地球/4b. 大气中的氧气
被归类为 亲石元素，地球上绝大多数的氧气都存在于岩石中，特别是以 SiO2 和其他硅酸盐矿物和碳酸盐矿物的形式存在。在地球早期历史中，大气中大部分氧气与碳 (CO2)、硫 (SO2) 或氮 (NO2) 结合。然而，如今，游离氧 (O2) 占大气的 20.95%。如果没有今天大气中的氧气，你就无法呼吸空气，会很快死亡。
地球上氧气的起源是地球大气与行星生命相互作用的伟大故事之一。大气中的氧气是在一个被称为太古宙 (40 亿到 25 亿年前) 的漫长时期内产生的，当时生命首次出现在地球上并开始多样化。
地球早期的微观单细胞生命形式利用原始的大气气体进行呼吸，主要是 CO2、SO2 和 NO2。这些原始生命形式被称为古菌，或古细菌，来自希腊语 arkhaios，意思是原始。科学家将缺乏游离氧的环境称为缺氧，字面意思是没有氧气。低氧，意思是氧气含量低的 environment，而euxinic 指的是既缺氧又含有大量硫化氢 (H2S) 的环境。这些类型的大气在太古宙 非常普遍。
在太古宙，存在着三种主要的古细菌生命形式，它们代表着不同的微生物单细胞生物群体，所有这些生物今天仍然生活在缺氧环境中。这些早期的古细菌都没有光合作用的能力，而是依靠化能合成，即生物利用从仅涉及无机化学物质的反应中获得的能量合成有机化合物，通常在没有阳光的情况下进行。
产甲烷生物利用二氧化碳 (CO2)，通过在没有氧气的情况下进行一系列复杂的化学反应，将其用于生产甲烷 CH4 和 CO2。产甲烷需要一些碳水化合物 (含有碳、氧和氢的大型有机分子) 以及氢，但这些生物特别是在海洋黑暗和深处的海底沉积物中产生甲烷 (CH4)。如今，它们也存在于许多动物的肠道中。
硫酸盐还原生物利用二氧化硫 (SO2) 中的硫，将其用于生产硫化氢 (H2S)。硫酸盐还原生物需要碳源，通常以甲烷 (CH4) 或其他有机分子的形式存在，以及硫源，通常存在于火山喷口附近。
固氮生物利用二氧化氮 (NO2) 中的氮，将其用于生产氨 (NH4)。固氮生物也需要碳源，通常以甲烷 (CH4) 或其他有机分子的形式存在。
所有三种生命形式都表现出厌氧呼吸，或者是不涉及游离氧的呼吸。事实上，这些生物产生在氧气存在下会燃烧或燃烧的气体，因此氧化以释放能量。甲烷 (CH4) 和硫化氢 (H2S) 都是易燃气体，在富含有机碳的现代缺氧环境中含量丰富，例如在下水道系统和地下油气储层中。
在太古宙，出现了一类新的生物，它将彻底改变地球的大气，它们被称为蓝细菌。作为第一个能够光合作用的单细胞生物，蓝细菌将二氧化碳 (CO2) 转化为游离氧 (O2)。这使微生物能够直接从大气或海水获得碳。然而，光合作用需要使用阳光或光子，这使得这些生物无法永久生活在黑暗中。它们会根据阳光的可用性，在海洋表面季节性地形成大型“藻类”水华。它们能够生活在富氧和缺氧的环境中，并因此繁荣起来。地球上最古老的宏观化石是称为叠层石的“藻类”垫的化石，这些叠层石是由生长在浅海中的蓝细菌分泌的薄薄的碳酸钙层组成的。这些碳酸钙层以岩石中的条带形式保存下来，是地球上一些最古老的化石。在显微镜下，蓝细菌以细丝的形式生长，被包裹在碳酸钙中。随着蓝细菌的埋藏，大气中的二氧化碳含量加速下降，因为越来越多的碳以石灰岩的形式封存在岩石记录中，并且随着时间的推移，其他有机物质被埋藏起来。
