Умови, які існували на Землі в перший мільярд років її історії, усе ще є предметом суперечок. Але очевидною є практично повна відсутність кисню, а отже, і озонового шару атмосфери, що поглинає нині жорстке ультрафіолетове випромінювання. У цих умовах і виникли, як вважають, прості органічні молекули. Лабораторні експерименти підтвердили можливість такого процесу. Так, при нагріванні води в герметичній посудині, що містила , , та , при пропусканні електричного розряду та застосуванні ультрафіолетового опромінення було отримано ряд малих органічних молекул, таких як формальдегід, гліцин, оцтова, мурашина, молочна, синильна й аспарагінова кислоти, аланін, саркозин, сечовина.

Слід підкреслити, що серед утворених продуктів є деякі сполуки, такі як ціанистий водень () і формальдегід (), що легко вступають у наступні реакції у водному розчині. Проте найважливішим є те, що в експерименті вдалося отримати чотири основні класи внутрішньоклітинних малих молекул: амінокислоти, нуклеотиди, цукри й жирні кислоти, які, до того ж, утворюються досить легко.

Структурно-функціональні дослідження простих органічних молекул показали, що амінокислоти та нуклеотиди здатні, крім того, асоціюватися з утворенням великих полімерів. Дві амінокислоти можуть з'єднуватися пептидним зв'язком, а два нуклеотиди – фосфодіефірним. Послідовне повторення цієї реакції веде до утворення лінійних полімерів, поліпептидів і полінуклеотидів відповідно.

Здатність до утворення складних композицій із атомів стало важливою особливістю біогенної форми локалізації хімічних елементів у природі. Сьогодні практично не викликає сумніву, що біогенезу передувала хімічна еволюція, спрямована на стабілізацію таких молекулярних структур. Стійкість їхнього кінцевого стану зумовлюється енергетично найбільш «корисною» орієнтацію молекул. У випадку, коли просторове розташування молекул не є термодинамічно оптимальним або енергія зовнішнього середовища перевищує силу зв'язків між елементами структури, то значення її ентропії як міри невпорядкованості зростає і вона стає нестійкою. А це означає, що будь-яка відкрита система, не ізольована від зовнішнього середовища, може стабілізуватися або в разі надходження вільної енергії ззовні, або при збільшенні ступеня організації та рівня структурної впорядкованості всієї системи. Саме ці механізми й лягли в основу функціонування біологічних структур, зумовили пристосувальні можливості живої системи.

Перші стабільні, структурно впорядковані молекулярні комплекси в добіологічних умовах, як вважають, могли утворитися декількома шляхами: при розігріві сухих органічних сполук або в результаті каталітичного ефекту високих концентрацій неорганічних поліфосфатів. У разі штучного відтворення подібної реакції виникають полімери різної довжини з випадковою послідовністю, в яких наявність даної амінокислоти чи нуклеотиду в кожному положенні визначається випадково. Але якщо полімер уже утворився, він здатний впливати на утворення інших полімерів.

Беручи до уваги унікальні властивості нуклеотидів і разом із тим їхню універсальність, можна припустити, що саме вони стали тією вдалою хімічною конструкцією, яка забезпечила перехід хімічної еволюції в біологічну. З погляду еволюції нуклеотиди виявилися поліфункціональними сполуками. Не кажучи вже про ДНК і РНК, згадаємо, що пурини з незначними модифікаціями нині представлені у вигляді макроергів (основного джерела вільної енергії – АТФ) та універсальних регуляторів біохімічних процесів (у вигляді циклічних нуклеотидів – цАМФ, цГМФ). Аденін у вигляді нікотинамідаденіндинуклеотидфосфату (НАДФ+), флавінаденіндинуклеотиду (ФАД) і коферменту А (КоА) входить до складу ключових ферментів, залучених до механізмів енергозабезпечення метаболічних реакцій.

Більш того, саме полінуклеотиди демонструють специфічні властивості, притаманні лише живим структурам, а саме матричне самовідтворення на основі інформації про особливості власної будови: полінуклеотиди можуть служити матрицею в реакції полімеризації і, таким чином, зумовлювати послідовність нуклеотидів у нових полінуклеотидах. Подібні матричні властивості базуються на специфічному, так званому комплементарному зв'язуванні полінуклеотидів Ц (цитозин) – Г (гуанін), A (аденін) – Т (тимін). Специфічне спарювання комплементарних нуклеотидів зіграло, як вважають сьогодні, вирішальну роль у виникненні життя. Так, при копіюванні полінуклеотиду, подібного до РНК, на першій стадії інформація, що міститься у вихідному ланцюзі, зберігається в новоутворених комплементарних ланцюгах. На другому етапі копіювання з використанням їх як матриці відновлює вихідну послідовність.

Прості й ефективні механізми комплементарного матричного копіювання є основними у процесах перенесення інформації в біологічних системах. Генетична інформація кожної клітини нині закодована в послідовності основ її полінуклеотидів і передається як спадщина завдяки комплементарному спарюванню основ.

Проте в будь-якому процесі копіювання можливі помилки й розмноження неточної копії оригіналу. А отже, у результаті численних циклів реплікації формується послідовність нуклеотидів, що суттєво відрізняється від вихідної – так формується різноманіття молекул. У випадку РНК відмінності, що виникали, спричинювали ще й функціональну дивергенцію молекул, адже РНК має хімічну індивідуальність, що впливає на її поведінку. Конкретна послідовність нуклеотидів зумовлює властивості молекули, особливо її конформацію в розчині. А тривимірна упаковка полінуклеотиду впливає на його стабільність і здатність реплікуватися. У результаті молекули реплікативної суміші матимуть різну здатність до розмноження.

