你每天置身其中並吸入肺部的空氣，在不同的時刻和不同的季節都會有變化，其變化幅度超出你的想像。這只是拉爾夫·基林（Ralph Keeling）的眾多發現之一，這位斯克裡普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）的科學家測試大氣的方式和警察用酒精測試儀對司機進行呼吸檢測的方式如出一轍。
基林從事氧氣含量測量的工作已逾二十年，這些空氣樣品從夏威夷、南極洲以及其他很多地區收集，並被密封在小瓶中送到他位於加利福尼亞州拉荷亞（La Jolla）的實驗室。如同從呼吸中能檢測出微量酒精一樣，大氣中組分的微小變化就可以證明很多問題，比如人類、植被及浮游生物對地球的影響。
森林，我們經常會說它們是「地球之肺」，因為它們製造了我們所需的氧氣，但這個比喻在某些方面並不恰當。肺並不會製造氧氣，與此相反，它是消耗氧氣的器官；並且基林的研究證明，你所呼吸的氧氣中只有一半來源於陸生植物，剩下那部分是由海洋中的藻類以及藍藻（又叫藍綠藻，藍細菌）貢獻的，此外還有很少的一部分來源於上層大氣中水蒸氣的分解，太陽以及遙遠恆星輻射的放射線為此過程提供了能量。
不過，結合了基林已故父親——查理·大衛·基林於1958年在夏威夷莫納羅亞天文台（Mauna Loa Observatory）發佈的二氧化碳分析結果來看，長期的氧氣記錄數據卻與醫學呼吸檢測儀的讀數顯示出近乎於詭異的相似性。氧氣濃度的年度上升波動恰恰伴隨著CO2的循環式下降，這些數據共同打開了一扇神奇的窗戶，揭示了地球同植物間的原子級關聯。
基林最初研究大氣時，曾以為不同地區間的差異會比較明顯。讓他感到驚奇的是，在排除森林與城市影響的偏遠地區，採用同種方法收集到的空氣樣品幾乎沒有差異。直至今日，大氣混勻的程度和速度還是超出科學家的想像，夏威夷與加州拉荷亞市斯克裡普斯碼頭的CO2平均濃度非常相似。
除此之外，同樣值得關注的是，大氣記錄中還出現了很多類型的節奏性波動。每個白天，二氧化碳的濃度都會緩慢下降，到了晚上又會恢復，而更大規模的季節性波動則是由夏季的波谷與冬季的波峰構成。當拉爾夫·基林繼承遺志開始測量氧氣濃度時，他得到了類似的曲線，但趨勢正好相反。通過這些數據，可以看到，伴隨著地球的自轉和公轉，地球的大氣對無數植物和微生物的呼吸做著回應。
促成這一脈動的「起搏器」是太陽。黎明時分，加利福尼亞甦醒過來，拉荷亞的草坪和棕櫚樹便開始向空氣中釋放氧氣，並從空氣中吸取二氧化碳；此時此刻，太平洋海面上漂浮的浮游生物也在做著同樣的事情。地球的自轉還在繼續，直到夜幕降臨之時，氧氣的生產過程被迫終止，但細胞裡那些生產CO2的小工廠卻還在持續運轉，因為它們不需要太陽能。從而促使當地的二氧化碳水平重新恢復，而氧氣水平相應下降。
類似的過程也體現在因季節更迭引起的大氣變化中。春天，萬物復甦，芽生葉長，O2濃度迅速提升，而CO2有所減少。到了這一年的晚些時日，光合作用變緩，同時枯葉腐爛釋放出二氧化碳，於是跟春季相反的變化趨勢便發生了。基林的圖表揭示了一種鋸齒效應，相比於觀看，如果你是在傾聽這種波動，它聽起來好比是長跑運動員的喘息。可見氧氣的曲線大概就是：「在春天裡努力地呼出，在冬天裡深深地吸入。」然後週而復始。
