Nuestro planeta no siempre tuvo oxígeno en las concentraciones actuales. En su origen se relacionan al menos dos grandes eventos primitivos de oxigenación. Los científicos responsabilizan a la vida microbiana de este cambio que transformó la Tierra para siempre.
Javier Rada
Periodista multimedia
Hasta su aparición, los primeros seres vivos, organismos unicelulares, estaban condenados a vivir en la penumbra. Foto: Istock
En términos humanos, sería como una historia de terror bacteriológico, microbios que tuvieron que morir, huir o adaptarse. Un veneno que penetró en el planeta por oleadas y picos: impregnó primero los mares, luego la superficie terrestre y, finalmente, se acumuló en la atmósfera.
Para entender lo que ocurrió, piensa en las víctimas de aquel holocausto; busca un refugio actual sin oxígeno en la Tierra habitable (quedan pocos), un lugar que haya podido acoger a los refugiados de aquella extinción masiva que se produjo al comienzo del Paleoproterozoico, hace alrededor de 2.400 millones de años.
Esa zona estanca, ese Arca de Noé de los primordiales seres microbianos, es tu estómago. Allí subsiste un ecosistema primitivo, todavía anaeróbico (que no usa oxígeno). Es un búnker aislado del proceso que ocurrió hace miles de millones de años. Cada día interactúas con un éxodo porque a esa parte de tu intestino apenas llega el oxígeno.
Aquel veneno durante eones había sido escaso (en su forma libre). Una fuerza biológica tuvo que liberarlo en cantidades increíbles llegando a formar nada menos que el 21% de la atmósfera actual. A esa toxina que luego se convirtió en el elixir de la vida la llamamos oxígeno. Y su historia es misteriosa…
Hubo varios episodios (hablamos de millones de años, M.a. en términos geológicos) que lo cambiaron todo. Si por un conjuro o por un salto cuántico pudieras saltar atrás, al periodo Arcaico (hace más de 2.500 M.a), no reconocerías a este planeta. No podrías ni respirar. Morirías en pocos minutos. Triste final para tu primer viaje en el tiempo.
El oxígeno pasó de veneno oxidante a catalizador de casi todo. La evolución de los animales y plantas, la energía necesaria para la vida y el movimiento, la respiración, el cielo azul… todo se mide hoy a través de este gas. Solo tenemos que pensar en la capa de ozono (O3), que se forma a partir de oxígeno (O2). Hasta su aparición, los primeros seres vivos, organismos unicelulares, estaban condenados a vivir en la penumbra, en lugares donde no les impactara la mortal radiación de la que nos protege el ozono.
Eso que damos hoy por sentado, el aire tal como lo necesitamos (aproximadamente un 78% de nitrógeno inerte y un 21% de oxígeno), no estaba allí. Todavía nos cuesta comprender el proceso. Cómo los seres vivos fueron los que organizaron la conjura. Nos faltan flecos y “tenemos mucha información que todavía somos incapaces de ordenar en el tiempo profundo”, explica J. Javier Álvaro, paleoclimatólogo y director del Instituto de Geociencias (IGEO).
Hasta donde podemos leer fue la misma vida la que inició el nuevo camino, fueron las comunidades microbianas, las cianobacterias, concretamente, quienes organizaron aquel estropicio inicial al desarrollar un nuevo tipo de fotosíntesis que produjo como desecho ingentes cantidades de oxígeno.
“Trabajamos con una serie de modelos que apuntan a unos eventos que incrementaron el oxígeno episódicamente, más que como un incremento gradual”, explica Álvaro. Y entre ellos destacan dos grandes eventos de oxigenación. El más antiguo, conocido como La Gran Oxidación, se produjo a finales del Arcaico (hace unos 2.500 M.a.). El otro fue posterior, terminando ya el Proterozoico (unos 1.700 millones de años después). En ambos eventos el oxígeno se disparó a concentraciones nunca vistas.
Rastreamos rocas, fósiles, buscamos restos bioquímicos primitivos, datos isotópicos. Tenemos numerosos datos, pero hemos de ordenarlos cronológicamente. Antes de estos eventos hubo una atmósfera primitiva, inhóspita. “Por lo que sabemos en el Arcaico no había oxígeno, o por lo menos no en los niveles que se han conocido posteriormente. Allí aparecen, entre otros indicadores, minerales bien preservados que en una atmósfera oxidante no hubieran sobrevivido”, explica José María Fernández, geólogo del IGEO.
