Ponieważ pytanie jest bardzo rozbudowane podzielmy je na kilka części. W pierwszej części ograniczmy się do zmian poziomów kilku podstawowych gazów: wymienionego tlenu $O_2$, oraz dla przykładu dwutlenku węgla $CO_2$, metanu $CH_4$ i azotu $N_2$. Będzie to bardzo duże uproszczenie ale postaram się przedstawić najważniejsze mechanizmy.

1. Główne procesy wpływające na skład atmosfery długoterminowo (miliony / miliardy lat):

a) Wulkanizm – Źródło wszystkich powyżej wymienionych oprócz tlenu. Wulkany i ryfty wypuszczają gazy z płaszcza ziemi.

b) Wietrzenie krzemianów – Dotyczy $CO_2$: wietrzenie skał usuwa ten gaz z powietrza by potem w procesach subdukcji wrócił do wnętrza ziemi.

c) Fotosynteza / zakopywanie materii organicznej (węgiel, osady morskie) – Dotyczy $O_2$, $CO_2$. Fotosynteza to źródło $O_2$ w atmosferze. Z kolei zakopywanie materii organicznej wyłapuje $CO_2$ z powietrza, węgiel zostaje w martwej / żywej materii a $O_2$ uwalnia się do atmosfery.

d) Utlenianie minerałów – $O_2$ był pierwotnie wyłapywany przez żelazo i siarkę w reakcji utleniania (teraz już większość jest utlenionych).

e) Tektonika płyt – mechanizm pośredni który wpływa na rozmieszczenie kontynentów, co z kolei wpływa na intensywność powyższych mechanizmów.

2. Jak zmieniał się skład atmosfery:

1. Hedeik, Archaik (4,6 – 2,5 mld lat temu) – atmosfera głównie $N_2$, $CO_2$, i $CH_4$. Brak $O_2$. Poziomy $N_2$ były już porównywalne przez całą historię geologiczną ponieważ nie było mechanizmów które gwałtownie by go usunęły.
2. Paleoproterozoik (2,5 – 1,6 mld lat temu) – pojawienie się pierwszych organizmów tlenowych – sinic. Pojawienie się $O_2$ (kilka procent atmosfery). Spadek $CO_2$ związany z pojawieniem się $O_2$ oraz gwałtowny spadek $CH_4$ – gaz ten w obecności tlenu jest nietrwały.
3. Mezoproterozoik – Neoproterozoik (1,6 mld – 541 mln lat temu) – $O_2$ stopniowo wzrasta do około 5 – 10% ze względu na rozwój życia. $CO_2$ maleje ale nadal wysoki (10 – 20 razy więcej niż dziś).
4. Paleozoik (541 – 252 mln lat temu) – gwałtowny wzrost $O_2$ w dewonie i karbonie – po „eksplozji kambryjskiej” – pojawienie się roślin lądowych, wilgotny klimat skutecznie zakopywał węgiel w torfowiskach, wietrzenie krzemianów (układ kontynentów) skutecznie zmniejszyły poziomy $CO_2$ poniżej obecnych. $O_2$ wzrósł potencjalnie nawet do 30-35% ze względu na ekspansję roślin. Potem gwałtowny spadek $O_2$ powiązany z: zmianą układu kontynentów, zmiany klimatu doprowadziły do susz, pożarów i rozkładu materii organicznej, ponadto wulkanizm trapów syberyjskich emitował gazy wiążące $O_2$. Tlen spadł nawet do 15%, a $CO_2$ ponownie wzrosło.
5. Mezozoik (252 – 66 mln lat temu) – ponowny rozwój biosfery i roślinności lądowej, wzrost poziomu $O_2$ do około 25-28%. $CO_2$ ponownie wysoki, około 10 razy dzisiejszy poziom, ze względu na aktywność wulkaniczną i tzw. otwieranie się oceanów.
6. Kenozoik (66 mln lat temu – dziś) – spadek $CO_2$ związany z wietrzeniem i pochłanianiem przez oceany. $O_2$ malał co było związane między innymi ze zmianami układu mórz – mniej miejsc do zakopywania materii organicznej.

