Описание абиогенного этапа развития, относящегося к катархею, имеет гипотетический характер и основано на представлении о процессах, происходящих при дегазации мантии.
По Н. М. Страхову (1963), Г. В. Войткевичу (1979) и другим исследователям, наземные ландшафты представляли собой плоские равнины с обилием активных вулканических конусов, осложненные вследствие метеоритной бомбардировки крупными кратерами, что определяло неоднородность литогенной основы ландшафтов уже на ранних этапах развития Земли. Участки суши сопрягались с неглубоким первичным океаном с цепями островов вулканического происхождения. При господстве восстановительной среды геохимическая контрастность ландшафтов была низкой. В воздухе преобладали вулканические газы, а содержание CO2 было в 100 раз больше, чем сейчас (Заварзин, 1984). Влажный гумидный климат и обилие углекислоты в атмосфере стимулировали выветривание изверженных пород с образованием карбонатов К, Na, Mg и Ca. При поступлении в кислую океаническую воду они превращались в хлориды этих металлов. Существует и гипотеза содового океана, по составу напоминающего современные водоемы в вулканических кратерах. Согласно ей, первичный океан мог сохранять высокие концентрации карбоната натрия, не будучи перенасыщенным, а преобладание хлоридов формировалось позднее.
Предположительно, воды первичного океана содержали в растворенном виде различные органические вещества абиогенного происхождения, образованию которых благоприятствовали восстановительный характер атмосферы и вод, достаточно высокая температура, грозовые разряды, жесткое излучение Солнца. Ещё одним источником органических соединений, образовавшихся в результате абиогенного синтеза, могли быть гидрогермы вулканически активных районов. По мнению Г. В. Войткевича (1979), достаточное количество сложных органических соединений Земля получила уже в период своего образования, что говорит о зарождении химической эволюции в космических условиях. Это согласуется с данными о содержании органических соединений в образцах лунных пород.
При увеличении концентрации органических веществ в океанических водах образовался «первичный бульон» из белковоподобных веществ (пептидов), сложных углеводородов, сахаров, аминокислот, азотистых соединений, органических (уксусная, муравьиная, молочная) и нуклеиновых кислот. Дальнейшее усложнение органических соединений и полимеризация макромолекул; возникновение биологической мембраны, обладающей способностью к избирательной проницаемости; развитие метаболизма; появление пигментированных клеток и молекул РНК, а затем и ДНК — привели, согласно гипотезе А. И. Опарина — Дж. Холдейна, к развитию саморегулирующихся систем, характерных для живого вещества.
С появления прокариот — первых одноклеточных безъядерных организмов (архебактерии, сине-зелёные водоросли) начинается биогенный этап развития ландшафтов. В докембрии он охватывает весь криптозой (эпоха скрытой жизни) и разделяется на две стадии: восстановительную (архей, протерозой, нижний рифей) и окислительную (средний и нижний рифей).
Древнейшие остатки живых организмов встречаются в породах возрастом около 3,5 млрд. лет и даже ранее. К ним относятся: кварциты Гренландии (3,8 млрд. лет), в которых обнаружены микроскопические круглые и овально-удлинённые тельца, содержащие углеродистые соединения и частично находящиеся в стадии деления; углеродистые сланцы системы Свазиленд в Южной Африке (3,0-3,5 млрд. лет) с окаменевшими остатками древнейших микроорганизмов; кремнистые толщи Западной Австралии (3,5 млрд. лет) с многочисленными и разнообразными (около 10 видов) нитчатыми и округлыми остатками; железорудные формации Соуден в Северной Америке с остатками одноклеточных; породы золото-уранового бассейна Витватерсранд в Южной Африке (2,7 млрд. лет), переполненные бактериями и одноклеточными водорослями, способными к образованию колоний. Дж. Хатчинсон (1972) отмечает, что в осадочных породах формации Ганфлинт в Онтарио встречаются тонкие нитчатые сине-зелёные водоросли, входившие, очевидно, в состав водорослевых рифов, возраст которых превышает 2 млрд. лет. В России следы архебактерий и водорослей встречаются в докембрийских отложениях Кольского полуострова, Туруханского района, юга Сибири и других регионов.
На протяжении восстановительной стадии в докембрии абиогенные малоконтрастные наземные ландшафты сопрягались с биогенными ландшафтами океанов, где развивалась жизнь, строго лимитированная в своем распространении проходящей через атмосферу коротковолновой радиацией с высокой фотобиологической активностью (особенно УФ-С и УФ-В). В восстановительных условиях первые анаэробные бактерии были гетеротрофами и использовали для синтеза органических веществ энергию окислительно-восстановительных реакций: осуществляли окисление абиогенных органических веществ в брожении. Кроме того, Г. А. Заварзиным (1984) высказано мнение о возможности использования первичными организмами энергии за счет окисления неорганических соединений при хемосинтезе. Общее направление эволюции в дальнейшем заключалось в развитии энергетических процессов на основе фотосинтеза, что сопровождалось выделением кислорода и появлением его в океанических водах и атмосфере.
