Предполагается, что изначально преимущественно углеродная атмосфера стала насыщаться кислородом в позднем архее, примерно 2,5 млрд лет назад. Данный период известен как кислородная катастрофа или великое окисление. Тогда атмосфера насытилась кислородом, изменив состав с восстановительного на окислительный.

Это связывают с интенсивным распространением фотосинтезирующих микроорганизмов в благоприятных условиях и отсутствии конкуренции. Основная роль принадлежала цианобактериям. С накоплением кислорода в атмосфере условия на планете существенно изменились, что вызвало вымирание многих анаэробных простейших.

Однако цианобактерии появились за несколько сотен млн лет до кислородной катастрофы, поэтому столь длительное насыщение кислородом атмосферы вызывает вопросы. К тому же в горных породах обнаружены свидетельства кратковременных всплесков концентрации кислорода еще до великого окисления.

Новое исследование Токийского университета было посвящено объяснению этих фактов. Ученые провели численное моделирование для изучения биологических, геологических и химических изменений 3-2,5 млрд лет назад.

По результатам установлено, что около 3 млрд лет назад на Земле мог периодически проявляться интенсивный вулканизм. Он приводил к насыщению атмосферы углекислым газом, что повышало парниковый эффект. В таких условиях интенсифицировалось выветривание горных пород на молодых континентах. За счет этого с поверхностным стоком существенно повышался вынос в океан высвобождающихся питательных элементов, таких как фосфор. Таким образом создавались ресурсы для распространения организмов. Последнее происходило скачкообразно, в приуроченности к периодам вулканической активности: после ее прекращения ресурсы быстро истощались выросшими популяциями, что вело к их сокращению. Это объясняет скачки концентрации кислорода в позднем архее.