Tidak mudah membayangkan bumi empat milyar tahun yang lalu. Mungkin lautan yang meliputi sebagian besar permukaan, atau mungkin hanya terdapat beberapa lautan yang terpisah-pisah di tempat rendah. Tidak ada kehidupan, bakteri pun tidak. Di atmosfer asing yang belum dapat dihirup untuk bernafas itu, langit tentu telah berwarna biru. Agaknya sudah ada awan di langit dan hujan turun darinya, sebab ada jejak-jejak erosi air pada batuan yang terbentuk sangat lama sebelumnya.

Cahaya matahari yang mencapai bumi pada waktu itu mengandung sinar ultraviolet yang dapat membunuh kebanyakan makhluk modern, tetapi sinar ultaviolet ini juga yang mempunyai pengaruh yang tampaknya bertentangan, yaitu membantu mulainya kehidupan. Ketika sinar ultraviolet yang sangat kuat dalam cahaya matahari itu memecahkan molekul-molekul sederhana dalam atmosfer, beberapa pecahannya bersatu menjadi paduan dan membentuk senyawa organik seperti misalnya aldehida dan sianida. Karena lebih berat daripada kebanyakan unsur dalam atmosfer, senyawa ini mengendap ke permukaan atau hanyut ke bawah oleh hujan.

Lambat laun senyawa-senyawa baru itu terkumpul makin banyak dalam lautan yang sedang terbentuk. Setelah beberapa juta tahun lamanya terjadi interaksi antara senyawa-senyawa itu, air lautan menjadi larutan berbagai zat organik yang molekul-molekulnya bergabung akibat rangsangan sinar ultraviolet sehingga makin besar dan makin rumit. Beberapa di antaranya merupakan senyawa yang memegang peranan kunci dalam kimia kehidupan di bumi sekarang. Senyawa ini tidak mungkin bertahan dalam lautan masa kini karena berbagai organisme renik akan menelannya sebagai santapannya. Demikianlah senyawa tersebut selamat dan bertambah jumlahnya. Lautan pada waktu itu mungkin telah menjadi begitu kaya akan zat organik sehingga mirip sop daging saja.

Ini bukan hasil terkaan buta atau khayalan ilmiah. Tahap pertama proses ini dapat ditiru dalam laboratorium dengan menaruh metan, amoniak, air, dan hidrogen dalam sebuah bejana kaca yang ditutup rapat agar mirip dengan keadaan atmosfer purba. Bunga api listrik dilewatkan melalui zat-zat tersebut sebagai ganti energi yang ditambahkan oleh sinar ultraviolet atau petir. Hasilnya adalah campuran yang kaya akan zat organik, termasuk asam amino yang merupakan komponen protein. Percobaan lebih mendalam yang beberapa di antaranya memakai sinar ultraviolet telah membuktikan bahwa banyak bahan lain yang secara biologis penting dapat tersintesiskan dari senyawa-senyawa sederhana berkat kerja alam hukum fisika dan kimia pada lingkungan planet primitif. Dalam daftar yang panjang tercantum ATP (adenosine tripdosphate). Zat tersebut menyimpan energi dalam proses-proses vital kehidupan dan juga nukleotida, yakni bahan pembentuk asam nukleat yang merupakan bahan dasar bagi hereditas.

Kalau penciptaan seperti itu dapat dilakukan dengan berhasil di dalam laboratorium, tidak akan sukar mempcayai bahwa lautan yang mengandung larutan organik dan disinari sinar ultraviolet selama milyaran tahun dapat menghasilkan aneka ragam molekul, termasuk molekul sangat rumit yang memiliki beberapa ciri organisme hidup. Molekul ini mengumpulkan bahan dari sekelilingnya dan menggunakannya untuk menunjang pertumbuhannya serta menyimpan cukup informasi untuk membentuk molekul secara tepat merupakan tiruannya. Kalau molekul semacam itu juga memiliki kemampuan untuk berevolusi dan menjadi labih efisien, kita dapat menganggapnya benar-benar hidup.

