
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地球上一部分最早的生命存在的时期，好像与小行星撞击地球最频繁的时期相吻合。2014年12月，一份实验报告表明，捷克共和国首都布拉格的一些生物化学家做了一个实验，用强大的激光照射一份化学溶液。这是模仿高速运行的小行星撞击地球时产生的能量。实验结果表明，激光的热量可以产生4种形成RNA所需要的基本化学成分，这为目前的理论提供了支持。
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说到小行星，一些科学家认为构成蛋白质的最早的氨基酸，或许就是陨石带到地球上的。氨基酸分子是在太空中自发形成的。1969年，科学家在南极洲冰层里的陨石残片以及澳大利亚的默奇森河的陨石残片中，发现了很多不同的氨基酸。研究发现这些氨基酸已有45亿年的历史，共包含地球蛋白质成分中涉及的8种氨基酸。
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地球上的第一个活细胞是何时出现的？一类叫作“叠层石”（一层层的单细胞生物化石）的化石给了我们惊人的答案。地球形成后不到10亿年，生命就开始形成并演化。叠层石可追溯到34亿年前，那时生物体已经可以利用太阳光获取能量了（光合作用）。进化需要些时日，于是科学家推测最早的生命大约出现于38亿到35亿年前。
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还有最最令人吃惊的：我们所知道的生命仅出现了一次，而且无疑出现在水里——或许是大海里的某处，可能在海底的某个火山口，那里可以提供源源不断的能量流。地球上的每个生物都有相同的遗传密码，也就是说每个生物都是同一个单细胞生物的后代。很快，那个细胞的后代遍布海洋各处，消耗有机原料，降低了其他类型细胞出现的可能性。生物学家称第一个细胞为所有生物的“最终共同祖先”（Last Universal Common Ancestor，缩写为LUCA）。
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所有生物都是从LUCA进化而来的。初期，它们都是单细胞的形式。目前，生物学家将它们分为3类：古细菌、细菌（两者均没有细胞核）以及真核生物（包含一个细胞核）。但对于如何给生物分类，生物学家依然有争议。
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生命之树
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此图是生物分类的一个版本。对于究竟如何绘制生命之树，生物学家意见不一。但无论如何，人类都是动物的一个小分支，在此树上甚至都没有标注出来。
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几十亿年的细菌
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细菌生龙活虎地进化了20亿到30亿年后，才出现了多细胞植物和动物。那段时期内，细菌产生了4次革新，它们越来越复杂，也改变了它们所在的星球——光合作用、呼吸、单核细胞和有性繁殖。
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最早的细菌所需的食物开始耗尽。或许当时它们只是随意吃点附近的化学成分，但最终这些开始变得稀缺。有一些变异使得细菌开始用空气、阳光和水生产自己所需的所有分子——真是个惊人的革新！
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细菌生产所需化学成分的过程叫作“光合作用”。在这个过程中，叶绿素分子吸收太阳的光子，细胞借助这种能量，将水和空气中的二氧化碳结合，产生碳水化合物以储存能量，同时将游离氧释放到水中。今天植物的光合作用依然是这个过程。人们称这个过程“无疑是地球生命历史上最重要的新陈代谢的革新”（马古利斯和萨根1986，78）。发明光合作用的细菌，与海洋浮游生物一道，时至今日，依然进行着地球上半数的光合作用。
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猜猜下文如何？随着时间推移，光合作用产生的氧气日渐积累到大气中。生命开始出现时，大气中的游离氧非常少，只有1%左右。大约过了30亿年，也就是6亿年前，氧气在大气中所占的比重上升到21%，差不多与今天相同。
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大气中氧气的增多对细菌产生了威胁。氧气是容易引起化学反应的，这就意味着它会与其他原子结合。氧气与细菌结合，致使细菌丧命。后来，有些细菌进化到可以通过与光合作用相反的过程利用氧气。这些细菌吸收氧气，消化碳水化合物，为细胞释放更多的能量，比光合作用释放的能量要多，二氧化碳是这个过程的副产品，被释放到大气中。这个过程叫作“呼吸”。
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好聪明的细菌！负责光合作用的细菌吸收二氧化碳，释放氧气，而“呼吸细菌”则吸收氧气，释放二氧化碳。它们一起形成了能够维持大气平衡的循环系统。
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此时，这些细菌依然是简单的单细胞生物，没有清晰的结构或中心（细胞核），名为“原核生物”，或“无核细胞”（意思是没有中心）。细胞膜包围细胞，细胞膜内不同的化学成分随机飘动游荡。
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