Atmosfer bumi terdiri dari sekitar 78% nitrogen dan 21% oksigen, dengan sejumlah kecil gas lainnya. Oksigen sangat penting untuk semua kehidupan hewan, dan banyak organisme lain. Karena gas digunakan oleh bentuk kehidupan yang menghirup oksigen, dan juga cenderung bereaksi dengan banyak batuan dan mineral, maka gas tersebut harus terus diisi ulang. Sekitar 98% oksigen atmosfer berasal dari fotosintesis, proses di mana tanaman menghasilkan gula dari karbon dioksida dan air. Sisanya dihasilkan dari pemecahan air oleh radiasi ultraviolet.
Fotosintesis
Tumbuhan dan beberapa bakteri menggunakan fotosintesis untuk memproduksi makanan dalam bentuk gula dan zat kaya energi lainnya. Air dan karbon dioksida diambil oleh organisme, dan sinar matahari menyediakan energi yang menggerakkan proses. Oksigen kebetulan menjadi produk sampingan yang sangat berguna. Sejauh yang diketahui para ilmuwan, tingkat oksigen di Bumi tetap cukup stabil selama beberapa ratus juta tahun. Hal ini menunjukkan bahwa produksi oksigen oleh fotosintesis telah lebih atau kurang seimbang dengan konsumsinya oleh proses lain, seperti pernapasan oksigen, atau aerobik, bentuk kehidupan dan reaksi kimia.
Sumber oksigen atmosfer melalui fotosintesis adalah fitoplankton, seperti cyanobacteria di laut, dan pepohonan serta tumbuhan hijau lainnya di darat. Jumlah yang disumbangkan masing-masing sumber masih diperdebatkan: beberapa ilmuwan menyarankan bahwa lebih dari setengahnya berasal dari lautan, misalnya, sementara yang lain menyebutkan jumlahnya mendekati sepertiga. Yang jelas adalah bahwa jumlahnya berfluktuasi dari waktu ke waktu geologis, tergantung pada keseimbangan kehidupan di Bumi. Ketika atmosfer pertama kali berkembang, misalnya, cyanobacteria menyumbang sebagian besar oksigen.
Kenaikan Tingkat Oksigen
Diperkirakan bahwa, pada awalnya, oksigen yang dihasilkan oleh cyanobacteria digunakan untuk bereaksi dengan besi di tanah, batu, dan laut, membentuk senyawa dan mineral oksida besi. Ahli geologi dapat memperkirakan jumlah oksigen di atmosfer pada zaman dahulu dengan melihat jenis senyawa besi dalam batuan. Dengan tidak adanya oksigen, besi cenderung bergabung dengan belerang, membentuk sulfida seperti pirit. Namun, ketika ada, senyawa ini terurai dan besi bergabung dengan oksigen, membentuk oksida. Akibatnya, pirit di batuan purba menunjukkan kadar oksigen yang rendah, sedangkan oksida menunjukkan adanya sejumlah besar gas.
Setelah sebagian besar besi yang tersedia telah bergabung dengan oksigen, gas dapat terakumulasi di atmosfer. Diperkirakan bahwa sekitar 2.3 miliar tahun yang lalu, tingkat telah meningkat dari jejak kecil menjadi sekitar 1% dari atmosfer. Hal-hal kemudian tampak seimbang untuk waktu yang lama ketika organisme lain berevolusi untuk menggunakan oksigen untuk menyediakan energi dengan oksidasi karbon, menghasilkan karbon dioksida (CO2). Mereka mencapai ini dengan memakan bahan tanaman organik yang kaya karbon, baik yang masih hidup maupun yang sudah mati. Ini menciptakan keseimbangan, dengan produksi oksigen melalui fotosintesis yang diimbangi dengan konsumsinya oleh organisme penghirup oksigen.