Itulah yang menurut dugaan terjadi empat milyar tahun yang lalu. Organisme yang tercipta pada waktu itu sudah pasti jauh lebih sederhana daripada bakteri dan virus modern yang paling rendah, bahkan mungkin lebih sederhana daripada molekul besar asam nukleat yang mengendalikan berkembangbiaknya semua kehidupan modern. Organisme itu mungkin hidup dengan lamban dan memerlukan waktu lama untuk berbiak. Selang beberapa waktu mungkin terdapat beberapa atau banyak jenis organisme dengan susunan kimia berbeda. Kalau bumi pada waktu itu memiliki laut yang terpisah-pisah tanpa penghubung dalam waktu yang lama, dan ini memang mungkin, maka tiap laut mungkin mengembangkan tipe kehidupannya sendiri.

Tetapi evolusi Darwin sesungguhnya telah mulai pada tingkat molekul. Dengan perubahan (mutasi) yang terjadi secara kebetulan beberapa organisme menjadi lebih efisien dan mewariskan keunggulan tersebut. Organisme ini berbiak lebih cepat, dan menyebabkan pesaing yang lebih lemah mati kelaparan dalam persaingan berebut makanan dalam air yang seperti sop itu. Akhirnya tibalah saat ketika suatu organisme yang mencapai perubahan evolusi yang menguntungkan menjadi jauh lebih efisien daripada yang lain. Keturunannya menyebar di seluruh lautan bumi primitif dan memusnahkan semua pesaing. Hampir tidak ada keraguan bahwa peristiwa besar itu benar-benar terjadi. Buktinya adalah bahwa setiap organisme yang hidup di bumi sekarang, dari bakteri hingga manusia, mempunyai susunan rumit dasar kimia yang sama. Jadi semuanya adalah keturunan butiran submikroskopik, si pemenang tunggal yang merajai lautan jauh pada masa yang lalu.

Selama jangka waktu yang panjang, barangkali beberapa ratus juta tahun, organisme primitif tetap kecil, tidak efisien, dan tidak sebanyak makhluk yang berenang-renang memenuhi lautan modern. Satu-satunya makanannya hanyalah zat organik bentukan sinar ultraviolet yang jumlahnya tidak banyak dan mungkin makin berkurang. Namun organisme itu berevolusi mengembangkan kemampuan menyerap cahaya kasat mata biasa dan menggunakan energinya untuk membuat makanan dari air dan karbon dioksida.

Proses yang disebut fotosintesis ini memberikan dorongan baru bagi kehidupan di bumi. Kehidupan tak lagi harus menggantungkan diri pada setitik makanan yang kebetulan dapat diperoleh. Organisme baru yang berfotosintesis atau tumbuhan ini dapat membuat makanannya sendiri yang hanya dibatasi oleh banyaknya cahaya matahari yang tersedia. Binatang pun berkembang melalui proses evolusi dan mulai memakan tumbuhan serta berkembangbiak bersamanya.

Fotosintesis tumbuhan hijau ini menandakan berakhirnya tahap awal atmosfer bumi. Ketika tumbuhan yang baru muncul itu menggunakan karbon dioksida dan air untuk membuat gula dan makanan lainnya, reaksinya menyebabkan air terurai dan melepaskan sejumlah besar oksigen bebas. Proses ini mungkin lambat pada awalnya dengan bermula pada genangan dangkal yang disinari matahari tempat fotosintesis berlangsung sangat aktif. Kemudian oksigen menyebar ke seluruh lautan dan udara. Akhirnya hampir semua metan, amoniak, dan senyawa pereduksi lainnya tersingkir dan oksigen pun mulai terhimpun dalam atmosfer.

Para ahli astronomi yang menelaah matahari dan bintang mengetahui bahwa benda itu hampir seluruhnya terdiri dari hidrogen dan helium. Gas-gas ringan ini amat langka adanya di bumi masa kini yang terutama terdiri dari unsur berat. Harus terjadi sesuatu sehingga unsur-unsur berat yang langka dalam kosmos ini menjadi terpisah dari hidrogen dan helium yang merupakan bagian utama awan pembentuk matahari dan planet-planetnya. Teori paling berhasil mengetengahkan pendapat bahwa mataharilah yang telah menghalau gas ringan itu.

