В начале геологической истории, когда еще не было фотосинтезирующих организмов, атмосфера не содержала свободного кислорода и в ней, если исключить пары воды, было около 90% углекислоты и 6,4% азота (Robey, 1967).
В процессе эволюции атмосферы и океана большое место ученые отводят дегазации мантии, выделившей за время существования Земли в атмосферу и гидросферу следующие водяные пары и газы: Н2O — 1,5-1024 г; N2 — 3,8-1021 г; С (в виде СО, СO2, СН3 и др.) — 5-1022 г; Сl — 3• 1022 г; S — 3-1022 г (Виноградов, 1964, 1967). Кроме того, при радиоактивном распаде выделилось 15-1019 аргона и 3,5• 1015 гелия, их содержание в современной атмосфере соответственно 0,93 и 0,00052 объемных процента, гелия — меньше, так как он улетучивается в космос. В составе продуктов дегазации мантии нет свободного кислорода; на земную поверхность этот элемент поступал лишь в связанной форме: Н2O, СO2, СО, SO2 и др.
Единственная известная и широко распространенная на Земле реакция продуцирования свободного кислорода — фотосинтез, осуществляемый организмами, содержащими хлорофилл или другие фотосинтезирующие пигменты.
Первые фотосинтезирующие организмы на Земле — синезеленые водоросли с помощью пигментов пикобилина и хлорофилла, поглощая солнечную энергию, синтезировали из углекислоты и воды углеводы и другие органические соединена.
Кислород при фотосинтезе выделяется, как показали эксперименты с мечеными атомами, за счет разложения воды: водород, который используется на восстановление СO2, входит в состав органического вещества, а O2 уходит из тела растения в атмосферу. На протяжении около 2 млрд. лет, в архее, нижнем и среднем протерозое этот процесс совершался только одноклеточными синезелеными водорослями, они-то и подготовили необходимые для жизни животных и бесхлорофильных растений запасы кислорода в атмосфере. По мере заселения Земли высшими зелеными растениями процессы фотосинтеза активизировались, ассимилированный углерод в значительной степени аккумулировался в органогенных породах, в известняках, доломитах, атмосфера «очищалась» от углекислоты и к началу палеозоя стала близка по составу к современной. Освобождению атмосферы от углекислоты способствовало и появление животных с известковым скелетом.
В настоящее время растения продуцируют ежегодно 3,2 -1011 т кислорода, из них почти 11% образуют наземные растения и около 89% — водные. Таким образом, главными продуцентами кислорода в настоящее время остаются микроорганизмы, образующие фитопланктон, основные представители которого — диатомеи и динофлагелляты. Наряду с хлорофиллом для них характерны такие фотосинтезирующие пигменты, как каротиноиды; пигменты фикобилина встречаются в фитопланктоне синезеленых водорослей как пресных, так и соленых вод. Глубина, до которой происходит фотосинтез, зависит от количества падающего на водную поверхность света и прозрачности воды, наибольшая — 100 м (Ентиг, 1974). Световые волны различной длины проникают на разную глубину; организмы, живущие на небольших глубинах, синтезируют углерод при свете от светло-голубого в чистых водах до желто-коричневого в мутных. Интенсивность фотосинтеза с глубиной уменьшается, на что кроме света влияет также и наличие азота, углекислого газа — основных компонентов построения органических соединений.
При разложении органических остатков на суше и в океане свободный кислород расходуется на окисление восстановленных углерода, водорода, азота. Существует определенное равновесие между потреблением и выделением кислорода. Его положительный баланс в атмосфере может создаваться при захоронении и литификации органических остатков; отрицательный — при сжигании горючих ископаемых и расходовании свободного кислорода на окисление углерода до углекислоты.
В процессе биологического круговорота углерода ежегодно создается около 267-109 т двуокиси углерода, включая поступления его от дыхания растений, микроорганизмов, животных, человека (Дювиньо, 1974). К этому количеству прибавляется углекислота, образующаяся при сжигании горючих ископаемых — 15—25 * 109 т в год, то в 100—150 раз больше, чем поступает ювенильной (0,15-109 т год). Таким образом, техногенная углекислота в атмосфере составляет от 6 до 10% ежегодного нормального ее притока, происходящего в результате природных процессов. Эта величина имеет тенденцию к повышению.