根据理论推测,按目前全球氧气的生产速率,大约需要几百万年就可以将海洋里的每一个水分子分解一遍,而在汉斯·莫尔( Hans mohr)和彼得·朔普费尔( Peter schopfer)合著的《植物生理学》( Plant physiology)中他们曾测算,自4亿年前陆生植物进化出森林以来,它们的光合作用就相当于将所有地表水分解了60遍。
从地质学的角度来讲,你所使用的大多数水和氧气都是比较年轻的,它们的年龄普遍只有几个世纪或数千年,而非数百万年。因此,尽管我们和恐龙呼吸同样的空气、喝同样的水的想法很酷,但在很大程度上这并非事实。


当从很远的距离观察时,天空就好像是一层极薄的薄膜,其中的大多数分子都被挤在仅有10英里(16千米)厚的薄层中,而地球的直径却有将近8000英里(1.27万千米)。在海拔零点处1立方码(0.76立方米)的空间里,含有数以兆亿计的原子,但仅仅在一层雾状的“皮肤”以外,便是太阳系中的相对真空,在这里如果你要尝试呼吸的话—当然不会成功—你的肺每次只能吸入可怜的几粒原子。

基林和他的同事史蒂芬·谢茨( Stephen hertz)揭示,植物和各类浮游生物产生的氧气,会在两个月内遍布半个地球,而遍布整个地球也只需一年多一点的时间。

你每一次的呼吸中,有1到15个原子是提出问题的那个人(达·芬奇)曾经呼吸过的。为了继续这个研究,首先一个必要的数据就是大气的总质量,也就是由凯文·特伦伯斯( Kevin trenberth)和莱斯利·史密斯( Lesley smith)在2005年估算的5000万亿吨。这也就意味着一共有大约10的44次方个原子存在于空气中,其中1/5是氧原子。
如果再考虑与海洋之间的气体交换、肺部的平均体积以及人类的平均呼吸频率等,你每次的呼吸也就很可能接近1到15个“列奥纳多原子”这范围,从而得出同样的基本结论:同一个世界,同一个大气。不过要想让你的计算结果更加精确,你还需要挑选更合适的气体才行。
举例来说,1到15的估算结果并不适用于氧气,因为这种气体不够稳定,不会在空气中存在这么久。细胞、森林大火、闪电以及太空辐射迟早都会将其撕碎,并转化为水或其他化合物。

更有助于用来解释空气循环的气体应该是不会被生物体产生或消耗的。美国天文学家哈罗·沙普利( Harlow shapley)采用氩气作为计算对象,这也是被广为采用的选择。
氩气在大气中广泛存在,尽管它只在总量中占了不到1%。

不管你身在何处,即使在冬季,本地的树木已经落叶或休眠之时,你仍然可以获得足够的氧气。大多数你吸入的氧气分子来自于远方,并且拥有很长的历史,你下一次呼吸的氧气中,也只有很少一部分是在过去一年内生成的。
尽管你或许会很容易展开联想,植物是为了我们的利益才生产了氧气,但事实上,你吸入的氧气,不过是这些光能收集者为自己准备盛宴时不小心撒出来的面包屑而已。植物也和你一样拥有线粒体,它们生产的氧气大多被自己消耗了。无论森林还是海洋所生产的氧气,其实都只是泄漏物,而且大部分在逸出后很快就被锈蚀、腐烂和燃烧等过程消耗了。如果死去的植物、动物和微生物不是在腐烂或焚烧前就大量被士壤和海洋沉积物掩埋,那么大气中的氧气含量最终会降到接近于零的水平,所有人都会室息。

拉尔夫·基林测算,每年北半球海洋生物通过光合作用产生的氧气接近300亿吨,南半球还要多出一半。
如果你穿过大气来到高空,或许氧气短缺会成为问题。重力作用使得气体分子在低海拔的位置聚集,在海平面上,每平方英寸的气压大约是15磅(1标准大气压=14.696磅/英寸2=101.325千帕)。这个压力不会让你感到不适,因为在你的体内到处都分布着空气,内部压力与外部压力刚好匹配。这种感受更像是在游泳池中漂浮,而不是在头和肩膀上顶了
只重达3/4吨的水球。如果不是坐飞机或是在高山上行进时耳朵有些不适,我们大多数人甚至都不会注意到这股始终存在的压力。
根据 altitude.org提供的在线气压计,在一座海拔1英里(1.6千米)的山峰上,你仍然可以获取相当于海拔零点处83%的氧气;然而当你爬到1.5英里(2.4千米)左右时,空气变得更稀薄,氧气浓度也降到了75%以下,高原反应便可能成为实际麻烦了。人们有时会在高空飞行的航班中感到头痛,很多时候就是因为舱内低压导致的轻微缺氧,这种情况与身处海拔15英里高的山上类似。

