現在地球大気の21%を占める酸素は、地球誕生時からずっと存在していたのではなく、あるとき突然増えたことがこれまでの研究でわかっていた。特に約20〜24億年前に急激に増えたことが様々な地質学的な証拠として残っているが（注1）、具体的にいつごろか、というのはよくわかっていなかった。

東京大学と海洋研究開発機構（JAMSTEC）などの研究チームがカナダ・オンタリオ州にある約22〜24.5億年前の堆積岩の地層を調べたところ、およそ23億年前に酸素濃度が急増し、生物の栄養となる元素が大量に海に流れ込んだことが判明した。

今回の研究では、オスミウム（注2）という元素が調べられた。オスミウムは酸素濃度が増えるとイオン化して溶け出すため、酸素濃度が急増した時に溶け出したオスミウムが沈殿して堆積岩の中に取り込まれることを利用した。

さらに、大陸から流れ出てくるオスミウムは海底のものとは同位体比（注3）が異なるため、同位体比を調べることで、風化によって大陸から流れ出てきた度合いを調べることができる。

その結果、およそ23億年前、氷河期が終了し温暖化していく時期にオスミウムが急増、つまり酸素濃度が急激に上昇したことが確認された。また、オスミウム濃度と同じくオスミウム同位体比も上昇していたため、風化作用によって大陸の岩石に含まれていたさまざまな元素が海へと流れ出ていったことがわかった。

なぜ酸素が急激に増え始めたのか、その理由はよくわかっていないが、この研究によって以下のような仮説が考えられる。

今から約23億年前、地球はほぼ全球を氷河で覆われてしまうような大氷河期（注4）にあった。その氷河期が何らかの理由で終了して温暖化が進む過程で、急激に風化が進み生物の栄養塩が海に大量に流れ込んだ。光合成を行う生命が急激に繁殖した結果、大気中の酸素濃度が急増した。そのため、それまで大気中にあったメタンなどが酸化して温室効果ガスの効果が減少し、再び地球が氷河期になり、また回復期に酸素が大気中へと放出される。

この時代には全球凍結を含む破滅的な氷河期が繰り返し起きていたことが知られており、温暖化するときの酸素放出が、大気に酸素が十分満ちるまで行われていたのかもしれない。

人間を含む多くの生物の祖先（真核生物）は、酸素が急激に増えた約20億年前に誕生したと考えられている。この発見は、高等生命の誕生や気候と生物圏の関係、ひいては地球外生命の存在の可能性にも重要な示唆を与える結果と言えそうだ。