La mélatonine est une molécule ancienne qui remonte à l’origine de la vie. La fonction initiale de la mélatonine était probablement celle d’un piégeur de radicaux libres. La mélatonine a probablement évolué dans les bactéries ; elle a été mesurée à la fois dans les α-protéobactéries et dans les cyanobactéries photosynthétiques.
Au début de l’évolution, les bactéries étaient phagocytées par les eucaryotes primitifs pour leur valeur nutritive. Selon la théorie endosymbiotique, les bactéries ingérées ont fini par développer une association symbiotique avec leurs eucaryotes hôtes. Les α-protéobactéries ingérées se sont transformées en mitochondries tandis que les cyanobactéries sont devenues des chloroplastes et les deux organites ont conservé leur capacité à produire de la mélatonine. Comme ces organites ont persisté jusqu’à aujourd’hui, toutes les espèces qui ont existé ou qui existent actuellement peuvent avoir synthétisé ou continuer à synthétiser de la mélatonine dans leurs mitochondries (animaux et plantes) et dans leurs chloroplastes (plantes), où elle joue le rôle d’antioxydant. Les autres fonctions de la mélatonine, y compris ses multiples récepteurs, se sont développées plus tard au cours de l’évolution. Chez les animaux actuels, par l’intermédiaire des récepteurs, la mélatonine intervient dans la régulation du sommeil, la modulation des rythmes circadiens, le renforcement de l’immunité, en tant qu’agent oncostatique multifonctionnel, etc., tout en conservant sa capacité à réduire le stress oxydatif par des processus qui sont, en partie, indépendants des récepteurs.
Chez les plantes, la mélatonine continue à réduire le stress oxydatif, à favoriser la germination et la croissance des graines, à améliorer la résistance au stress, à stimuler le système immunitaire et à moduler les rythmes circadiens ; un seul récepteur de mélatonine a été identifié chez les plantes terrestres, où il contrôle la fermeture des stomates sur les feuilles. La voie de synthèse de la mélatonine varie quelque peu entre les plantes et les animaux. L’acide aminé tryptophane est le précurseur nécessaire de la mélatonine dans tous les taxons. Chez les animaux, le tryptophane est d’abord hydroxylé en 5-hydroxytryptophane, qui est ensuite décarboxylé pour former la sérotonine. La sérotonine est soit acétylée en N-acétylsérotonine, soit méthylée en 5-méthoxytryptamine ; ces produits sont respectivement méthylés ou acétylés pour produire la mélatonine. Chez les plantes, le tryptophane est d’abord décarboxylé en tryptamine qui est ensuite hydroxylée pour former la sérotonine.