Первыми организмами, осуществлявшими фотосинтез с выделением O2, были сине-зелёные водоросли, использовавшие в качестве катализатора Fe; для них характерно повышенное содержание этого элемента по сравнению с Cu, Zn и Mn. С появлением сине-зелёных водорослей, расцвет деятельности которых приходится на протерозой, начинает осуществляться одна из важных газовых функций живого вещества — кислородно-углекислотная. Второй важной функцией является концентрационная, с которой связано образование строматолитов. По Г. А. Заварзину (1984), это слоистые, чаще всего карбонатные осадочные толщи (иногда многометровые), представляющие собой продукты жизнедеятельности сообществ сине-зелёных водорослей. Доказательством их биогенного происхождения являются включения иссиня-чёрных кремней, переполненных хорошо сохранившимися остатками микроорганизмов. Изучение современных сообществ сине-зелёных водорослей с разнообразными бактериальными организмами (цианобактериальные сообщества) показало, что расходование CO2 на фотосинтез сопровождается увеличением pH в водах и образованием щелочного барьера, на котором осаждается CaCO3. Возможно, существование сходного барьера в прошлом, наряду с концентрированием Ca сине-зелёными водорослями, определило важную роль строматолитов в очищении атмосферы от углекислоты. Снижению ее содержания способствовало и образование известняков, что А. Г. Вологдин также связывает с деятельностью сине-зелёных водорослей.
Своеобразие прокариотических сообществ заключалось, очевидно, в отсутствии консументов и преобладании продуцентов над деструкторами. По Г. А. Заварзину (1984), их ежегодная продукция была близка к современной в сходных экосистемах. С накоплением органического вещества водорослевого происхождения связаны благоприятные условия для образования нефти и горючих сланцев в протерозое, в чем также выявляются концентрационные функции живого вещества в отношении углерода.
С появлением при фотосинтезе кислорода в водах происходило окисление Fe, легко мигрирующего в восстановительных условиях наземных ландшафтов, выщелачиваемого из изверженных пород и в растворимой форме поступающего в моря. Это сопровождалось образованием железистых кварцитов и замедляло рост содержания O2 в атмосфере. Существует мнение, что роль живого вещества в концентрировании Fe проявлялась как косвенно, так и непосредственно в связи с возможным участием железобактерий в его осаждении в аквальных ландшафтах.
Таким образом, биогеохимические процессы уже в криптозое определяли особенности массообмена, связи между прокариотическими сообществами и формированием осадочных пород, судьбу воздушных мигрантов, состав атмосферы и трансформацию ионного состава вод (переход к нейтральным хлоридно-карбонатным). Постепенное накопление O2 в атмосфере подготовило переход от гетеротрофного режима к автотрофному, основанному на дыхании в сильно окислительных условиях, что по Дж. Хатчинсону стало одной из великих биологических революций на Земле. Такая возможность возникла при достижении «точки Пастера», когда содержание кислорода в атмосфере составило 0,01% от современного. Переход от брожения к кислородному дыханию у появившихся позднее многоклеточных организмов сопровождался выигрышем энергии в 15 и более раз.
Окислительная стадия развития докембрийских ландшафтов охватывает средний и верхний рифей. Для мегасопряжений суша-море характерно соседство примитивно-пустынных и красноцветных ландшафтов с биогенными аквальными ландшафтами, в которых происходила структурная перестройка биоты. Её причины:
- массовое вымирание примитивных анаэробных организмов, которым был вреден свободный кислород;
- развитие аэробных бактерий и зелёных водорослей, у которых функцию катализатора в реакциях фотосинтеза в связи с ростом окислительно-восстановительного потенциала вместо Fe выполняла Cu (по Е. А. Бойченко);
- развитие эукариот, разделение органического мира на растительный и животный, усложнение структуры экосистем в связи с появлением консументов; это усилило потерю органического вещества в трофических цепях и вызвало снижение эффективности накопления горючих ископаемых (по Г. А. Заварзину);
- появление мягкотелых животных, отсутствие известкового скелета у которых А. П. Виноградов связывал с ещё достаточно высоким содержанием CO2 в атмосфере и, соответственно, с недосыщенностью вод карбонатом Ca в связи с его хорошей растворимостью.
Функции по концентрированию CaCO3 выполняли преимущественно водоросли, вызвавшие образование мощных толщ карбонатных пород. Появление свободного кислорода в океанических водах сопровождалось накоплением сульфат-иона, образующегося при окислении сероводорода, и изменением их ионного состава на хлоридно-карбонатно-сульфатный.
По В. А. Абакумову (1991), развитие фотосинтеза и появление многоклеточности, возникшей у эукариот в результате множественного симбиоза прокариотических клеток, подняли докембрийские организмы на более высокий уровень организации и привели к увеличению внутреннего разнообразия (в том числе и биохимического) и большей устойчивости планетарной экосистемы. В то же время рост биологической информации происходил преимущественно за счет аквальных ландшафтов морей и океанов. На суше преобладали примитивные пустыни с сообществами бактерий и водорослей. Примитивность и ничтожная ёмкость БИКа определяли невысокую контрастность автономных и супераквальных комплексов, развивающихся в окислительной обстановке; слабую дифференциацию и относительное однообразие ландшафтов разных климатических поясов. Важной особенностью данного периода явилось снижение миграционной способности Fe и формирование красноцветных отложений, обогащенных гидроксидами этого элемента. Появление в венде первых псилофитов положило начало освоению растениями суши и переход к фанерозою (эпоха явной жизни).