La Tierra infantil se estaba formando a base de calor radioactivo y elementos volátiles. Ese mundo volcánico, más hace más de 4.000 M.a, sería parecido al Mordor de El Señor de los Anillos: un cielo ciego, otros atardeceres, un océano negruzco, el bombardeo constante de viajeros espaciales, como en una teomaquia o guerra de los dioses griegos. Un Sol demasiado joven e inane. El impacto de planetesimales que formó la primera Tierra y Luna, trajo consigo elementos que luego se gasificaron y que formarían la atmósfera inicial irrespirable, gracias a la gravedad del núcleo incandescente del planeta y del primer campo magnético.
Aparecería algo de oxígeno mediante procesos químicos, como la fotoionización en las capas altas de la atmósfera, pero de escasa duración, ya que el oxígeno es extremadamente “amigable” o reactivo: se combina u oxida con rapidez, combinándose con otros elementos de la tabla periódica... A pesar de ser uno de los elementos más abundantes del universo, al ser tan reactivo, no es fácil que se acumule en su forma libre (O2). “Para que aumente su concentración en el agua o la atmósfera, no tiene que haber ya nada que sea oxidable”, añade Álvaro.
Aunque no lo parezca, esa Tierra joven será un lugar con suerte. Allí surgirá la primera vida que no utilizará el oxígeno en sus procesos metabólicos, sino otros gases y minerales. Seres extremófilos.
Futuros refugiados.
Al contrario que Venus y Marte, los planetas hermanos, la Tierra está situada dentro de lo que los científicos llaman la “zona habitable”, y esto ha sido fundamental para la historia del oxígeno terráqueo: mantiene agua líquida en la superficie y fueron las cianobacterias, y sus descendientes, las algas fotosintéticas, quienes supieron aprovecharlo. La fotosíntesis, que provoca como daño colateral el oxígeno, permite romper moléculas de agua y capturar CO2 para generar materia orgánica. La energía de la luz se convierte en energía química en forma de azúcares. Eran elementos abundantes en la Tierra primitiva.
Pero el oxígeno libre necesitaría mucho más que una zona de confort para acumularse. “El oxígeno no pudo haber aparecido en una cantidad considerable antes de la evolución de las cianobacterias. Sin embargo, no es tan simple, intervinieron otros factores”, explica Donald E. Canfield, profesor de ecología de la Universidad de Dinamarca del Sur. Hay distintos modelos que intentan explicar estos incrementos bruscos que se produjeron al final del Arcaico y del Proterozoico. La mera existencia de las bacterias fotosintéticas, que ya llevaban algunos millones de años en escena, no explica estos grandes eventos de oxigenación.
Algo tuvo que provocar su crecimiento explosivo. Y su explicación radica en un factor climático, otro fenómeno planetario que ya describieron los geólogos de Harvard, Paul Hoffmann y Daniel Schrag, a finales de los años noventa del siglo pasado: la Tierra como una gran bola de nieve. “Ahora mismo es el modelo más robusto que relaciona el final de las glaciaciones con desarrollos espectaculares de tapices cianobacterianos que generaron incrementos bruscos del oxígeno”, dice Álvaro.
Las llaman bolas de nieve porque todo nuestro planeta fue eso: blanco, gélido, una enorme bola de hielo, con mantos helados que alcanzaban el ecuador. “Dos episodios del Precámbrico destacan por este tipo de glaciaciones globales. Una de ellas marca el tránsito Arcaico-Paleoproterozoico, hace unos 2.500 M.a.: la glaciación Huroniense”, explica Álvaro.
Según esta teoría, al retirarse los hielos por un calentamiento climático, los nutrientes que los glaciares transportaban fertilizaron masivamente el océano, generando una eutrofización. Esto produjo crecimientos espectaculares de colonias cianobacterianas: la superficie y fondos oceánicos cubiertos por tapices microbianos exhalaban interminables burbujas de oxígeno.
El final de la glaciación Huroniense, inducida probablemente por el movimiento de los continentes o por afectaciones en el eje de rotación de la Tierra, coincide con el primer gran evento de oxigenación. Esto lo sabemos, entre otras cosas, por la precipitación masiva del hierro que hubo en el comienzo del Proterozoico, presente como hierro bandeado en Australia, Canadá o Escandinavia. Muchísimo hierro que solo pudo ser formado por un incremento brutal de oxígeno en la atmósfera.