肉眼观察空气压力。左图:一只塑料瓶在秘鲁安第斯山脉海拔15500英尺(4724米的高度上封紧瓶盖,这里每一次呼吸中的空气分子都只有在海平面呼吸时的一半。右图同一只瓶子未经启封带到接近海平面高度的利马,更稠密的空气分子产生的压力将瓶子挤压变形。照片由科特·施塔格拍摄

2013年的早些时日,温室
400ppm(ppm表示百万分率),相比20世纪50年代时约312ppm的平均值有所增长。
引起这一变化的主要原因是化石能源的燃烧,以及砍伐森林引起的腐烂与烧山。不同于光合作用,就跟人类的肺一样,这些现代社会里的人工“肺”消耗的是02,释放的是CO2,而且这样的行为一直保持着相当大的规模。
当二氧化碳的长期观察记录稳步增长之时,全球平均气温也在同步上升,而氧气的含量却在下降。根据斯克里普斯的02项目网页显示,拉荷亚的氧气浓度自1992年至2009年,已经下降了0.03个百分点。
在全球变暖的危机以外,我们现在是否需要担忧氧气被耗尽呢?基林的观点是没有必要。在另一次接受《联合论坛报》采访时,他解释道,空气中的氧气含量是很充足的,微小幅度的损耗并非什么危机。然而,“氧气的变化趋势帮助我们理解,是什么控制了CO2的增长”。斯克里普斯02项目的报告中提到,自工业革命起,大约有一万亿吨的氧气因燃烧化石能源被消耗,但相对于大气中海量的氧气储备而言,也只是总量的0.1%而已。这个比例对人类的健康影响微乎其微,而在没有不良因素影响的大城市,季节性的氧气水平变化常常可以达到10%或更高的比例。
地球上氧气的储备如此丰沛,以至于全世界所有的植物及浮游生物的年度产出几乎不能对其构成影响。空气中飘浮着1000万亿吨的氧气,大约相当于它们两千年的产出总和。


Forestry)一书讲道,平均1英亩(4047平方米)树林一年生产的氧气足够8个人维持生息,当然精确的换算关系还取决于树种、树龄以及树木生长的环境等。全美国的城市树木每年可以生产出6700万吨氧气,足够维持2/3的美国人生存了。相关报告的城市名单显示,全美氧气生产量的桂冠由郁郁葱葱的佐治亚州城市亚特兰大摘得,这里的树木每年所产生的9.5万吨氧气几乎可供此处所有居民呼吸。纽约市与华盛顿特区分别摘得榜眼与探花,每年分别生产6.1万吨和3.4万吨氧气。新泽西州的费里霍尔德( Freehold)排名垫底,每年的产量只有区区1100吨。

基林的研究证明,你所呼吸的氧气中只有一半来源于陆生植物,剩下那部分是由海洋中的藻类以及蓝藻(又叫蓝绿藻、蓝细菌)贡献的,此外还有很少的一部分来源于上层大气中水蒸气的分解,太阳以及遥远恒星辐射的放射线为此过程提供了能量。
不过,结合了基林已故父亲—查理·大卫·基林于1958年在夏威夷莫纳罗亚天文台( Mauna loa0 observatory)发布的二氧化碳分析结果来看,
长期的氧气记录数据却与医学呼吸检测仪的读数显示出近乎于诡异的相似性。氧气浓度的年度上升波动恰恰伴随着CO2的循环式下降,这些数据共
同打开了一扇神奇的窗户,揭示了地球同植物间的原子级关联。
基林最初研究大气时,曾以为不同地区间的差异会比较明显。让他感到惊奇的是,在排除森林与城市影响的偏远地区,采用同种方法收集到的空气样品几乎没有差异。直至今日,大气混匀的程度和速度还是超出科学家的想象,夏威夷与加州拉荷亚市斯克里普斯码头的CO2平均浓度非常相似。
除此之外,同样值得关注的是,大气记录中还出现了很多类型的节奏性波动。每个白天,二氧化碳的浓度都会缓慢下降,到了晚上又会恢复,而更大规模的季节性波动则是由夏季的波谷与冬季的波峰构成。当拉尔夫·基林继承遗志开始测量氧气浓度时,他得到了类似的曲线,但趋势正好相反。通过这些数据,可以看到,伴随着地球的自转和公转,地球的大气对无数植物和微生物的呼吸做着回应。

类似的过程也体现在因季节更迭引起的大气变化中。春天,万物复苏,芽生叶长,02浓度迅速提升,而CO2有所减少。到了这一年的晚些时日,光合作用变缓,同时枯叶腐烂释放出二氧化碳,于是跟春季相反的变化趋势便发生了。基林的图表揭示了一种锯齿效应,相比于观看,如果你是在倾听这种波动,它听起来好比是长跑运动员的喘息。可见氧气的曲线大概就是:“在春天里努力地呼出,在冬天里深深地吸入。”然后周而复始。

随着你的胸腔扩大且空气被压缩进去,这些气体通过头发丝一般细的支气管挤压到数以亿计的肺泡中,这些泡沫一样的肺泡形成了肺内部粉红色的海绵状结构。它们的表面具有吸附性,全部表面积加起来接近750平方英尺(70平方米),几乎相当于单打网球场面积的1/3。