3. Jak poziom tlenu wpływał na pożary:

Naukowcy zdają się potwierdzać, że wyższe poziomy tlenu były związane z znacznie częstszymi i intensywnymi pożarami. W jednej z publikacji piszą:

„Ujawniliśmy, że aktywność pożarowa byłaby silnie ograniczona przy stężeniu tlenu poniżej 18,5%, całkowicie zanikałaby poniżej 16% O₂, natomiast gwałtownie wzrastałaby w zakresie 19–22% O₂.” (Belcher et al., 2010, Proceedings of the National Academy of Sciences). 

Wynika z tego, że faktycznie wyższe poziomy tlenu mogły prowadzić do intensywniejszych pożarów, ale paradoksalnie stosunkowo niewielkie zmniejszenie poziomu tlenu do 16% praktycznie czyni pożary niemożliwymi. Z drugiej strony, w innych, nowych publikacjach naukowych znalazłem zaktualizowane szacunki poziomów tlenu w Paleozoiku, które znacznie zaniżają 30 – 35% wspomniane wcześniej, nawet blisko obecnych poziomów.

4. Wpływ atmosfery na zdrowie organizmów

Nie dotarłem do jednoznacznych badań naukowych, ponieważ analiza nowotworów czy chorób na podstawie skamieniałości jest niemal niemożliwa. Odkryto jedynie pojedyncze nowotwory kości. Dodając tu ponownie informację o potencjalnie zawyżanych wcześniej poziomach tlenu i niejednoznaczności metod badawczych, możliwe że nie miało to większego wpływu na organizmy żywe. Ponadto długotrwałość procesów zapewne pozwałaby organizmom się przystosować do większej ilości wolnych rodników związanych z utlenianiem. Ten ostatni akapit jest jednakże bardziej moją opinią niż jednoznaczną informacją.

Artykuły naukowe:
Brand, U., Davis, A. M., Shaver, K. K., Blamey, N. J. F., Heizler, M., & Lécuyer, C. (2022). Atmospheric oxygen of the Paleozoic. Earth-Science Reviews, 232, 104088.
→ Kompleksowa analiza geochemiczna i izotopowa rekonstruująca zmienność poziomu O₂ w paleozoiku.

Mills, B. J. W., Krause, A. J., Jarvis, I., & Cramer, B. D. (2023). Evolution of Atmospheric O₂ Through the Phanerozoic, Revisited. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 51, 137–166.
→ Nowsza rekonstrukcja zmian O₂ w fanerozoiku z użyciem modeli geochemicznych (GEOCARBSULF).

Belcher, C. M., Yearsley, J. M., Hadden, R. M., McElwain, J. C., & Rein, G. (2010). Baseline intrinsic flammability of Earth’s ecosystems estimated from paleoatmospheric oxygen over the past 350 million years. Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(52), 22448–22453.
→ Eksperymentalne i modelowe badanie związku między poziomem tlenu a częstotliwością pożarów w historii Ziemi.

Glasspool, I. J., & Scott, A. C. (2015). The impact of fire on the Late Paleozoic Earth system. Frontiers in Plant Science, 6, 756.
→ Przegląd dowodów kopalnych i izotopowych na temat roli pożarów w późnym paleozoiku.

Kasting, J. F. (1993). The Archean atmosphere. Science, 259(5097), 920–926.
→ Klasyczna praca o składzie atmosfery w archaiku, z naciskiem na metan, CO₂ i brak wolnego tlenu.

Strony i źródła popularnonaukowe:
Encyclopædia Britannica. (n.d.). Evolution of the atmosphere. Retrieved October 2025, from https://www.britannica.com/science/evolution-of-the-atmosphere-1703862

Encyclopædia Britannica. (n.d.). Sequence of events in the development of the atmosphere. Retrieved October 2025, from https://www.britannica.com/science/evolution-of-the-atmosphere-1703862/Sequence-of-events-in-the-development-of-the-atmosphere

Encyclopædia Britannica. (n.d.). Plate tectonics: Island arcs. Retrieved October 2025, from https://www.britannica.com/science/plate-tectonics/Island-arcs

Wikipedia. (n.d.). Paleoclimatology. Retrieved October 2025, from https://en.wikipedia.org/wiki/Paleoclimatology

Wikipedia. (n.d.). Carbon cycle. Retrieved October 2025, from https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_cycle

Wikipedia. (n.d.). Oxygen cycle. Retrieved October 2025, from https://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen_cycle

Wikipedia. (n.d.). Atmospheric methane. Retrieved October 2025, from https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_methane