Zemljina atmosfera se sastoji od otprilike 78% dušika i 21% kisika, uz tragove drugih plinova. Kisik je neophodan za sve životinje i mnoge druge organizme. Budući da se plin troši od strane oblika života koji dišu kisik, a također ima tendenciju reagiranja s mnogim stijenama i mineralima, mora se stalno nadopunjavati. Oko 98% atmosferskog kisika dolazi iz fotosinteze, procesa kojim biljke proizvode šećere iz ugljičnog dioksida i vode. Ostatak je rezultat razlaganja vode ultraljubičastim zračenjem.
Fotosinteza
Biljke i neke bakterije koriste fotosintezu za proizvodnju hrane u obliku šećera i drugih tvari bogatih energijom. Organizam preuzima vodu i ugljični dioksid, a sunčeva svjetlost daje energiju koja pokreće proces. Kisik je vrlo koristan nusproizvod. Koliko znanstvenici mogu reći, razina kisika na Zemlji ostala je prilično stabilna nekoliko stotina milijuna godina. To ukazuje da je proizvodnja kisika fotosintezom više ili manje uravnotežena njegovom potrošnjom drugim procesima, kao što su udisanje kisika ili aerobni oblici života i kemijske reakcije.
Izvori atmosferskog kisika putem fotosinteze su fitoplankton, kao što su cijanobakterije u oceanu, te drveće i druge zelene biljke na kopnu. Količina koju svaki izvor doprinosi je pod raspravom: neki znanstvenici sugeriraju da više od polovice dolazi iz oceana, na primjer, dok drugi navode broj bliže jednoj trećini. Ono što je jasno je da su brojke varirale tijekom geološkog vremena, ovisno o ravnoteži života na Zemlji. Kada se atmosfera prvi put razvijala, na primjer, cijanobakterije su davale najveći dio kisika.
Porast razine kisika
Smatra se da je u početku kisik proizveden od strane cijanobakterija bio iskorišten reagirajući sa željezom u tlu, stijenama i oceanu, stvarajući spojeve i minerale željeznog oksida. Geolozi mogu procijeniti količinu kisika u atmosferi u davna vremena promatrajući vrste željeznih spojeva u stijenama. U nedostatku kisika, željezo ima tendenciju spajanja sa sumporom, stvarajući sulfide poput pirita. Međutim, kada je prisutan, ovi spojevi se razgrađuju i željezo se spaja s kisikom, stvarajući okside. Kao rezultat toga, pirit u drevnim stijenama ukazuje na niske razine kisika, dok oksidi ukazuju na prisutnost značajnih količina plina.
Nakon što se većina raspoloživog željeza spojila s kisikom, plin se mogao akumulirati u atmosferi. Smatra se da su prije otprilike 2.3 milijarde godina razine porasle s malog traga na oko 1% atmosfere. Činilo se da su se stvari tada dugo uravnotežile jer su drugi organizmi evoluirali da koriste kisik za dobivanje energije oksidacijom ugljika, proizvodeći ugljikov dioksid (CO2). To su postigli jedući organski biljni materijal bogat ugljikom, bilo živ ili mrtav. Time je stvorena ravnoteža, s proizvodnjom kisika putem fotosinteze u skladu s njegovom potrošnjom od strane organizama koji dišu kisik.
Čini se da zbog ove ravnoteže samo fotosinteza ne može objasniti početni porast kisika. Jedno od objašnjenja je da je neka mrtva organska tvar postala zakopana u blato ili drugi sediment i nije bila dostupna aerobnim organizmima. Ova se tvar nije mogla spojiti s atmosferskim kisikom, tako da se sav proizvedeni element nije potrošio na ovaj način, što je omogućilo porast razine.
U nekom trenutku kasnije u povijesti Zemlje, razine kisika dramatično su porasle na svoju sadašnju razinu. Neki znanstvenici vjeruju da se to moglo dogoditi prije oko 600 milijuna godina. Otprilike u to vrijeme pojavilo se mnogo relativno velikih, složenih, višestaničnih organizama koji bi zahtijevali mnogo više razine kisika. Međutim, nije jasno što je uzrokovalo ovu promjenu. Zanimljivo je da se to dogodilo dok se činilo da Zemlja izlazi iz ogromnog ledenog doba, tijekom kojeg je veći dio planeta bio prekriven ledom.
Jedna teorija je da je djelovanje ledenjaka, prilikom napredovanja i povlačenja, usitnjavalo stijene bogate fosforom i ispustilo ogromne količine istog u oceane. Fosfor je esencijalni nutrijent za fitoplankton, pa je to moglo uzrokovati eksploziju ovog oblika života. To bi zauzvrat dovelo do povećane proizvodnje kisika, s vjerojatno vrlo malo života na kopnu koji bi ga iskoristio. Međutim, ne slažu se svi znanstvenici s ovom teorijom, a od 2012. to pitanje ostaje neriješeno.
Prijetnje razinama atmosferskog kisika
Studija je pokazala da je razina kisika stalno opadala između 1990. i 2008. za oko 0.0317% ukupno. To se uglavnom pripisuje izgaranju fosilnih goriva, koja troše kisik pri izgaranju. Pad je, međutim, manji od očekivanog, s obzirom na količinu fosilnih goriva spaljenih u tom razdoblju. Jedna od mogućnosti je da je povećana razina ugljičnog dioksida, vjerojatno u kombinaciji s upotrebom gnojiva, potaknula brži rast biljaka i više fotosinteze, djelomično nadoknađujući gubitak. Procjenjuje se da bi čak i kada bi se sve svjetske zalihe fosilnih goriva spalile, to bi imalo vrlo mali izravan utjecaj na razinu kisika.
Krčenje šuma je još jedna popularna briga. Iako uništavanje velikih površina prašume ima mnoge druge ozbiljne ekološke učinke, smatra se malo vjerojatnim da će značajno smanjiti razinu kisika. Uz drveće i druge zelene biljke, prašume podržavaju čitav niz života koji diše kisik. Čini se da ove šume vrlo malo doprinose ukupnoj razini kisika u atmosferi, jer troše gotovo onoliko kisika koliko i proizvode.
Ozbiljnija prijetnja može biti utjecaj ljudskih aktivnosti na fitoplankton, koji, prema nekim izvorima, daje najveći doprinos globalnoj razini kisika. Postoji zabrinutost da bi povećanje ugljičnog dioksida u atmosferi izgaranjem fosilnih goriva moglo učiniti oceane toplijim i kiselijim, što bi moglo smanjiti količinu fitoplanktona. Od 2012. dokazi su nejasni, budući da su različite vrste fitoplanktona različito pogođene. Neki mogu opasti u broju, dok drugi mogu rasti i fotosintetizirati brže.