Atmosfera ziemska składa się w około 78% z azotu i 21% z tlenu, ze śladowymi ilościami innych gazów. Tlen jest niezbędny do życia wszystkich zwierząt i wielu innych organizmów. Ponieważ gaz jest zużywany przez formy życia oddychające tlenem, a także ma tendencję do reagowania z wieloma skałami i minerałami, musi być stale uzupełniany. Około 98% tlenu atmosferycznego pochodzi z fotosyntezy, procesu, w którym rośliny wytwarzają cukry z dwutlenku węgla i wody. Pozostała część wynika z rozpadu wody przez promieniowanie ultrafioletowe.
Fotosynteza
Rośliny i niektóre bakterie wykorzystują fotosyntezę do produkcji żywności w postaci cukrów i innych substancji bogatych w energię. Woda i dwutlenek węgla są pobierane przez organizm, a światło słoneczne dostarcza energii, która napędza ten proces. Tlen jest bardzo użytecznym produktem ubocznym. O ile naukowcy mogą stwierdzić, poziomy tlenu na Ziemi pozostają dość stabilne od kilkuset milionów lat. Wskazuje to, że produkcja tlenu przez fotosyntezę była mniej lub bardziej zrównoważona jego zużyciem przez inne procesy, takie jak oddychanie tlenem lub tlenowe formy życia i reakcje chemiczne.
Źródłem tlenu atmosferycznego w procesie fotosyntezy jest fitoplankton, taki jak sinice w oceanie oraz drzewa i inne rośliny zielone na lądzie. Kwota, jaką wnosi każde źródło, jest przedmiotem dyskusji: niektórzy naukowcy sugerują, że ponad połowa pochodzi z oceanów, podczas gdy inni podają, że liczba ta jest bliższa jednej trzeciej. Jasne jest, że liczby te zmieniały się w czasie geologicznym, w zależności od równowagi życia na Ziemi. Na przykład, gdy atmosfera rozwijała się po raz pierwszy, większość tlenu pochodziła z sinic.
Wzrost poziomu tlenu
Uważa się, że początkowo tlen wytwarzany przez cyjanobakterie był zużywany w reakcji z żelazem w glebie, skałach i oceanach, tworząc związki tlenku żelaza i minerały. Geolodzy mogą oszacować ilość tlenu w atmosferze w czasach starożytnych, obserwując rodzaje związków żelaza w skałach. W przypadku braku tlenu żelazo ma tendencję do łączenia się z siarką, tworząc siarczki, takie jak piryty. Jednak gdy jest obecny, związki te rozkładają się, a żelazo łączy się z tlenem, tworząc tlenki. W rezultacie piryty w dawnych skałach wskazują na niski poziom tlenu, a tlenki na obecność znacznych ilości gazu.
Gdy większość dostępnego żelaza połączyła się z tlenem, gaz mógł gromadzić się w atmosferze. Uważa się, że około 2.3 miliarda lat temu poziom wzrósł z maleńkiego śladu do około 1% atmosfery. Potem wydawało się, że przez długi czas sytuacja się równoważyła, ponieważ inne organizmy ewoluowały, aby wykorzystywać tlen do dostarczania energii poprzez utlenianie węgla, wytwarzając dwutlenek węgla (CO2). Osiągnęli to, jedząc bogaty w węgiel organiczny materiał roślinny, żywy lub martwy. Stworzyło to równowagę, z produkcją tlenu poprzez fotosyntezę dopasowaną do jego zużycia przez organizmy oddychające tlenem.
Wydaje się, że z powodu tej równowagi sama fotosynteza nie może wyjaśnić początkowego wzrostu tlenu. Jednym z wyjaśnień jest to, że martwa materia organiczna została zakopana w mule lub innym osadzie i nie była dostępna dla organizmów tlenowych. Ta materia nie mogła łączyć się z tlenem atmosferycznym, więc nie cały wyprodukowany pierwiastek został w ten sposób zużyty, co pozwoliło na podniesienie poziomu.
W pewnym momencie później w historii Ziemi poziom tlenu wzrósł dramatycznie do poziomu zbliżonego do obecnego. Niektórzy naukowcy uważają, że mogło to mieć miejsce około 600 milionów lat temu. W tym czasie pojawiło się wiele stosunkowo dużych, złożonych organizmów wielokomórkowych, które wymagałyby znacznie wyższych poziomów tlenu. Nie jest jednak jasne, co spowodowało tę zmianę. Co ciekawe, stało się tak, gdy Ziemia wydawała się wychodzić z ogromnej epoki lodowcowej, podczas której większość planety była pokryta lodem.
Jedna z teorii głosi, że lodowce podczas przemieszczania się i wycofywania rozdrabniały skały bogate w fosfor i uwalniały jego ogromne ilości do oceanów. Fosfor jest niezbędnym składnikiem odżywczym fitoplanktonu, więc mógł spowodować eksplozję tej formy życia. To z kolei doprowadziłoby do zwiększonej produkcji tlenu, z prawdopodobnie bardzo małą ilością życia na lądzie, które mogłoby go zużyć. Jednak nie wszyscy naukowcy zgadzają się z tą teorią i od 2012 r. kwestia pozostaje nierozwiązana.
Zagrożenia atmosferycznego poziomu tlenu
Badanie wykazało, że poziom tlenu stale spadał w latach 1990-2008 o około 0.0317% ogółem. Przypisuje się to głównie spalaniu paliw kopalnych, które zużywają tlen podczas spalania. Spadek jest jednak mniejszy niż oczekiwano, biorąc pod uwagę ilość spalonych paliw kopalnych w tym okresie. Jedną z możliwości jest to, że zwiększony poziom dwutlenku węgla, prawdopodobnie w połączeniu z użyciem nawozów, sprzyja szybszemu wzrostowi roślin i większej fotosyntezie, częściowo kompensując straty. Szacuje się, że nawet gdyby wszystkie światowe rezerwy paliw kopalnych zostały spalone, miałoby to bardzo niewielki bezpośredni wpływ na poziom tlenu.
Innym popularnym problemem jest wylesianie. Chociaż niszczenie dużych obszarów lasów deszczowych ma wiele innych poważnych skutków dla środowiska, uważa się, że jest mało prawdopodobne, aby znacząco obniżyło poziom tlenu. Oprócz drzew i innych roślin zielonych lasy deszczowe wspierają całą gamę życia oddychającego tlenem. Wydaje się, że lasy te w niewielkim stopniu przyczyniają się do ogólnego poziomu tlenu atmosferycznego, ponieważ zużywają prawie tyle samo tlenu, ile produkują.
Poważniejszym zagrożeniem może być wpływ działalności człowieka na fitoplankton, który według niektórych źródeł w największym stopniu przyczynia się do globalnego poziomu tlenu. Istnieje obawa, że zwiększony poziom dwutlenku węgla w atmosferze ze spalania paliw kopalnych może spowodować, że oceany będą cieplejsze i bardziej kwaśne, co może zmniejszyć ilość fitoplanktonu. Od 2012 r. dowody są niejasne, ponieważ różne typy fitoplanktonu podlegają różnym wpływom. Liczba niektórych może spadać, podczas gdy inne mogą rosnąć i fotosyntetyzować szybciej.