海水中的游离氧首次出现导致第五类生物进化，即氧化铁细菌，它们利用铁 (Fe)。氧化铁细菌可以使用氧化铁 Fe2O3（在没有氧气的情况下）或氢氧化铁 Fe(OH)2（在氧气存在的情况下）。在少量氧气存在的情况下，这些氧化铁细菌会产生固体氧化铁分子，这些分子会沉积在海底，形成赤铁矿 (Fe2O3) 的红色条带。一旦氧化铁细菌消耗完有限的氧气供应，蓝细菌就会接管，导致菱铁矿的沉积，菱铁矿是一种碳酸铁矿物 (FeCO3)。蓝细菌“藻类”水华和氧化铁细菌的季节性循环将在岩石记录中导致每年形成的层（技术上称为纹层或带），在赤铁矿和菱铁矿之间交替出现。这些波动受到季节性温度的影响，因为温暖的海水比冷的海水能容纳更少的氧气，因此赤铁矿带将在寒冷的冬季沉积，此时海洋中的氧气含量更高。
这些铁矿物带在整个太古宙都很常见，被称为条带状铁建造 (BIFs)。条带状铁建造形成了世界上一些最宝贵的铁矿石矿床，尤其是在北美“锈带”（密歇根州、威斯康星州、伊利诺伊州和五大湖周围）。这些地区是太古宙时代岩石占主导地位的地方，保存着这些含铁矿物的厚层。
大约 25 亿到 24 亿年前，蓝藻细菌迅速成为地球上最主要的生命形式。将二氧化碳 (CO2) 转化为游离氧 (O2) 的能力是一个重大优势，因为当时大气和浅水层中仍然富含二氧化碳。这也意味着游离氧 (O2) 在地球大气层和海洋中迅速增加，很快超过了氧化铁细菌的氧气消耗量。由于蓝藻细菌不受控制，光合作用导致大气中游离氧 (O2) 大量增加。这场危机导致地球大气发生深刻变化，向现代富氧大气转变，导致之前在地球上繁盛的许多缺氧生命形式消失。大氧化事件是单一生命形式第一次以极其戏剧性的方式改变地球，并导致地球发生重大气候变化。条带状铁建造消失了，大约 24 亿年前，一个新的时期被识别出来，即元古代。
元古代的富氧大气层首次导致地球大气层中形成臭氧层。臭氧由三个氧原子键合在一起 (O3) 形成，而不是两个 (O2)。这是因为两个氧原子共用一个双共价键，其中一个氧原子与另一个氧原子共用一个配位共价键。这使得臭氧高度反应性和腐蚀性，因为它很容易分解形成单个氧离子 (O-2)，该离子迅速与其他原子键合。氧气 (O2) 更加稳定，因为它是由两个通过双共价键连接在一起的氧原子组成的。臭氧具有刺鼻的气味，并且高度有毒，因为它很容易氧化植物和动物组织。臭氧是石油和天然气田以及大城市中最常见的空气污染物之一，也是空气质量指数的主要因素之一。
然而，大部分臭氧都存在于地球大气层的高处，在那里它形成了臭氧层，该层位于地球表面以上 17 到 50 公里处，臭氧浓度最高约为海拔 25 公里。臭氧是在大气层这些高度通过与太阳的紫外线 (UV) 电磁辐射的复杂相互作用而产生的。氧气和臭氧都阻挡来自太阳的紫外线 (UV)，充当整个地球的防晒霜。氧气吸收波长在 240 到 160 纳米之间的紫外线，这种辐射导致氧气键断裂，并导致臭氧的形成。臭氧可以进一步吸收波长在 200 到 315 纳米之间的紫外线，并且小于 200 纳米的绝大多数辐射被氮气和氧气吸收，导致氧气和臭氧阻挡更多形式为高能紫外线的入射电磁辐射。
由于氧气能够阻止入射的紫外线照射到地球表面，氧气对地球的气候产生了重大影响。氧气就像一个巨大的吸收罩，阻挡了高能紫外线，结果导致地球的气候开始急剧降温。较冷的海洋增加了氧气在较冷的水中的吸收，导致地球历史上这一时期海洋的氧气充足。
