Протерозой

Протерозой продолжался с 2,5 млрд до 542 млн лет назад.^[2]:130 В этот промежуток времени кратоны выросли до материков современных размеров. Важнейшим изменением стало появление богатой кислородом атмосферы. Жизнь совершила путь от прокариот в эукариоты и многоклеточные формы. Согласно одной из распространенных гипотез, в протерозое произошли несколько сильных оледенений, называемых Земля-снежок. После последней Земли-снежка около 600 млн лет эволюция жизни на Земле ускоряется. Около 580 млн лет назад эдиакарская биота формируются условия для кембрийского взрыва.

Кислородная революция

Первые клетки поглощали энергию и продукты питания из окружающей среды вокруг них. Они использовали брожение, распад более сложных соединений в менее сложные с меньшей энергией, и использовали освобожденную энергию для роста и размножения. Брожение может происходить только в анаэробной (бескислородной) среде. Появление фотосинтеза позволило клеткам производить свои собственные продукты питания.^[100]:377

Большая часть жизни, которые покрывает поверхность Земли, зависит прямо или косвенно от фотосинтеза. Наиболее распространенная форма, кислородный фотосинтез, превращает углекислый газ, воду и солнечный свет в пищу. Этот процесс преобразует энергию солнечного света в богатые энергией молекулы, такие как АТФ, которые затем обеспечивают энергию, чтобы производить сахар. Для доставки электронов в оборот, водород извлекается из воды, отбрасывая кислород в качестве побочного продукта.^[101] Некоторые организмы, в том числе пурпурные бактерии и зелёные серные бактерии, используют форму бескислородного фотосинтеза. Вместо водорода эти организмы извлекают из воды доноров электронов, таких как сероводород,сера и железо. Такие организмы в основном ограничивается жизнью в экстремальных условиях, в таких как горячие и гидротермальные источники.^{[100]:379–382[102]}

Простейшие бескислородные формы появились около 3,8 млрд лет назад, вскоре после появления жизни. Время появления кислородного фотосинтеза является более спорным, он, безусловно, появился около 2,4 млрд лет назад, но некоторые исследователи отодвигают время его появления до 3.2 млpд лет.^[101] Позже «глобальная производительность, вероятно, повысилась по крайней мере на два или три порядка.»^[103][104] Среди самых старых остатков форм жизни, прозводивших кислород, являются ископаемые строматолиты.^{[103][104][105]}

Сначала освобожденный кислород связывался известняками, железом и другими минералами. Окисленное железо выглядит как красный слой в геологических пластах и называется железистыми формациями (англ.). Эти слои образуются в изобилии в течение сидерийского периода (между 2500 и 2300 млн лет назад).^[2]:133 Когда большая часть свободных минералов окислилась, кислород, наконец, начинает накапливаться в атмосфере. Хотя каждая клетка производит только незначительное количество кислорода, однако объединенный метаболизм многих клетках в течение длительного времени преобразует атмосферу Земли в её современное состояние. Это была третья земная атмосфера.^{[106]:50–51[64]:83–84,116–117}

Под воздействием ультрафиолетового излучения некоторое количество кислорода преобразуется в озон, который собирается в слой вблизи верхней части атмосферы. Озоновый слой поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения, который когда-то свободно проходил через атмосферу. Это позволило клеткам колонизировать поверхности океана и в конце концов землю. Без озонового слоя ультрафиолетовое излучение бомбардировало бы сушу и море и вызывало бы неустойчивый уровень мутаций в клетках.^{[107][62]:219–220}

Фотосинтез вызвал ещё один важный эффект. Кислород был токсичен, и многие формы жизни на Земле, вероятно, вымерли когда уровень кислорода резко вырос в так называемой кислородной катастрофе. Устойчивые формы выжили и процветают, а некоторые развили способность использовать кислород, усилив свой метаболизм и получая больше энергии из того же объёма пищи.^[107]

Земля-снежок

В результате естественной эволюции Солнце давало все больше света в архее и протерозое, светимость Солнца повышается на 6 % каждый миллиард лет.^[62]:165 В результате Земля стала получать больше тепла от Солнца в протерозое. Тем не менее, Земля не нагревается. Вместо этого геологические записи показывают, что в начале протерозоя Земля значительно охлаждается. Ледниковые отложения, найденные в Южной Африке, датируются 2,2 млрд лет, а данные палеомагнитных (англ.) измерений указывают на их положение в районе экватора. Таким образом, оледенение, известное как Гуронское оледенение, возможно, было глобальным. Некоторые ученые предполагают, что это и последующие протерозойские ледниковые периоды были настолько серьёзными, что планета была полностью заморожена от полюсов до экватора. Эта гипотеза называется Земля-снежок.^[108]

Ледниковый период около 2,3 млрд лет назад могло быть непосредственно вызвано увеличением концентрации кислорода в атмосфере, что привело к уменьшениюметана (CH₄) в атмосфере. Метан является сильным парниковым газом, но с кислородом реагирует с образованием CO₂, менее эффективным парниковым газом.^[62]:172Когда свободный кислород появился в атмосфере, концентрация метана могла резко снизиться, чего стало достаточно для борьбы с эффектом увеличения теплового потока от Солнца.^[109]