Dlhé miliardy rokov bola atmosféra Zeme takmer bez kyslíka. Zásadný zlom nastal pred približne 2,4 miliardami rokov počas tzv. Veľkej oxidácie (angl. Great Oxidation Event – skr. GOE), kedy sa koncentrácia kyslíka výrazne zvýšila. Práve táto zmena vytvorila podmienky pre vznik zložitejšieho života.
Predpokladalo sa, že organizmy začali kyslík aktívne využívať až po tomto období. Nové zistenia však ukazujú, že niektoré druhy baktérií si schopnosť aeróbneho dýchania osvojili až o 900 miliónov rokov skôr, než kyslík začal stabilne prenikať do atmosféry.
Medzinárodný výskum založený na genetických údajoch viac než tisícky baktérií odhalil viac než 80 genetických prechodov od anaeróbneho k aeróbnemu metabolizmu. Viaceré z týchto zmien sa podľa výpočtov uskutočnili ešte pred Veľkou oxidáciou, v čase, keď bol kyslík v atmosfére len okrajovým javom.
Tieto predčasné aeróbne mikroorganizmy pravdepodobne vytvorili predpoklady pre vývoj kyslíkovej fotosyntézy u siníc – baktérií, ktoré neskôr zohrali kľúčovú úlohu v zásobovaní planéty kyslíkom.
Kyslíkové výkyvy a vulkanická aktivita
Atmosférická oxidácia však nebola náhlym procesom. Pred jej trvalým nástupom dochádzalo k prechodným nárastom kyslíka. Vedci z Tokijskej univerzity zistili, že za týmito výkyvmi pravdepodobne stáli masívne sopečné erupcie označované ako veľké magmatické provincie.
Takéto erupcie uvoľnili obrovské množstvo oxidu uhličitého, čím došlo k otepľovaniu klímy. Zintenzívnilo sa zvetrávanie kontinentálnych hornín, čo viedlo k zvýšeniu obsahu živín, najmä fosforu, v oceánoch. Tento proces podporil rast fotosyntetizujúcich mikróbov, ktoré ako vedľajší produkt produkovali kyslík. Modelové výpočty ukazujú, že kyslíkové výkyvy po erupciách mohli trvať aj milióny rokov. Dôkazy o takýchto udalostiach prinášajú napríklad hornín v Austrálii v Južnej Afrike.
Vývojové dôsledky
Aj krátkodobé zvýšenie kyslíka mohlo vyvíjať tlak na mikroorganizmy, aby si osvojili schopnosti spojené s toleranciou alebo využívaním kyslíka. Tie druhy, ktoré to zvládli, získali výhodu – najmä keď sa kyslík neskôr stal trvalou súčasťou atmosféry. Postupné zväčšovanie kontinentov zároveň zvýšilo účinnosť tohto procesu. Väčšia plocha pevniny znamenala viac živín pre oceány a silnejšiu odozvu na vulkanické impulzy. Každá ďalšia erupcia tak mohla Zem priblížiť k trvalej oxidácii.
Výskum podporuje hypotézu, že kyslík sa v biosfére objavil v etapách a nie ako jednorazová revolúcia. Zároveň ukazuje, že genetické schopnosti mikroorganizmov a geologické procesy boli úzko prepojené v dlhodobom vývoji Zeme.