Tampaknya, karena keseimbangan ini, fotosintesis saja tidak dapat menjelaskan kenaikan awal oksigen. Salah satu penjelasannya adalah bahwa beberapa bahan organik mati terkubur dalam lumpur atau sedimen lain dan tidak tersedia untuk organisme aerobik. Materi ini tidak dapat bergabung dengan oksigen atmosfer, jadi tidak semua elemen yang dihasilkan digunakan dengan cara ini, sehingga kadarnya meningkat.
Di beberapa titik kemudian dalam sejarah Bumi, tingkat oksigen meningkat secara dramatis ke sekitar tingkat mereka saat ini. Beberapa ilmuwan percaya ini mungkin terjadi sekitar 600 juta tahun yang lalu. Sekitar waktu ini, banyak organisme multiseluler yang relatif besar, kompleks, muncul yang membutuhkan tingkat oksigen yang jauh lebih tinggi. Namun, tidak jelas apa yang menyebabkan perubahan ini. Menariknya, itu terjadi ketika Bumi tampaknya muncul dari zaman es besar, di mana sebagian besar planet ini tertutup es.
Satu teori adalah bahwa aksi gletser, ketika maju dan mundur, menumbuk batu yang kaya akan fosfor dan melepaskannya dalam jumlah besar ke lautan. Fosfor adalah nutrisi penting bagi fitoplankton, jadi ini mungkin menyebabkan ledakan bentuk kehidupan ini. Hal ini, pada gilirannya, akan mengarah pada peningkatan produksi oksigen, dengan kemungkinan sangat sedikit kehidupan di daratan yang menggunakannya. Namun, tidak semua ilmuwan setuju dengan teori ini, dan hingga 2012, masalah ini tetap belum terselesaikan.
Ancaman terhadap Tingkat Oksigen di Atmosfer
Sebuah penelitian telah menunjukkan bahwa tingkat oksigen menurun terus antara tahun 1990 dan 2008 sekitar 0.0317% secara keseluruhan. Hal ini sebagian besar disebabkan oleh pembakaran bahan bakar fosil, yang menggunakan oksigen dalam pembakaran. Penurunan tersebut, bagaimanapun, kurang dari yang diharapkan, mengingat jumlah bahan bakar fosil yang terbakar selama periode tersebut. Satu kemungkinan adalah bahwa peningkatan kadar karbon dioksida, mungkin dikombinasikan dengan penggunaan pupuk, telah mendorong pertumbuhan tanaman yang lebih cepat dan lebih banyak fotosintesis, yang sebagian mengimbangi hilangnya. Diperkirakan bahwa bahkan jika semua cadangan bahan bakar fosil dunia dibakar, itu hanya akan memiliki dampak langsung yang sangat kecil pada tingkat oksigen.
Deforestasi adalah masalah populer lainnya. Meskipun perusakan kawasan hutan hujan yang luas memiliki banyak efek lingkungan serius lainnya, hal itu dianggap tidak mungkin mengurangi kadar oksigen secara signifikan. Selain pepohonan dan tanaman hijau lainnya, hutan hujan mendukung berbagai kehidupan yang menghirup oksigen. Tampaknya hutan-hutan ini berkontribusi sangat sedikit terhadap tingkat oksigen atmosfer secara keseluruhan, karena mereka mengkonsumsi oksigen hampir sebanyak yang mereka hasilkan.
Ancaman yang lebih serius mungkin adalah dampak aktivitas manusia terhadap fitoplankton, yang menurut beberapa sumber memberikan kontribusi terbesar terhadap tingkat oksigen global. Ada kekhawatiran bahwa peningkatan karbon dioksida di atmosfer dari pembakaran bahan bakar fosil dapat membuat lautan lebih hangat dan lebih asam, yang dapat mengurangi jumlah fitoplankton. Pada 2012, buktinya tidak jelas, karena berbagai jenis fitoplankton terpengaruh secara berbeda. Beberapa mungkin menurun jumlahnya, sementara yang lain mungkin tumbuh dan berfotosintesis lebih cepat.