Зрозуміти закономірності хімічної еволюції молекулярних комплексів, а також їхню можливу роль у процесі виникнення та еволюційного вдосконалення органічної форми життя вдалося лише на основі детального аналізу їхніх біохімічних властивостей. Так, історія вивчення нуклеїнових кислот почалася в середині ХІХ ст. З ім'ям Ф. Мішера пов'язують відкриття в 1869 р. нуклеїнових («ядерних») кислот, хоча сам термін з'явився пізніше – у 1889 р. А. Кьоссель у 1891 р., провівши гідроліз нуклеїнових кислот, установив, що вони складаються із залишку цукру, фосфорної кислоти та пуринових і піримідинових азотистих основ. Залежно від природи цукру, він поділив нуклеїнові кислоти на два типи: рибонуклеїнові (РНК) і дезоксирибонуклеїнові (ДНК). Було встановлено, що первинною структурою нуклеїнових кислот є ланцюг нуклеотидів, зв'язаних ковалентним 5'-3'-фосфодіефірним зв'язком. Полімерну ж природу цих кислот виявлено лише в 30-х рр. XX ст. Було встановлено, що їхня вторинна структура утворюється завдяки водневим зв'язкам між комплементарними основами.

Сама по собі вторинна структура нуклеїнових кислот нестійка, однак вона відіграє значну роль у просторовій організації макромолекул, що є особливо важливим, ураховуючи той факт, що їхня третинна структура жорстко визначена. Наприклад, деякі ділянки молекул РНК (на частку яких від загальної маси нуклеїнових кислот у організмі хребетних припадає 5–10 %) містять комплементарні послідовності, здатні взаємодіяти з утворенням водневих зв'язків, що зумовлює формування «шпильок» – специфічних петель на одноланцюговій молекулі РНК, утворення яких стабілізує просторову структуру молекули.

Серед полімерних РНК найхарактернішу просторову структуру має т-РНК (транспортна РНК, крім якої виділяють ще два види: інформаційну, або матричну РНК, і рибосомальну РНК), первинну структуру якої в 1965 р. установив Р. Холлі. Він же запропонував і модель її вторинної структури – «листок конюшини». Пізніше зусиллями дослідницьких груп А. Річа й А. Клуга було встановлено третинну структуру т-РНК. З'ясувалось, що «листок конюшини» у просторі згинається, нагадуючи латинську літеру L. Подальшими лабораторними дослідженнями функціональних особливостей РНК було показано, що система її молекул у процесі штучного копіювання підлягає певному природному добору, за якого, залежно від конкретних умов, починає переважати та чи інша послідовність.

Отже, молекула РНК має дві важливі властивості: закодована в її нуклеотидній послідовності інформація передається в процесі реплікації, а унікальна просторова структура зумовлює характер взаємодії з іншими молекулами та реакцію на зовнішні умови. Обидві ці властивості – інформаційна та функціональна – є необхідними передумовами еволюційного процесу. Нуклеотидна послідовність молекули РНК аналогічна спадковій інформації, або генотипу організму, а просторова упаковка фенотипу – сукупності ознак організму, які підлягають дії природного добору.

Відомо, що природний добір залежить від умов довкілля. Для молекули РНК, яка реплікується, критичним компонентом середовища є набір інших молекул РНК у ньому. Крім того, що ці молекули є матрицями у процесі власної реплікації, вони можуть каталізувати руйнування та утворення ковалентних зв'язків, у тому числі й зв'язків між нуклеотидами. Деякі спеціалізовані молекули РНК здатні каталізувати зміни в інших її молекулах, розрізаючи нуклеотидну послідовність у певній точці, інші типи молекул РНК здатні вирізати частину своєї власної нуклеотидної послідовності та з'єднувати відрізані кінці (сплайсинг). Кожна реакція, що каталізується РНК, залежить від специфічного розташування атомів на поверхні каталітичної молекули РНК. Це приводить до того, що один або декілька нуклеотидів стають високоактивними.

Таким чином, досить імовірно, що 3,5–4 млрд років тому самореплікація молекул РНК започаткувала еволюційний процес. Системи з різним набором послідовностей нуклеотидів конкурували за запаси попередників, необхідних їм для побудування копій (аналогічно тому, які конкурують тепер організми за харчові ресурси). Успіх залежав від точності та швидкості копіювання, а також від стабільності копій.

Хоча структура полінуклеотидів добре пристосована для збереження й передачі (реплікації) інформації, каталітичні можливості молекул РНК явно обмежені для забезпечення всіх функцій сучасної клітини. Більша універсальність притаманна поліпептидам, котрі складаються з амінокислот із хімічно різноманітними бічними ланцюгами та здатні утворювати різні просторові форми, насичені реакційно активними ділянками. Властивості поліпептидів роблять їх ідеальними для виконання численних структурних і функціональних завдань. Навіть поліпептиди з випадковою послідовністю, які виникають за дії добіотичних синтетичних механізмів, очевидно, мали каталітичні властивості, направлені щонайменше на полегшення реплікації РНК. Полінуклеотиди, які сприяють синтезові корисних поліпептидів у своєму оточенні, мали отримати більшу перевагу в боротьбі за існування. Але яким чином полінуклеотиди могли здійснювати подібний контроль? Як інформація, закодована в їхній послідовності, може визначати послідовність полімерів іншого типу? Ясно, що полінуклеотиди мають діяти як каталізатори для збирання відібраних амінокислот. У сучасних організмів узгоджена система молекул РНК направляє синтез поліпептидів, тобто синтез білка, однак цей процес відбувається за участю інших білків, синтезованих попередньо. Існує припущення, що молекули РНК на самому початку направляли перший синтез білка без допомоги інших білків, взаємодіючи між собою за принципом комплементарності (відповідності).