地球/4b. 大氣中的氧氣
被歸類為親石元素，地球上絕大多數氧氣存在於岩石中，特別是以SiO2和其他矽酸鹽礦物和碳酸鹽礦物的形式存在。在地球早期歷史中，大氣中大部分氧氣與碳（CO2）、硫（SO2）或氮（NO2）結合在一起。然而，如今，遊離氧氣（O2）佔大氣的20.95%。如果沒有今天大氣中的氧氣，你就無法呼吸空氣，很快就會死亡。
地球上氧氣的起源是地球大氣與行星生命相互作用的偉大故事之一。大氣中的氧氣是在一個被稱為太古代（40 億至 25 億年前）的漫長時期內產生的，當時生命第一次出現在地球上並在地球上多樣化。
地球上早期的微觀單細胞生命形式利用原始大氣氣體進行呼吸，主要是 CO2、SO2 和 NO2。這些原始生命形式被稱為古菌或古細菌，源自希臘語 arkhaios，意思是原始。科學家將缺乏遊離氧氣的環境稱為缺氧，字面意思是沒有氧氣。低氧，指的是氧氣含量低的環境，而富硫則指的是既低氧又有大量硫化氫（H2S）的環境。這些型別的大氣在太古代時期很常見。
太古代存在三種主要的古細菌生命形式，代表著不同的微生物單細胞生物群，所有這些生物體今天仍然生活在缺氧環境中。這些早期的古細菌都沒有光合作用的能力，而是依靠化能合成，即生物體利用從無機化學反應中獲得的能量合成有機化合物，通常在沒有陽光的情況下。
基於甲烷生成的生物體利用二氧化碳（CO2），透過一系列複雜的化學反應在沒有氧氣的情況下將其轉化為甲烷 CH4 和 CO2。甲烷生成需要一些碳水化合物（含有碳、氧和氫的大型有機分子）以及氫的來源，但這些生物體尤其在深海黑暗區域的海底沉積物中產生甲烷（CH4）。如今，它們也存在於許多動物的腸道中。
硫酸鹽還原生物體利用二氧化硫（SO2）形式的硫，將其轉化為硫化氫（H2S）。硫酸鹽還原生物體需要碳源，通常以甲烷（CH4）或其他有機分子的形式存在，以及硫源，通常在火山噴口附近。
氮還原生物體利用二氧化氮（NO2）形式的氮，將其轉化為氨（NH4）。氮還原生物體還需要碳源，通常以甲烷（CH4）或其他有機分子的形式存在。
所有三種類型的生命形式都表現出無氧呼吸，或者是不涉及遊離氧氣的呼吸。事實上，這些生物體產生在氧氣存在下燃燒或燃燒的氣體，因此氧化以釋放能量。甲烷（CH4）和硫化氫（H2S）都是易燃氣體，在富含有機碳的現代缺氧環境中大量存在，例如汙水系統和地下石油和天然氣儲層。
在太古代，出現了一群新的生物體，它們將徹底改變地球的大氣，它們被稱為藍細菌。作為第一個能夠光合作用的單細胞生物體，藍細菌將二氧化碳（CO2）轉化為遊離氧氣（O2）。這使得微生物可以直接從大氣或海水獲得碳。然而，光合作用需要利用陽光或光子，這使得這些生物體無法永久生活在黑暗中。根據陽光的可用性，它們會在海洋表面季節性地生長成大型“藻類”水華。它們能夠在富氧和缺氧環境中生存，因此繁榮起來。地球上最古老的宏觀化石是被稱為疊層石的化石“藻類”墊，它們是由生長在淺海中的藍細菌分泌的薄薄的碳酸鈣層組成的。這些碳酸鈣層被儲存為岩石中的帶狀，作為地球上一些最古老的化石。在顯微鏡下，藍細菌以薄絲狀生長，包裹在碳酸鈣中。隨著埋藏，藍細菌加速了大氣中二氧化碳的減少，因為越來越多的碳被隔離到岩石記錄中，形成石灰石，隨著時間的推移，其他有機物也被埋藏起來。
