地球/4b. 大氣中的氧氣
被歸類為 親石元素，地球上絕大多數的氧氣都存在於岩石中，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。然而，如今，遊離氧 (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，會很快死亡。
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宙 (40 億到 25 億年前) 的漫長時期內產生的，當時生命首次出現在地球上並開始多樣化。
地球早期的微觀單細胞生命形式利用原始的大氣氣體進行呼吸，主要是 CO2、SO2 和 NO2。這些原始生命形式被稱為古菌，或古細菌，來自希臘語 arkhaios，意思是原始。科學家將缺乏遊離氧的環境稱為缺氧，字面意思是沒有氧氣。低氧，意思是氧氣含量低的 environment，而euxinic 指的是既缺氧又含有大量硫化氫 (H2S) 的環境。這些型別的大氣在太古宙 非常普遍。
在太古宙，存在著三種主要的古細菌生命形式，它們代表著不同的微生物單細胞生物群體，所有這些生物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，即生物利用從僅涉及無機化學物質的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進行。
產甲烷生物利用二氧化碳 (CO2)，透過在沒有氧氣的情況下進行一系列複雜的化學反應，將其用於生產甲烷 CH4 和 CO2。產甲烷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，但這些生物特別是在海洋黑暗和深處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。
硫酸鹽還原生物利用二氧化硫 (SO2) 中的硫，將其用於生產硫化氫 (H2S)。硫酸鹽還原生物需要碳源，通常以甲烷 (CH4) 或其他有機分子的形式存在，以及硫源，通常存在於火山噴口附近。
固氮生物利用二氧化氮 (NO2) 中的氮，將其用於生產氨 (NH4)。固氮生物也需要碳源，通常以甲烷 (CH4) 或其他有機分子的形式存在。
所有三種生命形式都表現出厭氧呼吸，或者是不涉及遊離氧的呼吸。事實上，這些生物產生在氧氣存在下會燃燒或燃燒的氣體，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含量豐富，例如在下水道系統和地下油氣儲層中。
在太古宙，出現了一類新的生物，它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，藍細菌將二氧化碳 (CO2) 轉化為遊離氧 (O2)。這使微生物能夠直接從大氣或海水獲得碳。然而，光合作用需要使用陽光或光子，這使得這些生物無法永久生活在黑暗中。它們會根據陽光的可用性，在海洋表面季節性地形成大型“藻類”水華。它們能夠生活在富氧和缺氧的環境中，並因此繁榮起來。地球上最古老的宏觀化石是稱為疊層石的“藻類”墊的化石，這些疊層石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。這些碳酸鈣層以岩石中的條帶形式儲存下來，是地球上一些最古老的化石。在顯微鏡下，藍細菌以細絲的形式生長，被包裹在碳酸鈣中。隨著藍細菌的埋藏，大氣中的二氧化碳含量加速下降，因為越來越多的碳以石灰岩的形式封存在岩石記錄中，並且隨著時間的推移，其他有機物質被埋藏起來。
海水中的遊離氧首次出現導致第五類生物進化，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（在氧氣存在的情況下）。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) 的紅色條帶。一旦氧化鐵細菌消耗完有限的氧氣供應，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“藻類”水華和氧化鐵細菌的季節性迴圈將在岩石記錄中導致每年形成的層（技術上稱為紋層或帶），在赤鐵礦和菱鐵礦之間交替出現。這些波動受到季節性溫度的影響，因為溫暖的海水比冷的海水能容納更少的氧氣，因此赤鐵礦帶將在寒冷的冬季沉積，此時海洋中的氧氣含量更高。
這些鐵礦物帶在整個太古宙都很常見，被稱為條帶狀鐵建造 (BIFs)。條帶狀鐵建造形成了世界上一些最寶貴的鐵礦石礦床，尤其是在北美“鏽帶”（密歇根州、威斯康星州、伊利諾伊州和五大湖周圍）。這些地區是太古宙時代岩石占主導地位的地方，儲存著這些含鐵礦物的厚層。
大約 25 億到 24 億年前，藍藻細菌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) 的能力是一個重大優勢，因為當時大氣和淺水層中仍然富含二氧化碳。這也意味著遊離氧 (O2) 在地球大氣層和海洋中迅速增加，很快超過了氧化鐵細菌的氧氣消耗量。由於藍藻細菌不受控制，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發生深刻變化，向現代富氧大氣轉變，導致之前在地球上繁盛的許多缺氧生命形式消失。大氧化事件是單一生命形式第一次以極其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，大約 24 億年前，一個新的時期被識別出來，即元古代。
