Theo quan điểm của Stanley Miller và Harold Urey, khí quyển nguyên thủy Trái Đất khác biệt hoàn toàn so với bầu khí quyển hiện tại. Một trong những đặc điểm nổi bật nhất là sự vắng mặt của oxy tự do (O2). Điều này có ảnh hưởng sâu sắc đến sự hình thành sự sống và con đường tiến hóa của các sinh vật đầu tiên.
Khí quyển nguyên thủy, được cho là giàu các khí như metan (CH4), amoniac (NH3), hơi nước (H2O) và hydro (H2), tạo ra một môi trường khử. Trong điều kiện này, các phản ứng hóa học phức tạp có thể xảy ra, dẫn đến sự hình thành các phân tử hữu cơ đơn giản như amino axit, nucleotide và đường.
Những phân tử này sau đó có thể tập hợp lại thành các cấu trúc phức tạp hơn như protein và axit nucleic, là nền tảng của sự sống. Quá trình này được thúc đẩy bởi năng lượng từ các nguồn như bức xạ tia cực tím, phóng điện từ sét và hoạt động núi lửa.
Sự thiếu vắng oxy tự do trong khí quyển nguyên thủy có nghĩa là các sinh vật đầu tiên phải sử dụng các phương thức trao đổi chất khác để tồn tại. Chúng có thể là các sinh vật dị dưỡng, lấy năng lượng từ các phân tử hữu cơ có sẵn trong môi trường, hoặc các sinh vật tự dưỡng hóa học, sử dụng năng lượng từ các phản ứng hóa học vô cơ để tổng hợp các chất hữu cơ.
Sự xuất hiện của các sinh vật quang hợp, có khả năng sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi carbon dioxide và nước thành đường và oxy, đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử của Trái Đất. Oxy, một sản phẩm phụ của quá trình quang hợp, dần dần tích tụ trong khí quyển.
Sự gia tăng nồng độ oxy trong khí quyển đã tạo ra một áp lực chọn lọc mạnh mẽ đối với các sinh vật. Một số sinh vật đã phát triển các cơ chế để đối phó với oxy, chẳng hạn như các enzyme chống oxy hóa. Những sinh vật khác đã tận dụng oxy để tăng hiệu quả trao đổi chất thông qua hô hấp hiếu khí.
Sự tích tụ oxy trong khí quyển cũng dẫn đến sự hình thành tầng ozone, bảo vệ Trái Đất khỏi bức xạ tia cực tím có hại từ mặt trời. Điều này cho phép các sinh vật xâm chiếm các môi trường sống trên cạn, mở ra một kỷ nguyên mới của sự tiến hóa và đa dạng sinh học.
Tóm lại, khí quyển nguyên thủy không có oxy đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành sự sống và định hình con đường tiến hóa của các sinh vật đầu tiên. Sự xuất hiện của quang hợp và sự tích tụ oxy trong khí quyển đã tạo ra những thay đổi sâu sắc trên Trái Đất, dẫn đến sự phát triển của các dạng sống phức tạp và đa dạng mà chúng ta thấy ngày nay.