遊離氧氣首次出現在海水裡，導致第五類生物進化出來，即氧化鐵細菌，它們利用鐵（Fe）。氧化鐵細菌可以使用氧化鐵 Fe2O3（在沒有氧氣的情況下）或氫氧化鐵 Fe(OH)2（在有氧氣的情況下）。在少量氧氣存在的情況下，這些氧化鐵細菌會產生固體氧化鐵分子，這些分子會沉積在海底，形成赤鐵礦（Fe2O3）的紅色帶。一旦有限的氧氣被氧化鐵細菌消耗殆盡，藍細菌就會接管，導致菱鐵礦的沉積，菱鐵礦是一種碳酸鐵礦物（FeCO3）。藍細菌的季節性“藻類”水華，隨後是氧化鐵細菌，會導致岩石記錄中形成年度層（技術上稱為紋層或帶），在赤鐵礦和菱鐵礦之間交替出現。這些波動受季節性溫度的影響，因為溫暖的海水比寒冷的海水含有更少的氧氣，因此在冬季海水富含氧氣時會沉積赤鐵礦帶。
這些鐵礦帶在整個太古代很常見，被稱為條帶狀鐵礦層（BIFs）。條帶狀鐵礦層形成世界上一些最寶貴的鐵礦石礦床，特別是在北美“鐵鏽帶”（密歇根州、威斯康星州、伊利諾伊州和五大湖周圍）。這些地區是太古代岩石占主導地位的地區，儲存著這些含鐵礦物厚厚的層狀結構。
大約 25 億到 24 億年前，藍藻迅速成為地球上最主要的生命形式。將二氧化碳 (CO2) 轉化為遊離氧 (O2) 的能力是一個主要優勢，因為二氧化碳在當時的大氣中和淺水中仍然很豐富。這也意味著遊離氧 (O2) 在地球的大氣層和海洋中迅速上升，並且迅速超過了氧化鐵細菌使用的氧氣量。由於藍藻不受控制，光合作用導致大氣中游離氧 (O2) 大量增加。這場危機導致地球大氣層向現代富氧大氣層的深刻轉變，導致以前在地球上繁榮的許多缺氧生命形式消失。大氧化事件是單一型別的生命形式第一次以非常戲劇性的方式改變地球並導致地球發生重大氣候變化。條帶狀鐵建造消失了，一個新的時期在大約 24 億年前被確定，即元古代。
元古代富氧大氣層首次導致地球大氣層中形成臭氧層。臭氧是三個氧原子鍵合在一起 (O3) 的結果，而不是兩個 (O2)。這是由兩個氧原子共享一個雙共價鍵，其中一個氧原子與另一個氧原子共享一個配位共價鍵造成的。這使得臭氧具有高度反應性和腐蝕性，因為它很容易分解形成單個氧離子 (O-2)，它迅速與其他原子鍵合。氧氣 (O2) 更加穩定，因為它是由兩個透過雙共價鍵連線在一起的氧原子構成的。臭氧有刺鼻的氣味，並且有劇毒，因為它很容易氧化動植物組織。臭氧是石油和天然氣田以及大城市中最常見的空氣汙染物之一，也是空氣質量指數的主要因素之一。
然而，大多數臭氧存在於地球大氣層的高處，在那裡它形成了臭氧層，位於地球表面上方 17 至 50 公里之間，臭氧濃度最高約為 25 公里。臭氧是在大氣中的這些高度透過與來自太陽的紫外線 (UV) 電磁輻射的複雜相互作用產生的。氧氣和臭氧都阻擋了來自太陽的紫外線 (UV) 光，充當整個地球的防曬霜。氧氣吸收波長在 240 到 160 奈米之間的紫外線，這種輻射導致氧鍵斷裂，並導致臭氧的形成。臭氧可以進一步吸收波長在 200 到 315 奈米之間的紫外線，大多數小於 200 奈米的輻射被氮氣和氧氣吸收，導致氧氣和臭氧阻擋更多以高能紫外線形式進入的電磁輻射。
氧氣能夠阻止進入的紫外線陽光到達地球表面，這對地球的氣候產生了重大影響。氧氣就像一個巨大的吸收罩，阻擋了高能紫外線，因此地球的氣候開始急劇降溫。較冷的海洋增加了氧氣在較冷的水中的吸收，導致地球歷史上這一時期海洋富含氧氣。
