Un cycle géochimique essentiel à la Vie sur terre est en grande partie contrôlé par l'océan. Il s'agit du cycle de l'oxygène libre (O2). Si la vie a pu se maintenir et proliférer à la surface du globe, c'est qu'elle a inventé un mécanisme de défense contre ce poison violent pour elle qu'est l'oxygène, ainsi que la capacité d'exploiter cette ressource. Ce mécanisme, c'est la respiration. En même temps qu'elle inventait ce mécanisme, elle en devenait dépendante.
Même si le rayonnement UV brise les molécules de vapeur d’eau (H2O) et de dioxyde de carbone (CO2) atmosphériques et produit ainsi de l’oxygène libre (O2), cette production est insignifiante en volume. L’O2 est essentiellement un sous-produit de la photosynthèse, ce processus qui, à partir du CO2 et de l'eau, utilise l'énergie solaire pour fixer le carbone dans des hydrates de carbone (CH2O), la matière des premières cellules végétales, ou encore des formes très simples de bactéries. Cette réaction dégage de l'oxygène comme nous l’avons vu au point précédent 3.4.2 et comme le répète l’équation au haut du schéma qui suit.
Le cycle de l’oxygène est donc un cycle court, attaché au cycle court du carbone organique. Au niveau des continents, la végétation, comme par exemple celle des grandes forêts, produit une certaine quantité d'oxygène grâce à l'activité de photosynthèse des végétaux. Le bilan net, sur plusieurs années, d'une forêt mature est pratiquement nul. C'est-à-dire qu'elle consomme autant d'oxygène qu'elle en produit, ne fournissant aucune quantité significative supplémentaire d'oxygène à l'atmosphère pour la respiration des animaux. C'est pourquoi il est faux de qualifier la grande forêt amazonienne de poumon de la Terre. Il y a bien d'autres raisons de vouloir protéger la forêt amazonienne, mais pas celle-là. C’est là une donnée importante à considérer lorsqu’on parle de puits de carbone dans la problématique actuelle des émissions de gaz à effet de serre.
C'est l'océan qui pratiquement à lui seul joue le rôle de régulateur de l'oxygène atmosphérique. La composante végétale du plancton, le phytoplancton, produit de l'oxygène grâce à la photosynthèse. Comme sur les continents, cet oxygène est utilisé pour la respiration par la composante animale du plancton, le zooplancton, et par les autres animaux marins, ainsi que pour l'oxydation de la matière organique. Cependant, une partie seulement de la matière organique est oxydée, l'autre partie se dépose au fond de l’océan et est incorporée dans les sédiments (voir au point 3.2.2 - les dépôts océaniques) où elle est gardée à l'abri de l'oxygène. Comme on l’a vu plus haut (point 3.4.2), cette matière organique sera éventuellement ramenée à la surface terrestre sous forme de combustibles fossiles, pétrole et charbon, ou de kérogènes, beaucoup plus tard dans le cycle géologique. Finalement, une partie de l'oxygène océanique est donc libérée dans l'atmosphère. Celle-ci est utilisée pour la respiration des animaux terrestres et dans les divers processus d’oxydation, comme celui du fer Fe2+. Dans une grande mesure, c’est donc le taux d’enfouissement du carbone organique, ainsi que celui de l’oxydation des matériaux terrestres qui vont contrôler le taux d’émission et la teneur en O2 dans l’atmosphère.
La courbe qui suit présente les variations de la teneur en oxygène libre de l’atmosphère par rapport au niveau actuel pour les derniers 600 Ma. Elle est déduite du taux d’enfouissement (séquestration) et d’altération du carbone organique et des sulfures (pyrite) pour la même période tel qu’établi par le modèle mathématique de R.A. Berner et D.E. Canfield (1989).
Bien que la marge d’erreur (zone en rose pâle) apparaisse relativement grande, force est de reconnaître que les teneurs en oxygène atmosphérique ont varié durant cette période de temps géologique et que le Carbonifère-Permien a connu une augmentation importante.
Puisque l’oxygène atmosphérique est le produit de la photosynthèse et que cette dernière utilise le dioxyde de carbone, il y a donc un couplage évident entre les taux d’O2 et de CO2 dans l’atmosphère. Plus la photosynthèse consommera du CO2, plus elle émettra de l’O2. On devrait donc s’attendre à des augmentations sensibles de la concentration atmosphérique en O2 durant les périodes de grande activité photosynthétique. Si le tout est accompagné d’un enfouissement accéléré des produits de la photosynthèse (= séquestration de carbone), moins d’oxygène libre sera utilisé pour la respiration et plus la teneur en oxygène de l’atmosphère augmentera. C’est ce qui s’est produit au Carbonifère-Permien avec l’avènement, à la fin du Dévonien, des plantes vasculaires et la colonisation des surfaces continentales par la grande forêt (voir au point 3.4.7).