莫納羅亞火山周邊的空氣中氧氣和二氧化碳濃度在2000年到2012年之間的季節性週期變化與趨勢。氧氣濃度整體呈下降趨勢，主要是因為化石燃料的燃燒和開荒造成的山火與腐爛。感謝斯克裡普斯氧氣研究項目提供的數據
這裡要再一次提起，「地球之肺」的比喻是不太恰當的——不光是說這些「肺」會呼出氧氣，而且它們的這一進程還不同步。當一個半球呼氣時，另一個半球正在吸氣，如果哪位運動員胸腔中那兩片肺葉也是如此工作，恐怕會招致不少關注。
基林的記錄還清楚地顯示出我們人類對大氣的影響，不過多數是破壞性的。2013年的早些時日，溫室氣體二氧化碳的平均濃度達到了400ppm（ppm表示百萬分率），相比20世紀50年代時約312ppm的平均值有所增長。引起這一變化的主要原因是化石能源的燃燒，以及砍伐森林引起的腐爛與燒山。不同於光合作用，就跟人類的肺一樣，這些現代社會裡的人工「肺」消耗的是O2，釋放的是CO2，而且這樣的行為一直保持著相當大的規模。
當二氧化碳的長期觀察記錄穩步增長之時，全球平均氣溫也在同步上升，而氧氣的含量卻在下降。根據斯克裡普斯的O2項目網頁顯示，拉荷亞的氧氣濃度自1992年至2009年，已經下降了0.03個百分點。拉爾夫·基林在接受《聖地亞哥聯合論壇報》（San Diego Union-Tribune）的採訪時曾說，這是全球性的「燃燒信號」。
在全球變暖的危機以外，我們現在是否需要擔憂氧氣被耗盡呢？基林的觀點是沒有必要。在另一次接受《聯合論壇報》採訪時，他解釋道，空氣中的氧氣含量是很充足的，微小幅度的損耗並非什麼危機。然而，「氧氣的變化趨勢幫助我們理解，是什麼控制了CO2的增長」。斯克裡普斯O2項目的報告中提到，自工業革命起，大約有一萬億噸的氧氣因燃燒化石能源被消耗，但相對於大氣中海量的氧氣儲備而言，也只是總量的0.1％而已。這個比例對人類的健康影響微乎其微，而在沒有不良因素影響的大城市，季節性的氧氣水平變化常常可以達到10％或更高的比例。
地球上氧氣的儲備如此豐沛，以至於全世界所有的植物及浮游生物的年度產出幾乎不能對其構成影響。空氣中飄浮著1000萬億噸的氧氣，大約相當於它們兩千年的產出總和。在更為寒冷黑暗的季節以及夜晚時，光合作用不再進行，生命仍然可以找到那些很久以前就產生的氧氣而得以生存。
要想從個人的水平理解這一巨大的概念，你或許可以四處走走，接觸那些正在維持你生存的氧氣製造者。森林研究員大衛·諾瓦克（David Nowak）和他團隊出版的《樹木栽培與城市林業》（Arboriculture & Urban Forestry）一書講道，平均1英畝（4047平方米）樹林一年生產的氧氣足夠8個人維持生息，當然精確的換算關係還取決於樹種、樹齡以及樹木生長的環境等。全美國的城市樹木每年可以生產出6700萬噸氧氣，足夠維持2/3的美國人生存了。相關報告的城市名單顯示，全美氧氣生產量的桂冠由鬱鬱蔥蔥的佐治亞州城市亞特蘭大摘得，這裡的樹木每年所產生的9.5萬噸氧氣幾乎可供此處所有居民呼吸。紐約市與華盛頓特區分別摘得榜眼與探花，每年分別生產6.1萬噸和3.4萬噸氧氣。新澤西州的費裡霍爾德（Freehold）排名墊底，每年的產量只有區區1100噸。
