地球上在起初并没有气态氧气，大部分氧元素以结合态存在于岩石和水中。随着第一个生命体的出现，氧气开始产生，但数量非常有限，无法满足生命体所需的能量。
天体生物学家的研究发现，大气中的氧气的出现与距今20亿年前的两个重大变化有关：原始生命体的出现和衰退。氧气的出现彻底改变了生命的进化过程，对于地球上的高级生命体来说是必要的条件。科学家也无法确定氧气是否有助于生命体的形成，但在氧气出现之前，已经有约35亿年前的第一个生命体出现，它们通过"呼吸"一些物质来维持生命活动所需的能量。关于地球处于缺氧状态的时间，科学家们长期争论，直到近年才有所突破。
地球化学家的研究表明，地球处于缺氧状态已经超过了20亿年。他们搜集了一系列证据，如古老的土壤、河床和沉积岩中的矿物质，这些矿物质没有发现被氧化的迹象。然而，也有相反的观点认为氧气出现的时间更早，约在30亿年前甚至更早。最终，科学家们通过发明一种能够检测地球上氧气存在的技术解决了这个问题。这种技术利用太阳光分解二氧化硫，并通过检测同位素硫的方法来测定氧气含量。结果显示，在24亿年前，氧气已经出现在地球上。
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