一组新的单细胞生物出现了，它们利用增加的氧气水平，通过发展有氧呼吸，利用氧气 O2 以及复杂的碳有机化合物，并呼吸二氧化碳 (CO2)。这些生物必须消耗其他生物才能找到碳 (和其他重要元素) 的来源，使它们能够生长和繁殖。由于氧气水平可能差异很大，这些单细胞生物也可以在没有氧气的情况下使用效率较低的一种呼吸方法，称为无氧呼吸。发生这种情况时，除了二氧化碳外，还会产生乳酸或乙醇等废物。酒精发酵使用酵母，酵母通过无氧呼吸将糖转化为含有乙醇和二氧化碳的酒精饮料。酵母和其他更复杂的单细胞生物开始出现在这段时间里的地球上。
单细胞生物通过将细菌 (原核生物) 融入到自己的结构中变得更加复杂，要么作为可以进行光合作用的 叶绿体，要么作为可以进行有氧呼吸的 线粒体。这些更大更复杂的单细胞生命形式被称为 真核生物，它们会演变成今天的多细胞植物和动物。
消耗二氧化碳/产生氧气的生物和消耗氧气/产生二氧化碳的生物之间存在了数十亿年的平衡，但地球上的气候正在变得比其历史上任何时候都要冷。越来越多的二氧化碳被这些生物利用，而氧气迅速成为地球大气中的主要气体，阻挡了更多来自太阳的高能紫外线。碳不断被埋藏，要么作为有机碳分子，要么作为碳酸钙，因为这些单细胞生物死亡了。这导致碳从大气中被封存或去除，持续了很长时间。
大约 7.2 亿年前，大气中二氧化碳的含量下降到如此低的水平，以至于冰盖开始形成。海冰从极地地区向赤道扩张。这是元古代结束的开始，因为海冰的扩张以更高的反照率将更多来自太阳的光线反射到太空。在一个充满氧气的世界里，一个临界点被触及，冰覆盖了越来越多的地球表面。这是一个正反馈，因为扩张的冰通过提高其反照率来冷却地球，并导致失控的气候变化。最终，根据保罗·霍夫曼的工作和研究，整个地球都被冰覆盖。一个冰封的世界，或者说是雪球地球，实际上杀死了许多生活在浅海中的光合作用生命形式，因为这些区域被冰覆盖，阻止了阳光穿透。就像木星的冰封卫星欧罗巴一样，地球现在也变成了一个冰封的行星。这些巨大的冰川事件被称为斯图尔特冰川事件、马里诺冰川事件和加斯基尔冰川事件，它们持续了 7.2 亿到 5.8 亿年前。从太空中看，地球看起来是无人居住的，并且被冰雪覆盖。
富氧大气被有效地切断了与能够吸收氧气并产生二氧化碳的生命形式的联系。如果地球上没有持续发生的火山喷发，重新将埋藏的碳作为二氧化碳释放回大气中，那么地球上的生命可能在历史上的这一时刻就结束了。令人震惊的是，如果二氧化碳完全从大气中消失，光合作用生命（包括所有植物）将无法在地球上生存，如果没有火山喷发的排气，地球今天很可能仍然是一个冰冻的、几乎没有生命的行星。
大气中的二氧化碳含量（一种重要的温室气体）缓慢增加，这些火山喷发缓慢地将地球从冰冻状态中解冻，海洋变得无冰。生命得以存活，导致了第一个多细胞生命形式的出现，以及第一个细胞群落的出现，伴随着水母和海绵状动物以及在 埃迪卡拉纪（元古代的最后时刻）中发现的第一个殖民珊瑚，以及在多细胞生命时代（显生宙）中多细胞植物和动物的多样化演化。
今天，二氧化碳是空气中的一小部分，仅占大气成分的 0.04% 以下，但在过去的一百年中，二氧化碳正在迅速增加，在世界许多地区已超过 0.07%，在一个人的生命周期内，地球大气中的二氧化碳含量几乎翻了一番。今天，世界正面临着一个新的气候危机，它是由全球气温上升和大气中二氧化碳浓度增加驱动的。
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