Forskare har föreslagit flera förklaringar till vad som kallas Great Oxidation Event (GOE) – den plötsliga ökningen av syrenivåer som började för cirka 2,3 miljarder år sedan och troligen var kopplad till uppkomsten och spridningen av cyanobakterier. Men det exakta sättet på vilket syre steg från låga nivåer för att dominera jordens atmosfär har varit oklart.
"Tidigare studier har föreslagit olika idéer för hur detta ägde rum, men de saknade i allmänhet förmågan att undersöka hur det utvecklande ekosystemet kan återkoppla miljön och påverka dynamiken", säger Jacky Austermann, astrobiolog vid University of California, Los Angeles Angeles. "Här visar vi att när syreproducerande cyanobakterier når en viss koncentration kan de faktiskt driva planeten till ett tillstånd som domineras av syre."
En av de första mikroorganismerna, cyanobakterier finns i nästan alla ekosystem på jorden, och är kända som "blågröna alger" på grund av deras pigmentfärg och förmåga att utföra fotosyntes - en process som använder solens energi för att omvandla koldioxid och vatten till sockerarter.
En biprodukt av fotosyntesen är syre. Dagens atmosfär består av 21 procent syre, varav det mesta tros ha genererats under miljontals år av forntida fotosyntes.
Vad som inte är känt är varför atmosfären var så syrefattig innan cyanobakterier dök upp - det uppskattas ha varit mindre än 0,1 procent av sin nuvarande nivå, även om även det är tillräckligt för att stödja enkla former av liv.
För att ta itu med denna fråga utvecklade Austermann och kollegor en modell för att undersöka uppkomsten och spridningen av cyanobakterier i haven, och simulerade de förhållanden under vilka haven skulle övergå till att domineras av syre.
Teamet började med att utveckla en modell av ett hav som innehåller de enklaste livsformerna, som inte producerade syre. De introducerade sedan ett begränsat antal cyanobakterier, vars populationer började växa när fotosyntesen drev dem att utnyttja tillgängliga resurser.
Forskarna körde sin modell flera gånger, med varierande antal initiala cyanobakterier och hastigheten för olika biokemiska processer, såsom fotosyntes, väderpåverkan och syreförbrukningen hos andra mikrober.
De fann att det finns en kritisk tröskel för koncentrationen av cyanobakterier, bortom vilken haven genomgår en snabb och irreversibel övergång från att domineras av icke-syreproducerande organismer till att domineras av cyanobakterier.
Medan den exakta befolkningstätheten vid denna tröskel kan variera under olika omständigheter, beräknar teamet att det krävde den totala biomassan av cyanobakterier för att nå ungefär en tiotusendel av totalt organiskt kol - byggstenarna för alla levande organismer - som finns i ekosystemet.
"Om bara en liten mängd cyanobakterier kan generera en skenande syreökning, kan det förklara den relativt abrupta naturen hos GOE i det geologiska rekordet", säger Benjamin Johnson, en paleobiolog också vid UCLA.
Deras modell identifierade också de faktorer som var mest ansvariga för den stora oxidationshändelsen:den var mest känslig för styrkan av kemisk vittring och koncentrationen av vissa typer av järnoxiderande bakterier.
Forskarna säger att nästa steg är att undersöka andra scenarier än den enkla exponentiella tillväxthastigheten för cyanobakteriella populationer som de använde här, och att utforska återkopplingseffekterna av andra komponenter i kolcykeln.