Suatu asas fisika mengatakan bahwa bila berbagai gas dicampur pada suhu yang seragam, kebanyakan atomnya (atau molekulnya) akan bergerak dengan cepat. Makin tinggi suhunya makin tinggi pula kecepatan rata-ratanya. Atom yang ringan bergerak lebih cepat daripada yang berat. Atom yang paling ringan, yaitu hidrogen, bergerak paling cepat dan disusul oleh helium, atom kedua paling ringan. Ketika bumi sedang terbentuk, setiap hidrogen dan helium di dekatnya akan bergerak sangat cepat akibat sinaran matahari hingga atom-atom ini lepas dari gravitasi bumi bagaikan roket yang bergerak mengungguli kecepatan lepas bumi modern. Mungkin selama suatu jangka waktu singkat pada masa muda matahari, ketika matahari jauh lebih cemerlang daripada sekarang, gas yang lebih berat pun ikut lepas.

Terlepasnya atom-atom ini menyebabkan bumi hampir tidak mengandung gas. Maka atmosfer yang dimilikinya sekarang tentu timbul dari dalam dengan jumlah yang bertambah sedikit demi sedikit sepanjang masa. Gagasan ini lebih mudah diterima bila diingat bahwa atmosfer, yang bagi penghuni permukaan bumi kelihatan besar, sebenarnya kurang dari 0,000001 bagian dari seluruh masa planet ini. Lautan sudah merupakan sekitar 0,00025 bagian dari keseluruhan. Maka pengeluaran gas, yaitu lepasnya bahan yang mudah menguap dari dalam bumi, dengan jumlah tidak seberapa sudah cukup untuk menghasilkan udara dan lautan yang berlimpah-limpah.

Pengeluaran gas masih berlangsung sekarang, walaupun mungkin tidak sebanyak dahulu. Di samping gas yang disemburkan secara jelas dari gunung api, gas yang lebih banyak jumlahnya mungkin berasal dari bahan mudah menguap yang lepas dari lubang uap atau merembes perlahan lewat dasar lautan.

Mungkin atmosfer keluaran pertama dari bumi yang masih muda sangat berbeda dengan yang ada sekarang. Komposisi utamanya masih tetap hidrogen dan gas-gas yang kaya akan hidrogen; jadi, masih mencerminkan banyaknya unsur tersebut dalam kosmos. Dalam atmosfer yang begitu reduktif (sifat hidrogen yang sudah bersenyawa dengan memberikan elektronnya) tidak ada oksigen bebas yang dapat terbentuk. Di samping nitrogen lembam, atmosfer mengandung metan, yaitu komponen utama gas alam, juga amoniak, uap air dan barangkali sedikit karbon dioksida.

Uap air dalam atmosfer sangat mudah terpecah bila terkena sinar ultraviolet dari matahari. Sekarang sinar kuat itu diserap oleh oksigen pada lapisan atas yang tidak ada atau sedikit airnya. Tetapi dahulu, ketika tidak ada oksigen, sinar ultraviolet dapat mencapai molekul air dan memecahkannya menjadi hidrogen dan oksigen. Sebagian besar hidrogen segera lepas ke antariksa sedangkan oksigennya bereaksi dengan metan atau amoniak dan terbentuklah terutama karbon dioksida, nitrogen serta air. Oksigen dapat juga diserap oleh bahan lapar oksigen di kerak bumi.

Proses terpecahnya molekul air yang disebut juga fotodisosiasi ini mungkin lambat berlangsungnya, namun sedikit demi sedikit lewat oksidasi tersebut menyingkirkan sebagian metan dan gas pereduksi lainnya di atmosfer. Para ahli sejarah awal bumi tidak sependapat apakah proses itu dapat menghasilkan oksigen bebas permanen. Tetapi yang jelas oksigen lebih mudah bertambah dengan dihilangkannya beberapa gas yang dapat bereaksi dengan oksigen. Dan sekitar empat miliar tahun yang lalu, mungkin lebih awal, suatu proses luar biasa mulai, yakni awal lemah pertama kehidupan yang akhirnya akan mengendalikan komposisi atmosfer.