在城市中種樹有很多美好的理由，冬暖夏涼也好、美化環境也好，卻沒有以生產氧氣為目的。即使在寸草不生的沙漠裡，你也都能輕鬆地找到充足而又完美的氧氣用於呼吸，對於新澤西的費裡霍爾德也一樣。而且不管你身在何處，即使在冬季，本地的樹木已經落葉或休眠之時，你仍然可以獲得足夠的氧氣。大多數你吸入的氧氣分子來自於遠方，並且擁有很長的歷史，你下一次呼吸的氧氣中，也只有很少一部分是在過去一年內生成的。
儘管你或許會很容易展開聯想，植物是為了我們的利益才生產了氧氣，但事實上，你吸入的氧氣，不過是這些光能收集者為自己準備盛宴時不小心撒出來的麵包屑而已。植物也和你一樣擁有線粒體，它們生產的氧氣大多被自己消耗了。無論森林還是海洋所生產的氧氣，其實都只是洩漏物，而且大部分在逸出後很快就被銹蝕、腐爛和燃燒等過程消耗了。如果死去的植物、動物和微生物不是在腐爛或焚燒前就大量被土壤和海洋沉積物掩埋，那麼大氣中的氧氣含量最終會降到接近於零的水平，所有人都會窒息。你的另一個氧氣來源或許可以通過從海水中拉起一張細眼漁網而找到，如果捕獲物接近於棕黃色，那麼你可能收集到了硅藻。在顯微鏡下，它們看上去就像是一塊塊包裹著玻璃外殼的金色果凍，看上去有的像雪花，有的像針頭，有的則像是精心設計的輪轂罩。其他一些可以發生光合作用的浮游生物，通常具有奶油狀白堊外殼或是像一串綠色的孔雀石珠子。海帶則類似植物的近親，其外形可以像是綠色的膜，或是一張棕色的軟質橡膠墊，又或是起皺的萵苣。拉爾夫·基林測算，每年北半球海洋生物通過光合作用產生的氧氣接近300億噸，南半球還要多出一半。
如果你穿過大氣來到高空，或許氧氣短缺會成為問題。重力作用使得氣體分子在低海拔的位置聚集，在海平面上，每平方英吋的氣壓大約是15磅（1標準大氣壓＝14.696磅/英吋2＝101.325千帕）。這個壓力不會讓你感到不適，因為在你的體內到處都分佈著空氣，內部壓力與外部壓力剛好匹配。這種感受更像是在游泳池中漂浮，而不是在頭和肩膀上頂了一隻重達3/4噸的水球。如果不是坐飛機或是在高山上行進時耳朵有些不適，我們大多數人甚至都不會注意到這股始終存在的壓力。
根據altitude.org提供的在線氣壓計，在一座海拔1英里（1.6千米）的山峰上，你仍然可以獲取相當於海拔零點處83％的氧氣；然而當你爬到1.5英里（2.4千米）左右時，空氣變得更稀薄，氧氣濃度也降到了75％以下，高原反應便可能成為實際麻煩了。人們有時會在高空飛行的航班中感到頭痛，很多時候就是因為艙內低壓導致的輕微缺氧，這種情況與身處海拔1.5英里高的山上類似。
有些人群的祖先在高海拔地區生活了數百年，由此可能形成基因突變，從而使他們更能適應缺氧狀態。多數西藏人都比其他人群的呼吸速度更快，並且每一次呼吸可以吸入更多的空氣，這便是因為基因遺傳讓他們能更好地適應氧氣短缺的情況。安第斯人的血液中存在大量的變異紅血球，具備從空氣中提取更多的氧氣的能力。
肉眼觀察空氣壓力。左圖：一隻塑料瓶在秘魯安第斯山脈海拔15500英尺（4724米）的高度上封緊瓶蓋，這裡每一次呼吸中的空氣分子都只有在海平面呼吸時的一半。右圖：同一隻瓶子未經啟封帶到接近海平面高度的利馬，更稠密的空氣分子產生的壓力將瓶子擠壓變形。照片由科特·施塔格拍攝
但是即便是這些擁有特殊基因的人群，長期在世界最高峰生存也是不可能的。很簡單，我們與那些具備光合作用的生物之間存在著原子級的關係，而這個關係不能太過遙遠。