光合作用释放氧气

那么，氧气是如何产生的，又是如何增加到如今的浓度的呢？邻近我们的金星和火星，二者的大气90%以上是二氧化碳。由于紫外线的不断照射，金星和火星的水被分解成了氢气和氧气。氢气扩散到太空中，氧气没有在空气中累积，而是被地壳捕获。现在，两颗行星都处于干燥荒芜的状态，地壳被氧化，大气中充满了二氧化碳，只有极少量的氧气存在。相反，地球的大气是21%的氧气和不到0.1%的二氧化碳混合而成的反应性很高（即氧化性很高）的气体混合物。但是，地球上的氧气为什么不像火星和金星一样积聚在地壳呢？这是因为地球的氧气形成速度更快。假如氧气缓缓生成，风化作用和火山活动形成岩石的速度以及火山气体的喷出速度更快的话，产生的氧气不会聚集在空中，而是会留存于地壳。如此，只有氧气生成速度快于新岩石的暴露速度，氧气才能在空气中积累。

地球上氧气的生成速度很快，是因为光合作用。在原始地球上，消除二氧化碳，制造氧气的是蓝细菌、藻类和植物。通过光合作用，植物、藻类还有蓝细菌利用叶绿素所吸收的大量光能将水分解。利用光能将水分解时产生的副产物，即光合作用的残渣，就是氧气。

在地球形成初期，最早的光合细菌——蓝细菌开始长时间大量繁殖，并使大气中充满氧气。由于蓝细菌释放的氧气，海洋可谓经历了数百万年的“生锈过程”。氧气与溶于海洋中的铁结合，形成氧化铁，沉入海底深渊。沉下去的氧化铁变成了如今为全世界提供铁矿石的铁沉积物。包含铁在内的无机物下沉后，海洋被氧气污染的过程开始了。氧气的浓度也开始升高。溶于大海的氧气很快便逃离出来，开始填充海面之上的世界。大气中的氧气含量上升到今天的水平，花费了数十亿年的时间。

如果一直只进行光合作用的话，那么作为光合作用原料的二氧化碳终会被耗尽。但是，这样的事情没有发生。事实上，可以消耗氧气的反应数不胜数。氧气既可以和海水或岩石等矿物质发生反应，也可以和火山气体发生反应。但是，如果生命体之中利用氧气呼吸的“氧气消费者”没有登场，光合作用就会停止。如今，光合自养生物制造出的氧气大部分被这些消费者消耗。它们便是动物、真菌和不进行光合作用的细菌。

因为动物、细菌、真菌不只消耗氧气，还会消耗其他生物制造的有机物，所以都被归类为消费者。消费者吸收氧气，摄取有机物，获得能量，释放副产物二氧化碳。这一作用与光合作用正相反。如果说光合作用是利用水和二氧化碳，合成有机物、氧气以及维持生命所需能量的反应，那么呼吸作用正相反，它使有机物与氧气结合，在氧化作用中释放能量，排出水和二氧化碳。

植物通过光合作用产生氧气和有机物与消费者通过呼吸作用燃烧有机物以获得能量是同一个反应。植物通过光合作用制造的氧气如果全部被消费者通过呼吸作用消耗了的话，由于没有残留，空气中氧气的浓度就不会升高。令人惊讶的是，消费者消耗了光合作用所生成氧气的99.99%。那么，大气中氧气的浓度是怎样维持在21%的呢？奥秘就在于消费者所留下的那0.01%中。

提高大气中氧气浓度的方法是：在有机物被呼吸作用分解之前，就以某种形态被埋在地下。看似微不足道的有机物以煤炭、石油、天然气等形式埋藏在地下，经过数亿年的累积，大气中的氧气浓度就升高了。也就是说，我们今天呼吸着的氧气是生产者制造的氧气与消费者消耗的氧气之间的量差30亿年持续积累的结果。

根据罗伯特·博纳的主张，现在埋藏在地壳中的碳比生物圈中存在的碳要多2.6万倍。埋藏的有机碳大部分与黄铁矿混合在沉积岩中，极少部分以煤炭、石油和天然气的形式存在。所以即使我们把地下的煤炭、石油和天然气都燃烧掉，大气中的氧气浓度也几乎只会被消费百分之几。

大气中的氧气不只通过光合作用，也可以通过其他方式形成。太阳能，特别是紫外线，即使没有生物催化剂的帮助，也能将水分解为氧气和氢气。氢气十分轻，所以可以摆脱地球的重力。但是，氧气明显是更重的气体，受重力作用而留在大气中。以这种方式形成的氧气大部分会与岩石和海水中的铁反应，永久地留在地壳中。