一類新的單細胞生物透過發展有氧呼吸來利用增加的氧氣水平，它們使用氧氣 O2 以及複雜的碳有機化合物，並撥出二氧化碳 (CO2)。這些生物必須消耗其他生物才能找到碳（和其他重要元素）的來源，從而使它們能夠生長和繁殖。由於氧氣水平可能變化很大，這些單細胞生物也可以在沒有氧氣的情況下使用效率較低的一種呼吸方法，稱為無氧呼吸。在這種情況下，除了二氧化碳外，還會產生乳酸或乙醇等廢物。酒精發酵使用酵母，酵母透過無氧呼吸將糖轉化為含有乙醇和二氧化碳的酒精飲料。酵母和其他更復雜的單細胞生物在這一時期開始出現在地球上。
單細胞生物透過將細菌 (原核生物) 納入自身變得更加複雜，它們要麼作為能夠在細胞內進行光合作用的 葉綠體，要麼作為能夠在細胞內進行有氧呼吸的 線粒體。這些更大更復雜的單細胞生命形式被稱為 真核生物，它們將演變成今天的多細胞植物和動物。
消耗二氧化碳/產生氧氣的生物和消耗氧氣/產生二氧化碳的生物之間的平衡或平衡持續了數十億年，但地球上的氣候變得比其歷史上任何時期都冷。越來越多的二氧化碳被這些生物利用，而氧氣迅速成為地球大氣層中的主要氣體，阻擋了更多太陽的高能紫外線。碳不斷被埋藏，要麼是作為有機碳分子，要麼是作為碳酸鈣，因為這些單細胞生物死亡。這導致碳從大氣中長期隔離或去除。
大約 7.2 億年前，大氣中的二氧化碳含量降至如此低的水平，以至於冰蓋開始形成。海冰從極地地區向赤道擴張。這是元古代結束的開始，因為海冰的擴張以其更高的反照率將更多太陽光反射回太空。在一個富含氧氣的世界中，達到了一個臨界點，冰覆蓋了越來越多的地球表面。這是一個正反饋，因為不斷擴張的冰透過提高反照率來冷卻地球，並導致失控的氣候變化。最終，根據保羅·霍夫曼的研究，整個地球都被冰覆蓋。一個冰封的世界，即雪球地球，有效地殺死了生活在淺海中的許多光合生命形式，因為這些地區被冰覆蓋，阻止了陽光穿透。就像木星的冰封衛星歐羅巴一樣，地球現在也變成了一個冰凍的冰星球。這些巨大的冰川事件被稱為斯圖爾特、馬裡諾和加斯基爾冰川事件，發生在 7.2 億到 5.8 億年前。從太空中看，地球看起來沒有生命，被雪和冰覆蓋。
富氧大氣層有效地與也會吸收氧氣併產生二氧化碳的生命形式隔絕。如果地球上沒有持續發生的火山噴發，地球上的生命會在其歷史中的某個時刻結束，火山噴發會將埋藏的碳重新釋放回大氣中，作為二氧化碳。令人驚訝的是，如果二氧化碳完全從大氣中消失，光合生命，包括所有植物，都無法在地球上生存，如果沒有火山噴發釋放的氣體，地球今天仍然可能是一個冰凍的、幾乎沒有生命的星球。
大氣中的二氧化碳水平緩慢增加（一種重要的溫室氣體），這些火山噴發緩慢地將地球從冰凍狀態解凍，海洋變得無冰。生命倖存下來，導致了第一個多細胞生命形式的出現，以及第一個細胞群落，伴隨著水母和海綿狀動物的出現，以及在 埃迪卡拉紀（元古代的最後階段）中發現的第一個群體珊瑚，以及在 元古代的最後階段和 顯生宙（一個新的時代，多細胞生命的時代）早期，多細胞植物和動物的多樣化。
如今，二氧化碳是大氣中的一小部分，佔大氣的 0.04% 以下，但二氧化碳在過去一百年裡迅速上升，在世界許多地區超過 0.07%，在一個人的壽命中，地球大氣中的二氧化碳含量幾乎翻了一番。今天，世界正面臨著新的氣候危機，這種危機是由全球氣溫上升和大氣中二氧化碳含量上升推動的。
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