Žemės atmosferą sudaro maždaug 78 % azoto ir 21 % deguonies, o kitų dujų pėdsakai. Deguonis yra būtinas visai gyvūnų gyvybei ir daugeliui kitų organizmų. Kadangi dujas išnaudoja deguonimi kvėpuojančios gyvybės formos, jos taip pat linkusios reaguoti su daugeliu uolienų ir mineralų, jas reikia nuolat papildyti. Apie 98% atmosferos deguonies gaunama fotosintezės metu, ty proceso, kurio metu augalai gamina cukrų iš anglies dioksido ir vandens. Likusi dalis susidaro dėl vandens suskaidymo ultravioletiniais spinduliais.
Fotosintezė
Augalai ir kai kurios bakterijos naudoja fotosintezę, kad gamintų maistą cukrų ir kitų daug energijos turinčių medžiagų pavidalu. Vandenį ir anglies dioksidą pasisavina organizmas, o saulės šviesa suteikia energijos, kuri skatina procesą. Deguonis yra labai naudingas šalutinis produktas. Mokslininkų žiniomis, deguonies lygis Žemėje išliko gana stabilus kelis šimtus milijonų metų. Tai rodo, kad deguonies gamybą fotosintezės būdu daugiau ar mažiau subalansavo jo suvartojimas vykdant kitus procesus, tokius kaip deguonies kvėpavimas arba aerobinės gyvybės formos ir cheminės reakcijos.
Atmosferos deguonies šaltiniai fotosintezės metu yra fitoplanktonas, pavyzdžiui, cianobakterijos vandenyne ir medžiai bei kiti žali augalai sausumoje. Diskusijos vyksta dėl kiekvieno šaltinio įnašo: kai kurie mokslininkai teigia, kad daugiau nei pusė, pavyzdžiui, yra iš vandenynų, o kiti mano, kad šis skaičius priartėja prie trečdalio. Aišku tik tai, kad skaičiai svyravo geologiniu laiku, priklausomai nuo gyvybės pusiausvyros Žemėje. Pavyzdžiui, kai atmosfera vystėsi pirmą kartą, daugiausia deguonies tiekė cianobakterijos.
Deguonies lygio kilimas
Manoma, kad iš pradžių cianobakterijų gaminamas deguonis buvo sunaudotas reaguojant su geležimi dirvožemyje, uolienose ir vandenynuose, susidarant geležies oksido junginiams ir mineralams. Geologai senovėje gali įvertinti deguonies kiekį atmosferoje, žiūrėdami į uolienose esančių geležies junginių rūšis. Trūkstant deguonies, geležis linkusi jungtis su siera, sudarydama sulfidus, tokius kaip piritai. Tačiau kai jos yra, šie junginiai skyla ir susijungia su deguonimi, sudarydami oksidus. Dėl to piritai senovės uolienose rodo žemą deguonies lygį, o oksidai rodo, kad yra didelis dujų kiekis.
Kai dauguma turimos geležies susijungė su deguonimi, dujos galėjo kauptis atmosferoje. Manoma, kad maždaug prieš 2.3 milijardo metų lygis nuo mažų pėdsakų pakilo iki maždaug 1% atmosferos. Tada atrodė, kad reikalai ilgą laiką išsibalansavo, nes kiti organizmai evoliucionavo taip, kad naudotų deguonį energijai gauti oksiduodami anglį ir gamindami anglies dioksidą (CO2). Jie tai pasiekė valgydami anglies turtingą organinę augalinę medžiagą, gyvą arba negyvą. Tai sukūrė pusiausvyrą, kai deguonies gamyba per fotosintezę buvo suderinta su deguonimi kvėpuojančių organizmų suvartojimu.
Atrodo, kad dėl šios pusiausvyros vien fotosintezė negali paaiškinti pradinio deguonies padidėjimo. Vienas iš paaiškinimų yra tas, kad kai kurios negyvos organinės medžiagos buvo palaidotos purve ar kitose nuosėdose ir nebuvo prieinamos aerobiniams organizmams. Ši medžiaga negalėjo susijungti su atmosferos deguonimi, todėl ne visas pagamintas elementas buvo sunaudotas tokiu būdu, todėl lygis pakilo.
Tam tikru momentu vėliau Žemės istorijoje deguonies lygis smarkiai pakilo iki maždaug dabartinio lygio. Kai kurie mokslininkai mano, kad tai galėjo įvykti maždaug prieš 600 milijonų metų. Maždaug tuo metu atsirado daug palyginti didelių, sudėtingų, daugialąsčių organizmų, kuriems būtų reikėję daug didesnio deguonies kiekio. Tačiau neaišku, kas sukėlė šį pasikeitimą. Įdomu tai, kad tai įvyko, kai atrodė, kad Žemė kyla iš didžiulio ledynmečio, kurio metu didžioji planetos dalis buvo padengta ledu.
Viena teorija teigia, kad ledynų veikimas judėdamas ir atsitraukdamas susmulkina uolienas, kuriose gausu fosforo, ir išleido didžiulius jo kiekius į vandenynus. Fosforas yra būtina fitoplanktono maistinė medžiaga, todėl tai galėjo sukelti šios gyvybės formos sprogimą. Tai, savo ruožtu, padidintų deguonies gamybą, o sausumoje turbūt būtų labai mažai gyvybės, kuri jį sunaudotų. Tačiau ne visi mokslininkai sutinka su šia teorija ir 2012 m. problema lieka neišspręsta.
Grėsmė atmosferos deguonies lygiui
Tyrimas parodė, kad 1990–2008 m. deguonies lygis nuolat mažėjo maždaug 0.0317 %. Tai dažniausiai siejama su iškastinio kuro deginimu, kuris degdamas naudoja deguonį. Tačiau nuosmukis yra mažesnis nei tikėtasi, atsižvelgiant į per tą laikotarpį sudeginto iškastinio kuro kiekį. Viena iš galimybių yra ta, kad padidėjęs anglies dioksido kiekis, galbūt derinamas su trąšų naudojimu, paskatino greitesnį augalų augimą ir daugiau fotosintezės, o tai iš dalies kompensuoja nuostolius. Skaičiuojama, kad net jei ir būtų sudegintos visos pasaulio iškastinio kuro atsargos, tai turėtų tik labai nedidelę tiesioginę įtaką deguonies lygiui.
Kitas populiarus rūpestis yra miškų naikinimas. Nors didelių atogrąžų miškų plotų naikinimas turi daug kitų rimtų pasekmių aplinkai, manoma, kad mažai tikėtina, kad tai žymiai sumažins deguonies kiekį. Be medžių ir kitų žalių augalų, atogrąžų miškai palaiko daugybę gyvybės, kvėpuojančios deguonimi. Atrodo, kad šie miškai labai mažai prisideda prie atmosferos deguonies lygio, nes suvartoja beveik tiek pat deguonies, kiek gamina.
Rimtesnė grėsmė gali būti žmogaus veiklos įtaka fitoplanktonui, kuris, pasak kai kurių šaltinių, labiausiai prisideda prie pasaulinio deguonies lygio. Kyla susirūpinimas, kad dėl iškastinio kuro deginimo atmosferoje padidėjus anglies dvideginio kiekiui, vandenynai gali tapti šiltesni ir rūgštesni, o tai gali sumažinti fitoplanktono kiekį. 2012 m. duomenys yra neaiškūs, nes skirtingi fitoplanktono tipai yra paveikti skirtingai. Kai kurių skaičius gali sumažėti, o kitų augti ir fotosintezuoti greičiau.