如果地球上的所有的光合作用停止，空气中现存的氧气够使用多久？

想象一下，如果地球上的所有绿色植物，包括那些在广袤海洋中漂浮的微小浮游植物，突然间停止了光合作用。那将会是怎样一番景象？这是一个引人深思的假设，它迫使我们去审视地球生态系统中那个默默无闻却至关重要的过程——光合作用，以及它如何维系着我们呼吸的空气。

首先，我们要理解光合作用在氧气生产中的核心地位。地球大气层中我们赖以生存的氧气，绝大部分都是通过光合作用产生的。这个过程简单来说就是植物、藻类和某些细菌利用阳光的能量，将二氧化碳和水转化为葡萄糖（能量）和氧气。它们就像地球的“生命呼吸机”，源源不断地将二氧化碳转化为我们呼出的二氧化碳，并释放出新鲜的氧气。

那么，一旦这个“生命呼吸机”停摆，我们还能剩下多少“氧气存货”呢？这就像问一个储蓄罐里的钱还能用多久。我们的空气并非只有氧气，它主要由约78%的氮气、21%的氧气以及少量的氩气、二氧化碳和其他微量气体组成。那21%的氧气，是我们需要关注的重点。

要估算这现存的氧气够用多久，我们需要考虑几个关键因素：

1. 大气中氧气的总量： 这是我们计算的基数。科学家们已经对大气中的氧气总量进行了估算。粗略估计，地球大气层中的氧气总量约为1.2 x 10¹⁴吨。这是一个非常巨大的数字，但考虑到我们不断消耗它，这个数字也并非无限。

2. 人类和其他有氧呼吸生物的消耗速率： 这是氧气“消耗”的进度条。我们人类一直在消耗氧气，每时每刻都在进行有氧呼吸。同样，无数的动物、细菌以及其他需要氧气才能生存的生物，也在消耗着大气中的氧气。我们的消耗量是巨大的，但与大气总量相比，在短时间内可能并非压倒性的。

3. 其他消耗氧气的自然过程： 除了生物呼吸，还有其他一些自然过程也会消耗氧气，例如森林火灾、有机物的分解（细菌和真菌的呼吸）、化石燃料的燃烧（虽然这背后也是由古代光合作用固定的碳驱动的）等等。在光合作用停止的情况下，这些过程可能会变得更加显著，因为没有新的氧气补充进来。

那么，具体能用多久呢？

科学家们对这个问题进行过一些估算和模拟，但这是一个非常复杂的生态系统模型，涉及的变量众多，很难给出一个绝对精确的数字。不过，我们可以根据已有的数据进行一些推测。

首先，我们需要考虑一个重要的前提： 光合作用停止并非瞬间发生，而是逐渐衰退，或者突然全部停止。 如果是突然全部停止，那么我们拥有的氧气就是固定的。

一些估算表明，如果光合作用完全停止，大气中的氧气储备大概可以支持地球上的生命，特别是大型生物（包括人类）生存数千年。这个“数千年”的说法，来源于对氧气消耗率和大气氧气总量的估算。

举个例子来理解： 假设我们大气中有100吨氧气，而我们每天消耗1吨。那么理论上，这100吨氧气可以用100天。但地球上的氧气消耗并非如此简单。
更细致的考量：
生物圈中的氧气循环： 氧气并非仅仅存在于大气中，它还溶解在海洋中，并以其他形式（如化合物）储存在地壳中。不过，我们日常呼吸和绝大多数生命活动直接消耗的是大气中的氧气。
海洋的重要性： 需要强调的是，海洋中的浮游植物贡献了地球上约一半甚至更多的氧气。所以，如果海洋中的光合作用也停止，情况会比只考虑陆地植物糟糕得多。许多科学家认为，海洋浮游生物是氧气的主要生产者。
消耗速率的变化： 当氧气浓度开始下降时，有氧呼吸生物的活动可能会受到影响，导致消耗速率减缓，但这并不意味着我们能“无限期”地使用。
其他因素的叠加效应： 如果光合作用停止，这意味着二氧化碳的消耗也会停止，大气中的二氧化碳浓度会急剧上升，而氧气浓度会逐渐下降。高浓度的二氧化碳本身也会对气候产生巨大影响，并可能影响生物的生存，这又会进一步改变氧气消耗的速率。此外，没有了光合作用，植物本身也会死亡，它们的分解过程也会消耗氧气。

一个更现实的推测：

如果所有光合作用在某一天同时停止，我们的大气氧气，根据估算，足以让地球上的绝大多数生命（包括人类）在几百年到几千年的时间里缓慢地走向终结。这个时间尺度是基于平均消耗率来推算的。

