根据对数十种微生物家族的新基因分析，第一个能“呼吸”氧气——或者至少使用氧气的生物出现在31亿年前。这一发现令人惊讶，因为地球大气中充满宝贵气体的大氧化事件直到大约5亿年后才发生。加州大学戴维斯分校的进化生物学家Patrick Shih表示，看到这篇论文他非常兴奋。Shih和其他人认为，能够使用氧气的蛋白质的出现标志着需氧微生物出现的关键步骤，这些微生物能够利用氧气。
加州大学河滨分校的生物地球化学家Tim Lyons说，从基本上是无氧的世界转变为基本上是有氧的世界是生命中的主要创新之一。
科学家们普遍认为，地球早期的大气和海洋几乎没有氧气。但有迹象表明，当时周围有一些氧气。例如，地球化学家发现了大约30亿年前形成的矿床，他们认为这些矿床只能在有氧气的情况下形成。还有一些证据表明，最早的光合作用生物蓝藻细菌可能在35亿年前就已经出现，它们作为废物释放氧气，尽管不使用氧气。
然而，批评者反驳说，如果氧气的生产者和使用者出现得那么早，它们会迅速遍布全球。这是因为使用氧气在代谢食物时为生物体提供更多能量。但大氧化事件直到24亿年前才发生。在新研究中，魏茨曼科学研究所的生物化学家Dan Tawfik和他的博士生Jagoda Jabłońska决定从不同方向解决问题。他们分析了130个原核生物家族的基因组，这些生物被认为是地球上最早的微生物细菌和古菌的后代。
Tawfik和Jabłońska使用700种使用或产生氧气的酶的基因创建了一个进化家族树。然后，他们转向了一种长期使用的方法，该方法通过追踪蛋白质的可能突变率来构建“分子钟”。这个钟使他们能够确定每种酶可能的进化时间。在他们研究的130个生物家族中，Jabłońska和Tawfik能够以高度信心确定36个家族的年代。
Tawfik说：“我们看到了一些非常引人注目的东西”：在30亿到31亿年前，微生物使用氧气的“明显爆发”。该团队今天在《自然生态与进化》上报告说，36个家族中有22个似乎是在那时出现的，12个后来出现，只有两个似乎更早。
总的来说，分析表明，大约31亿年前，他们称为最后普遍氧气祖先的生物出现了，Tawfik说。那个祖先反过来产生了能够利用氧气使用所增加的能量输出的需氧生物。最终，这导致了多细胞生物、动物和我们的出现。
如果这一转变确实发生在约30亿年前，它表明使用氧气的生物并没有立即遍布地球。相反，使用氧气的能力可能在小范围内缓慢进化，并在数亿年内逐渐传播。只有当这些生物变得足够丰富时，它们才足够改变地球环境，产生足够的氧气，从而导致大氧化事件。Tawfik说：“我感觉像是一个第一次打开坟墓的考古学家。”
尽管如此，Shih和其他人警告说，分子钟定年仍然是一门不断发展的科学，因此团队的定年可能会有误差。华盛顿大学的天体生物学家Roger Buick说：“事件的顺序几乎肯定是可靠的，但事件的时间可能不是。”