Para este caso, existe una sola teoría general aceptada —aunque todavía bajo discusión— entre los científicos, la cual plantea que el oxígeno molecular en la Tierra se originó a partir de la fotosíntesis de las cianobacterias ancestrales. Antes de desarrollar esta teoría es importante repasar el origen del elemento oxígeno en la Tierra. Lazcano-Araujo habla de la evolución química en la Tierra y plantea la fusión de los átomos de hidrógeno a elevadas temperaturas para formar nuevos átomos: inicialmente dos átomos de hidrógeno más dos neutrones dieron lugar a un átomo de helio, y luego el carbono se originó a partir de helio y berilio (formado por dos átomos de helio), y posteriormente el oxígeno se forma a partir de átomos de helio y carbono.
El átomo de oxígeno fue uno de los primeros en formarse en el proceso de evolución química, sin embargo la forma diatómica molecular (O2) tardaría en aparecer porque la mayor parte del oxígeno se encontraba asociado a otros elementos (H, C, N, metales, etc.), y en este estado no era reactivo ni podía ser usado como aceptor final de electrones en las cadenas metabólicas.
Para describir el modelo de las cianobacterias, es necesario situarse en un planeta Tierra que ya posee grandes cantidades de agua, donde habitan microorganismos heterótrofos y fotosintéticos distribuidos en diferentes profundidades, y por lo tanto con diferentes características ecológicas.
En este planeta primitivo ya existía una atmósfera de carácter fuertemente reductor (totalmente reductor), debido a la heterogeneidad de la mezcla gaseosa que la componía, en la cual los procesos metabólicos eran simples, anaerobios y de baja eficiencia energética. Las cianobacterias son un grupo de microorganismos procariotas fotosintéticos, cercano a las algas (bajo algunas clasificaciones se encuentran clasificadas como algas verdeazules) por la presencia de pigmentos fotosintéticos clorofílicos que, mediante la acción de la luz, catalizan la siguiente reacción:
luz nCO2 + nH2O > (HCHO)n + nO2
Esta reacción muestra el origen del oxígeno molecular a partir de la ruptura de las moléculas de agua, y de esta forma se fue aportando —durante millones de años— el O2 a la atmósfera, incrementando su concentración hasta cambiar su carácter de reductora a oxidante. Si bien la teoría de las cianobacterias plantea que este mecanismo fue el responsable de la presencia del O2 en la atmósfera, evidencias experimentales han mostrado que puede no ser el único: la incidencia de la radiación ultravioleta produce la fotodegradación de la molécula de agua, que genera una cierta porción de oxígeno molecular, sin embargo ésta no debió ser muy significativa porque la longitud de onda necesaria para la fotodegradación del agua (ë < 210 nm) es la misma que absorbe el oxígeno, y por lo tanto la reacción se detiene en poco tiempo.
