Enzymet-nitrogenas-kan spåras tillbaka till den universella gemensamma förfadern till alla celler för mer än fyra miljarder år sedan.

Finns bara i bakterier idag, nitrogenas är ändå nödvändigt för produktionen av syre från vatten i fotosyntesen, vilket gör det avgörande för hur vattenlevande bakterier producerade jordens första molekylära syre för 2,5 miljarder år sedan.

"Under hälften av jordens 4,6 miljarder år långa existens, atmosfären innehöll bara koldioxid och kväve, utan syre, men detta förändrades när cyanobakterier, även känd som blågröna alger, började producera det första syret med hjälp av nitrogenas. Detta ledde till den stora oxidationshändelsen, " förklarade studieförfattaren professor John Allen (UCL Genetics, Evolution &Miljö).

"Men istället för att stiga stadigt, Atmosfäriska syrehalter stabiliserades på 2 volymprocent i cirka två miljarder år innan de ökade till dagens nivå på 21 %. Orsakerna till detta har länge diskuterats av forskare och vi tror att vi äntligen har hittat ett enkelt men robust svar."

En studie, publicerad idag i Trender inom växtvetenskap av forskare från UCL, Queen Mary University of London och Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, föreslår för första gången att atmosfäriskt syre producerat med nitrogenas blockerade enzymet från att fungera.

Denna negativa återkopplingsslinga förhindrade att ytterligare syre bildades och initierade en lång period av stagnation i jordens historia för cirka 2,4 miljarder år sedan.

Varar nästan två miljarder år, den proterozoiska eonen såg mycket liten förändring i livets utveckling, hav och atmosfärs sammansättning och klimat, vilket leder till att vissa kallar det den "tråkiga miljarden".

"Det finns många idéer om varför atmosfärens syrenivåer stabiliserades på 2% under en så otroligt lång tid, inklusive syre som reagerar med metalljoner, men anmärkningsvärt, nyckelrollen för nitrogenas har helt förbisetts, " sa studiens medförfattare professor William Martin (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf).

"Vår teori är den enda som står för den globala inverkan på produktionen av syre under en så långvarig tidsperiod och förklarar varför den kunde stiga till de nivåer vi ser idag, underblåser livets utveckling på jorden."

Teamet säger att den negativa återkopplingsslingan slutade först när växter erövrade land för cirka 600 miljoner år sedan.

När landväxter dök upp, deras syreproducerande celler i bladen var fysiskt separerade från nitrogenasinnehållande celler i jorden. Denna separation tillät syre att ackumuleras utan att hämma nitrogenas.

Denna teori stöds av bevis i fossilregistret som visar att cyanobakterier hade börjat skydda nitrogenas i dedikerade celler som kallas heterocyster för cirka 408 miljoner år sedan, när syrenivåerna redan ökade från fotosyntes i landväxter.

"Nitrogenas är avgörande för livet och fotosyntesprocessen eftersom det fixerar kväve i luften till ammoniak, som används för att göra proteiner och nukleinsyror, " sa medförfattaren Mrs Brenda Thake (Queen Mary University of London).

"Vi vet från studier av cyanobakterier i laboratorieförhållanden att nitrogenas slutar att fungera vid högre än 10% nuvarande atmosfäriska nivåer, vilket är 2 volymprocent, eftersom enzymet snabbt förstörs av syre. Trots att detta är känt av biologer, det har inte föreslagits som en drivkraft bakom ett av jordens stora mysterier, tills nu."