1品脱(0.47升)的血液大约可以携带0.2品脱(0.094升)的氧气,几乎足以维持人体一分钟的静息状态。

在蜡烛的火焰中,周边环境里的氧气直接攻击熔融状态的蜡,把电子从一堆灼热的富碳粒子和电离气体组成的燃料分子中撕扯出来。当气态火焰温度、密度、电离达到一定程度的时候,就被作“等离子态‘’，例如温度高达6000华氏度(3300摄氏度)氧炔焊的焊接端,该术语也常常用来表示太阳这个炽热球体。等离子态是物质的第四种形态,对固液气这三种我们已经熟知的状态而言,也是一种动态补充,而且很可能是字宙中物质最主要的可见形式,因为恒星就是由等离子体构成的。在地球上,火焰并没有那么凶猛,只是将碳基燃料分解成与它们的原始状态类似的简单颗粒而已。举个例子,用于制造石蜡的石油,是由捕光性藻类利用二氧化碳
与水合成的;当蜡烛燃烧时,其中的碳原子与氢原子分别和氧原子结合成二氧化碳与水,扩散到大气中。这些原料转化为生物组织时需要吸收太阳能,
燃烧时又释放了出来,而且过程飞快,以致蜡烛火焰最热部分的温度可达2500华氏度(1400摄氏度)。
然而,当氧气处在细胞这个可控的范围内时,它便不再是一头怒气冲天的狮子,而更像一只训练有素、嗷嗷待哺的家猫。举例来说,当蜡烛火焰中的高温石蜡开始分解时,氧气猛扑到火焰上,转眼间碳原子和氢原子已经落入了它的魔爪。而当富含碳元素的食物在体内发生氧化时,虽然产生的是相同的废物(CO2和H20),却是经过两个步骤。当你吸入空气时,氧气不会像从蜡烛里那样捕获碳原子,因为在细胞内部这个相对温和的环境下,氧气转而去专一地捕获氢原子。想想你有多幸运,细胞呼吸产生能
量的速度很慢,释放的速度足以保持你的体温而又不会把你灼伤。

燃烧1加仑(6磅,2.7千克)汽油,可以向大气中扩散19磅(8.6千克)吸热性气体二氧化碳:而据美国能源信息管理局估算,仅美国的机动车在2012年就排放了15亿吨C02。

24小时里,你已经呼吸了大概3万次了。在你刚出生时,呼吸这项活动就已经自动开始了,每分钟大概40次。现如今,你还是会不假思索地呼吸,只是频率降到了初生时的一半。
好吧,现在是时候好好思量一下呼吸这件事儿了,请留心一下你是如何收紧膈膜并放松胸腔肌肉的。仅仅这么一个动作消耗的能量大约相当于一个人静息时基础代谢能量的3%,只是为了把体积相当于一个葡萄柚大小的空气吸到肺里,在此过程中,数以万亿计的空气分子就像群鱼入网一样被捕获了。不过,如此巨量的空气分子中,人类所依赖的氧气只占其中的一小部分。平均下来,一位成年人每天需要消耗大约两磅氧气(0.9千克),而单独的一次呼吸完全可以确保延续你接下来几分钟的生命。有些人因为需要长时间屏住呼吸,经常会通过呼吸较为纯净的氧气提高自身的氧气储备量。2010年,一位28岁的自由潜水员彼特·克拉特( Peter colat)在一个水箱中待了长达19分21秒。在下水前不久,克拉特吸了几分钟的纯氧,不过这种使血液高度富集氧气的方法只能获得部分竞争优势,因为一旦血红蛋白所携带的氧已经饱和,便很难再将气态的氧气传输到血液中去了。对于克拉特而言,这么做更大的优势是冲洗出肺中的浊气,在他的嘴和鼻子都不能呼吸时,腾空的胸腔便成了一个临时的氧气瓶。
不过,肺并不只是氧气进入血液的唯一通道,你还有很小一部分“呼吸”是通过眼睛完成的。这些氧气粒子极为重要,位于眼球透明的表面的细胞能够直接从大气中吸收它们,用于补偿眼球血管载氧量的不足,你皮肤表面的很多细胞也在做着同样的事情。而波士顿儿童医院的研究者们最近还发现了一种更为直接的血液供氧方式。
心脏病专家约翰·科尔寻求一种绕过肺部而将氧气直接注射到血液中的治疗方法。为了避免在这个过程中产生气泡而形成致命的栓塞,科尔团队利用声波将纯氧和油脂搅成细腻的白色浮沫。这一方法将气体包裹在柔软而富有弹性的微胶囊中,从而可以在与红血球细胞接触时使其载氧;将这种浮沫注射到实验兔体中时,它们可以停止呼吸15分钟或更久,并不会感到明显不适。“这是一种短期氧气替代法”