地球には本当に素晴らしい特質がいくつかある。（否定的なレビューは、主にスタッフと客層に集中していると言わざるを得ないが。）その特質の上位に挙げられるのが、酸素が豊富な大気だが、それは一朝一夕に実現したわけではない——私たちのような動物の生命を育む世界になるには、数十億年の進化を要した。

科学者たちは酸素増加の原因について多くのアイデアを持っており、そのうちのいくつかはおそらく正しいようだ。生命もその一部であり、光合成生物が酸素を送り出している。固体地球の化学も役割を果たしており、光合成生物を支えるとともに、大気と地球深部の岩石の間で酸素をやり取りする反応にも関与している。

成都理工大学のWei Shiが主導する新しい研究は、沈み込み（プレートが地球内部に消えていくプロセス）の変化の証拠が酸素の急増のタイミングと一致することを示唆している。地球は時間とともに徐々に冷却しており、その初期の歴史のわずかな残骸は、主要な地質学的プロセスがその結果としてかなり進化したことを示している。初期には、冷たく密度の高い地表の岩石が熱いマントルの岩石を通って沈み込み、現代のプレートテクトニクスとはほとんど似ていなかった。私たちの周りの大陸は45億年かけての建設プロジェクトであり、初期に何があったかを想像するには想像力が必要だ。

それは滑らかで直線的な進化ではなかった——その地質学的歴史には移行点があるように思われる。地球大気の酸素化も直線的ではなかった。それは約24億から20億年前の大酸化イベントで急増し、その後停滞し、8億から5億年前に再開した。4億5000万から2億5000万年前の3回目の増加で、現代の酸素レベルに達した。

研究チームのアイデアは、沈み込みの変化が、酸素と結合するのが大好きな炭素と硫黄がどれだけ深部に運ばれるかを制御することで、大気中の酸素に影響を与えた可能性があるというものだ。マントルがより高温の場合、炭素と硫黄は沈み込んだ岩石とともにあまり深くまで行かず、浅いマントルに放出され、すぐに火山を通じて戻ってきて、元気な酸素分子を捕獲する準備ができる。逆に、より冷たいマントルに沈み込むプレートは、より多くの硫黄と炭素を保持する。

沈み込んだ岩石が地表に戻ってくる場所では、その中の鉱物と微妙な化学組成が、それらが経験した温度と圧力を教えてくれる。このデータを比較することで、チームは沈み込みの歴史の全体像をまとめた。仮説が正しければ、大気中の酸素増加と同時期に低温の沈み込みが期待される。

データは確かに一致しているようだ。低温の沈み込みは22億から18億年前に現れ、その後休止を挟んで、過去8億年にわたって支配的になる。初期の期間は最初の大酸化イベントと一致し、最近の期間は2回目と3回目の酸素増加をカバーしている。（その間の期間は地質学では「退屈な10億年」として知られている。なぜなら…あまり何も起こっていなかったように見えるからだ。）この歴史を基本的な化学モデルで実行すると、研究者たちは酸素化のタイムラインを大まかに再現できることを発見した。

物語の始まりは、初期の超大陸コロンビアの集合である可能性があると彼らは言う。海面上の陸地があれば、浸食によって海洋に十分な栄養素が供給され、大量の光合成シアノバクテリアを支えることができる——これは有機炭素に富む海底堆積岩に見られる。コロンビアの分裂は、低温沈み込みの最初の兆候と一致し、これによりより多くの有機炭素と炭酸塩がマントル深くに沈み込むことが可能になった。

その後、退屈な10億年が訪れ、マントル対流やプレート運動さえも鈍かったようだ。しかしその後、ゴンドワナとパンゲアの形成と分裂が、現在のテクトニックマップへと私たちを導いた。