想象一下，每天我们都在从这个巨大的氧气“银行”里取钱，但再也没有新的存款进来。一开始，这个存款余额看起来非常充裕。但是，随着时间的推移，存款余额会越来越少。
并不是说几千年后氧气就完全没有了，而是说，当氧气浓度下降到一个临界点时，许多生命将无法生存。例如，对于人类来说，当氧气浓度下降到约1015%时，我们会感到严重的呼吸困难，出现缺氧症状，甚至死亡。
更早期的影响： 在氧气浓度真正危险之前，可能就已经有许多对氧气浓度变化敏感的生物开始出现问题。例如，一些高度特化的海洋生物或高海拔地区的生物可能会首当其冲。
碳循环的改变： 光合作用的停止意味着植物不再吸收二氧化碳。二氧化碳浓度的上升会引起气候变暖，这本身就会对许多生态系统造成毁灭性的打击，而这些打击又会加速氧气的消耗（例如，更多的森林火灾）。

总结一下：

如果地球上的所有光合作用停止，现存的空气中的氧气理论上可以支持地球上的绝大多数有氧呼吸生物使用数百年到数千年不等。这个时间长度是一个基于估算的范围，具体取决于我们如何精确计算总的氧气储备以及复杂的生物和化学消耗速率。但这并不是一个可以掉以轻心的时间。它意味着，在相对较短的地质时间尺度内，地球将不可避免地经历一次巨大的生态灾难。

这个思想实验提醒我们，光合作用不仅仅是植物的“工作”，它是整个地球生命维系系统的基石。我们呼吸的每一口空气，都凝聚着无数植物和浮游生物的辛勤付出。它们是地球沉默的守护者，也是我们生命的源泉。没有它们，我们的星球将很快变得面目全非，我们也就无从谈起“够用多久”的问题了。

网友意见

地球大气里现存的氧气相当之多，按照Walker, J. C. G.的估计有1.4E18千克，这是14后面有17个零的数字；每年，地球生物圈和大气圈·水圈·岩石圈交换约3E14千克氧气；在地球生物圈完全不进行光合作用而维持现有呼吸作用率的情况下，大气里现存的氧要等五千年^[1]到两万五千年才会耗尽；让比较敏感的人窒息，至少要将大气氧浓度从现在的21%降到18%以下，起码七百一十四年。

何况在上述情景里生物圈的呼吸作用率不会不减少。

人可以从空气里浓缩氧，足够你等到人类完成大规模的地球工程、自己生产氧气，或是其它微生物突变成产氧生物——事实上你这辈子都不一定看得到人类开始搞这个工程，因为实在是没必要。

• 如果要求人类只靠技术产生氧气，人类文明的总功率拿出约十分之一去修建太阳光分解海水的基础设施来制造氧气，效果就会超越地球生物圈的光合作用氧生产量，而且这个工程并不会很花时间去准备。
• 况且人类文明的总功率还在成长，将今后新兴建太阳光发电、氢能源、裂变核能之类产业的生产路径改动一下就能产生巨大的氧气生成量，无需专门改动现有产业。

粮食危机就是另一回事了，现代社会的资源分配是不平衡的，在光合作用停止之后会有一些人等不到食物分配完成。人和家禽·家畜所吃的植物没有产氧光合作用以外的能量来源，寄生植物依靠的是宿主的产氧光合作用，食虫植物是从昆虫等动物里获取氮和微量元素而不是作为能源，况且这些昆虫的生物量本质上还是产氧光合作用支持的。植物不可能靠不产氧光合作用维持现在的生物量，粮食危机不可避免。

不过，事实上人类的存续并不需要太多人口，而且人也可以食用加工过的色藻、细菌、古菌，在必要的场合单细胞农业可以支持成百上千亿的人口，麻烦的是建成之前某些地方就会呈现中国古籍里的描述^[2]了。

• 在这个过程中，人类可以批量消灭不再产生氧气的植物与色藻，使其让出呼吸作用份额。

总之，由于人类在这方面的能力强于地球生物圈的其余部分，“光合作用停止”根本不能导致“空气中现存的氧气耗尽”。

每年，太阳输入地球的太阳辐射有5.5e+26焦耳的能量。在标准状态下，将1摩尔水分解为氢气和氧气需要2.37e+5焦耳的能量。要人类通过技术替代上图中8.8e+15摩尔/年的光合氧生产量，以2%的效率利用太阳光，需要接收太阳输入地球的太阳辐射的万分之三点八。

大量消灭你不再需要的生物量，可以减少每年需要的氧气的量，进一步节约需要的能源。

参考

1. ^ Walker, J. C. G. (1980) The oxygen cycle in the natural environment and the biogeochemical cycles, Springer-Verlag, Berlin, Federal Republic of Germany (DEU)
2. ^ 大饥，人相食——二十五史反复出现

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