元古代的富氧大氣層首次導致地球大氣層中形成臭氧層。臭氧由三個氧原子鍵合在一起 (O3) 形成，而不是兩個 (O2)。這是因為兩個氧原子共用一個雙共價鍵，其中一個氧原子與另一個氧原子共用一個配位共價鍵。這使得臭氧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)，該離子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組成的。臭氧具有刺鼻的氣味，並且高度有毒，因為它很容易氧化植物和動物組織。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，大部分臭氧都存在於地球大氣層的高處，在那裡它形成了臭氧層，該層位於地球表面以上 17 到 50 公里處，臭氧濃度最高約為海拔 25 公里。臭氧是在大氣層這些高度透過與太陽的紫外線 (UV) 電磁輻射的複雜相互作用而產生的。氧氣和臭氧都阻擋來自太陽的紫外線 (UV)，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，這種輻射導致氧氣鍵斷裂，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，並且小於 200 奈米的絕大多數輻射被氮氣和氧氣吸收，導致氧氣和臭氧阻擋更多形式為高能紫外線的入射電磁輻射。
由於氧氣能夠阻止入射的紫外線照射到地球表面，氧氣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，結果導致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的氧氣充足。
一組新的單細胞生物出現了，它們利用增加的氧氣水平，透過發展有氧呼吸，利用氧氣 O2 以及複雜的碳有機化合物，並呼吸二氧化碳 (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，使它們能夠生長和繁殖。由於氧氣水平可能差異很大，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。發生這種情況時，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開始出現在這段時間裡的地球上。
單細胞生物透過將細菌 (原核生物) 融入到自己的結構中變得更加複雜，要麼作為可以進行光合作用的 葉綠體，要麼作為可以進行有氧呼吸的 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，它們會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存在了數十億年的平衡，但地球上的氣候正在變得比其歷史上任何時候都要冷。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中的主要氣體，阻擋了更多來自太陽的高能紫外線。碳不斷被埋藏，要麼作為有機碳分子，要麼作為碳酸鈣，因為這些單細胞生物死亡了。這導致碳從大氣中被封存或去除，持續了很長時間。
大約 7.2 億年前，大氣中二氧化碳的含量下降到如此低的水平，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，因為海冰的擴張以更高的反照率將更多來自太陽的光線反射到太空。在一個充滿氧氣的世界裡，一個臨界點被觸及，冰覆蓋了越來越多的地球表面。這是一個正反饋，因為擴張的冰透過提高其反照率來冷卻地球，並導致失控的氣候變化。最終，根據保羅·霍夫曼的工作和研究，整個地球都被冰覆蓋。一個冰封的世界，或者說是雪球地球，實際上殺死了許多生活在淺海中的光合作用生命形式，因為這些區域被冰覆蓋，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封的行星。這些巨大的冰川事件被稱為斯圖爾特冰川事件、馬裡諾冰川事件和加斯基爾冰川事件，它們持續了 7.2 億到 5.8 億年前。從太空中看，地球看起來是無人居住的，並且被冰雪覆蓋。
富氧大氣被有效地切斷了與能夠吸收氧氣併產生二氧化碳的生命形式的聯絡。如果地球上沒有持續發生的火山噴發，重新將埋藏的碳作為二氧化碳釋放回大氣中，那麼地球上的生命可能在歷史上的這一時刻就結束了。令人震驚的是，如果二氧化碳完全從大氣中消失，光合作用生命（包括所有植物）將無法在地球上生存，如果沒有火山噴發的排氣，地球今天很可能仍然是一個冰凍的、幾乎沒有生命的行星。
大氣中的二氧化碳含量（一種重要的溫室氣體）緩慢增加，這些火山噴發緩慢地將地球從冰凍狀態中解凍，海洋變得無冰。生命得以存活，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的出現，伴隨著水母和海綿狀動物以及在 埃迪卡拉紀（元古代的最後時刻）中發現的第一個殖民珊瑚，以及在多細胞生命時代（顯生宙）中多細胞植物和動物的多樣化演化。
今天，二氧化碳是空氣中的一小部分，僅佔大氣成分的 0.04% 以下，但在過去的一百年中，二氧化碳正在迅速增加，在世界許多地區已超過 0.07%，在一個人的生命週期內，地球大氣中的二氧化碳含量幾乎翻了一番。今天，世界正面臨著一個新的氣候危機，它是由全球氣溫上升和大氣中二氧化碳濃度增加驅動的。
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