Процессы хемосинтеза — ассимиляция CO2 за счет энергии неорганических веществ (H2S, NH3, Н2 и др.) в отсутствие света — играли и играют значительную роль в круговороте веществ.
В связи с этим представляет интерес вопрос об эволюционном положении хемосинтеза (литотрофии). В. Н. Любименко подчеркивал, что фотосинтез никогда бы не достиг современной продуктивности, если бы хемотрофы не ускоряли минерализацию мертвых органических остатков, не фиксировали азот атмосферы и не выделяли продукты окисления в среду. По этой причине он считает, что хемосинтез должен был предшествовать фотосинтезу.
Другие авторы, исходя из сходства основного механизма усвоения углерода CO2 в хемо- и, фотосинтезе, полагают, что они возникли или параллельно, или хемосинтез вторичен. У литотрофов, способных к фототрофии, функционирует цикл Кальвина. Поэтому допускают существование преемственной связи между фотоавтотрофией и хемоавтотрофией. Хемоавтотрофия филогенетически не могла предшествовать фотоавтотрофии, так как энергия для хемосинтеза высвобождается при дыхании. Скорее всего хемоавтотрофы происходят от организмов, совмещающих фотосинтез и дыхание. Неорганические субстраты при хемосинтезе биологически окисляются тем же путем, что и органические при дыхании. Многие из хемосинтетиков являются аэробными организмами, хотя встречаются и анаэробные (хеморедукторы).
Не исключено также, что отбор на автотрофное питание в популяциях протобионтов шел параллельно в двух направлениях: на «проверку» эффективности сочетания хемо- и фотосинтеза. Так, среди пурпурных бактерий встречаются виды, у которых в зависимости от условий происходит или хеморедукция, или фоторедукция. Поскольку хемосинтез связан с использованием энергии, запасенной в восстановленных неорганических соединениях (сама эта энергия в количественном отношении невелика), хемосинтез не мог получить эволюционные преимущества перед фотосинтезом.
Для понимания эволюции и значения хемосинтеза представляют интерес водородные бактерии и карбоксидобактерии (Г. А. Заварзин, 1978), способные использовать органические вещества и переходить от литотрофного к органотрофному росту за счет механизмов превращения углеводов путем активации одних и инактивации других ферментов. В кислородной среде они дополняют вторичные анаэробы потребляя одни и те же субстраты, но используя другой акцептор электронов. Продукция биомассы в год у водородных бактерий определяется в 40—50 ∙ 106 т, а у карбоксилобактерий — 10 ∙ 106 т. Поэтому в целом весьма отчетливо выделяется историческая роль хемосинтетиков в «очищении» среды от многих продуктов биогенного и абиогенного происхождения, в «обживании» нашей планеты. В эволюционном раду первичного развития жизни механизмы хеморедукции и хемосинтеза, несомненно, следует рассматривать как шаг вперед по пути усовершенствования ее организации, функционального и морфологического разнообразия. Только теперь стало ясно, что хемосинтез представляет боковое ответвление от магистрального развития автотрофного питания. На начальных этапах эволюции хемосинтез выступал как важный этап прогресса жизни. Значение хемосинтетиков состояло и в том, что они очищали среду от кислорода, который первоначально выступал как вредный агент для живых организмов, в том числе и для фотосинтетиков. Без хемосинтетиков вопрос «быть или не быть фотосинтезу», вероятно, был бы решен с другими последствиями. Появление хемосинтетиков можно отнести к первой попытке удачного решения задач «охраны» живой природы. Однако с развитием фотосинтетиков жизнь стала «захлебываться» в собственных отбросах и возникла необходимость кардинальной защиты живой системы от кислорода.
Процессы синтеза органического вещества из неорганического с использованием энергии солнечного света (фотосинтез) формировались постепенно и на определенном этапе развития живой природы. Роль и значение перехода к фотосинтезу в общей эволюции жизни на Земле чрезвычайно велики. Фотосинтезирующие растения стали самым мощным геохимическим фактором. В процессе становления фотосинтеза в цепях питания взаимно приспосабливались разные группы организмов.
С возникновением и стабилизацией физико-химического Механизма фотосинтеза эволюция его не закончилась, а продолжалась по пути совершенствования аппарата фотосинтеза и разнообразия путей фиксации CO2. Благодаря количественным изменениям в аппарате фотосинтеза усиливается, в частности, экологическое разнообразие растений, особенно в условиях мощных антропогенных факторов.
Фотосинтез создает материальную и энергетическую базу для всех живых существ, и в этом его уникальность. Создав предпосылки для возникновения аэробного дыхания, он оказал существенное влияние на дальнейший прогресс жизни.