Cách đây khoảng 2 tỉ năm, Trái đất trải qua một đợt ô nhiễm tồi tệ. Trước đó, hầu như oxygen không tồn tại trong không khí, nhưng dần dà oxygen do các vi khuẩn lam thải ra bầu khí quyển quá nhiều và chiếm hết hydrogen trong nước nên tất cả các loại vi khuẩn bị đe doạ vì chúng không thể dùng được oxygen.

Oxygen rất độc hại cho vi khuẩn vì nó phản ứng với các thành phần căn bản của sự sống (carbon, hydrogen, sulfur, và nitrogen). Thành phần oxygen trong khí quyển tăng dần từ một phần triệu lên một phần năm, chính xác hơn là từ 0,0001 lên 21 phần trăm.

Các vi khuẩn sống sót qua đợt thay đổi khí hậu này đã phải tái tổ chức một cách triệt để. Bằng một trong những thay đổi vĩ đại nhất trong lịch sử, các vi khuẩn lam đã tìm ra cách thở bằng oxygen và sử dụng khí này một cách có kiểm soát. Chúng giờ đã có thể vừa quang hợp, tức là sản xuất oxygen, vừa hô hấp, là quá trình sử dụng oxygen. Nồng độ oxygen trong khí quyển ổn định ở mức 21 phần trăm, chính là nồng độ hiện nay. Tại sao oxygen lại ổn định ở mức này vẫn còn là điều bí ẩn, nhưng nếu chỉ cao hơn vài phần trăm, các sinh vật sẽ bốc cháy, còn nếu thấp hơn chút ít, chúng sẽ chết ngạt.

Khi nồng độ oxygen trong khí quyển tăng lên mức 21 phần trăm, một loại tế bào mới ra đời. Các vi khuẩn đã tiến hóa để có thể hô hấp bằng oxygen gặp được một nguồn năng lượng vượt ngoài khả năng sử dụng hiệu quả của chúng. Một số vi khuẩn tiến hoá thành một dạng tế bào mới, được gọi là tế bào có nhân, tức eukaryote, có hai đặc trưng: có một nhân bọc trong màng riêng cộng với thành phần sử dụng oxygen được gọi là ti thể (mitochondria). Nhiều người coi sự biến đổi tế bào từ không nhân sang có nhân là bước tiến to lớn nhất trong toàn bộ lịch sử sinh học. Từ đó, chưa bao giờ còn diễn ra một biến đổi tương tự, tất cả mọi sinh vật đa bào ngày nay đều hình thành từ các tế bào có nhân (xem Hình 2.2).

Các tế bào mới, to hơn và phức tạp hơn tế bào không nhân nhiều lần, có tế bào chất di chuyển vòng quanh các cơ cấu bên trong của chúng. Bên trong nhân là các chromosome chứa số DNA nhiều hơn DNA của tế bào không nhân 1.000 lần. Chức năng của số lượng DNA khổng lồ này là gì vẫn còn là một thách đố cho ngành sinh học phân tử. Một số tế bào mới cũng có các thành phần quang hợp được gọi là thể hạt (plastid), hay lạp thể (chloroplast), cùng các thành phần sử dụng oxygen, được gọi là ti thể (mitochondria).

Nhiều nhà sinh vật học cho rằng có khả năng chúng từng là các vi khuẩn riêng biệt bị nhốt bên trong một vi khuẩn khác. Một thí nghiệm đã cho thấy trong amip (amoeba) – loại động vật đơn bào cực nhỏ, vi khuẩn nguy hiểm có thể trở thành các thành phần cần thiết (organelle) trong vòng dưới một thập kỷ. Lý luận tương tự, tế bào có nhân dường như là sự kết hợp của những sinh vật khác biệt.

Tế bào có nhân xuất hiện sớm nhất là vào khoảng cách đây 1,9 tỉ năm trước. Trong khoảng từ 1,7 cho đến 1,5 tỉ năm trước đây, các sinh vật do tế bào có nhân tạo thành đã phát triển một cách sinh sản mới, đòi hỏi sự tham gia của hai cá thể. Theo cách này, tế bào tinh trùng của một cá thể kết hợp với tế bào trứng của cá thể còn lại. Sau khi chúng kết hợp và phân chia, một sinh vật mới ra đời với bộ chromosome hoàn chỉnh, một nửa từ cha và nửa còn lại là từ mẹ. Sinh sản theo cách này từ lúc đó cho tới nay không còn thay đổi nữa.

Với sự xuất hiện của tế bào có nhân và cách thức sinh sản mới, các tế bào bắt đầu kết hợp với nhau thường xuyên hơn. Các tế bào cũ đôi khi nối lại để trở thành sinh vật đa bào, nhưng các tế bào mới bắt đầu kết hợp với nhau nhiều hơn, cuối cùng trở thành cây cối và động vật. Hai tế bào kết hợp lại để hình thành nên một tế bào mới tạo ra các gene đa dạng hơn – thông qua sự tái kết hợp của gene từ hai nguồn riêng rẽ hoặc qua những sai sót trong quá trình sao chép (đột biến gene). Theo cả hai cách này thì khả năng hình thành các sinh vật mới tăng lên rất nhiều.

Năm phần sáu lịch sử của sự sống là quá trình phát triển của các sinh vật đơn bào, hay vi khuẩn. Chúng tạo ra mọi cấu trúc hoá học cho phép sự sống tiếp diễn. Chúng ta thường coi vi khuẩn là các mầm bệnh phải tiêu diệt, nhưng chúng chính là tổ tiên cần được tôn trọng, chưa kể là các vị khách cần phải được tiếp đón ân cần; ngoài da của mỗi chúng ta đang có khoảng một nghìn tỉ vi khuẩn cư trú.

Chúng vẫn đang thống trị thế giới như chúng từng thống trị từ trước tới nay, vì một thực thể sống càng bé càng ít phức tạp và do đó càng dễ hình thành và tồn tại.