La melatonina è una molecola antica che può essere fatta risalire all’origine della vita. La funzione iniziale della melatonina era probabilmente quella di spazzino dei radicali liberi. La melatonina si è presumibilmente evoluta nei batteri; è stata misurata sia negli α-proteobatteri sia nei cianobatteri fotosintetici.

Nelle prime fasi dell’evoluzione, i batteri venivano fagocitati dagli eucarioti primitivi per il loro valore nutritivo. Secondo la teoria endosimbiotica, i batteri ingeriti hanno poi sviluppato un’associazione simbiotica con gli eucarioti ospiti. Gli α-proteobatteri ingeriti si sono evoluti in mitocondri, mentre i cianobatteri sono diventati cloroplasti ed entrambi gli organelli hanno mantenuto la capacità di produrre melatonina. Poiché questi organelli si sono conservati fino ai giorni nostri, tutte le specie mai esistite o attualmente esistenti possono aver sintetizzato o continuare a sintetizzare melatonina nei mitocondri (animali e piante) e nei cloroplasti (piante), dove funziona come antiossidante. Le altre funzioni della melatonina, compresi i suoi molteplici recettori, si sono sviluppate più tardi nel corso dell’evoluzione. Negli animali di oggi, attraverso i recettori, la melatonina svolge funzioni di regolazione del sonno, di modulazione dei ritmi circadiani, di rafforzamento dell’immunità, di agente oncostatico multifunzionale, ecc.

Nelle piante, la melatonina continua a svolgere la sua funzione di riduzione dello stress ossidativo, oltre che di promozione della germinazione e della crescita dei semi, di miglioramento della resistenza allo stress, di stimolazione del sistema immunitario e di modulazione dei ritmi circadiani; nelle piante terrestri è stato identificato un unico recettore per la melatonina che controlla la chiusura stomatica delle foglie. Il processo di sintesi della melatonina varia in parte tra piante e animali. L’amminoacido triptofano è il precursore necessario della melatonina in tutti i taxa. Negli animali, il triptofano viene inizialmente idrossilato a 5-idrossitriptofano, che viene poi decarbossilato con la formazione di serotonina. La serotonina viene acetilata a N-acetilserotonina oppure viene metilata per formare 5-metossitriptamina; questi prodotti vengono rispettivamente metilati o acetilati per produrre melatonina. Nelle piante, il triptofano viene prima decarbossilato a triptamina, che viene poi idrossilata per formare serotonina.