“En la forma menos oxidada (Fe2+), el hierro es soluble en el agua”, explica Fernández, “pero en cuanto tenemos presencia de oxígeno, se oxida (Fe3+), deja de ser soluble y precipita”, añade. Es una pista, la pistola humeante representada por minerales, como el hematites (Fe2O3). Significa que en ese periodo “el oxígeno ya era suficientemente abundante como para que casi todo el hierro disuelto en el océano precipitara”, explica Álvaro.
Las siguientes bolas de nieve (conocidas como Esturtiense y Marinoense) terminaron mucho después, al final del período Criogénico (llamado así por el frío que hacía), hace unos 630 M.a. Se produce el mismo proceso. Más oxígeno. La Tierra está ya a punto de parecerse a la actual. Las cantidades de concentración del oxígeno permitirán la complejidad más allá de las comunidades microbianas. La vida se dividirá entre refugiados y nuevos colonizadores. Una ventana de oportunidad. Surgen en el registro geológico los primeros metazoos o animales. Se puede dar un milagro, la formación del colágeno, una proteína fundamental para las fibras musculares y el movimiento, “que sólo se sintetiza a partir del 10% de concentración de oxígeno”, explica Álvaro. Y así surgirá el Cámbrico (hace unos 540 M.a): la época de la explosión de la vida compleja. El oxígeno ponía fin al monopolio de la vida microbiana, que había durado casi 4.000 millones de años, es decir, el 85% de la historia de la Tierra
Pero no es tan sencillo, nos recuerda Canfield. “El oxígeno fue producido por las cianobacterias, sí, pero su oxígeno también se utilizó a medida que se descomponían las propias cianobacterias. Por lo tanto, la única forma en la que el oxígeno podría acumularse en la atmósfera se relaciona con el enterramiento de gran parte de las cianobacterias (u otros organismos que contienen carbono orgánico)”, afirma.
Otra vuelta de tuerca. La degradación de ese exceso de vida, de esos blooms, también robaba oxígeno. La materia orgánica acaba sedimentándose en los fondos oceánicos, donde se descompone y degrada, consumiendo mucho oxígeno hasta que se aísla con sedimentos que la recubren. Por suerte, no todo lo que producen los organismos fotosintéticos es consumido cuando se degrada la materia orgánica o por la respiración aeróbica de otros seres. En realidad, ese desequilibrio del 21% que flota hoy en la atmósfera es oxígeno fósil, es decir, el excedente que se volcó tras los eventos masivos de oxigenación. ¿Qué sustancia natural pudo impregnarse en materia orgánica y aislarla del oxígeno ambiental? Algunos científicos apuntan al barro, la arcilla (material también modificado por la acción microbiana, sean hongos, líquenes o musgo), elemento fundamental para conservar la materia orgánica en los sedimentos.
Algunos científicos apuntan al barro, la arcilla, elemento fundamental para conservar la materia orgánica en los sedimentos. Foto: Istock
“Algunos investigadores destacan que el aumento de oxígeno en el Precámbrico estaría relacionado con la protección del carbono a la acción oxidante del medio”, explica Fernández. Tal vez la proliferación de sustratos arcillosos, tras las glaciaciones, facilitó que una parte de la materia orgánica se cobijara en esos sepulcros aislados del medio.
Pero también pudo ayudar que el joven Sol aumentara su intensidad (facilitando más fotosíntesis), el cabeceo del eje de rotación produciendo cambios estacionales, o la ralentización de la propia rotación terrestre, con días más largos. El problema es encontrar pruebas del pasado, porque todo se recicla en el planeta Tierra.
A partir de aquellos eventos precámbricos, el oxígeno ya será una realidad hasta nuestros días. Fluctuará en distintos episodios, pero volverá a autorregularse, como si la vida interviniera como guardián del elixir. “Es un equilibrio geoquímico entre océano-atmósfera y su variante climática, pero sobre todo por la actividad microbiana que lo mantiene”, alega Álvaro.
Cuando buscamos vida en otro planeta buscamos principalmente pruebas de oxígeno. Buscamos un desequilibrio. Pero no sabemos todavía cómo surgió la vida. Solo una idea parece clara: son las comunidades microbianas las que dominan el planeta, no nosotros.
Hoy aquellos refugiados que sobreviven en tu interior hermético, están protegidos del venenoso oxígeno y practican la fermentación (la vida sin aire). Han llegado hasta ti usando la leche materna. Tú les das casa y ellos digestión. Son como restos de un mundo reducido, los primordiales, los primeros habitantes del planeta.
Si después de comer sientes que cierto gas (metano) quiere escapar de ti, piensa en la suerte y en los holocaustos pasados. En el increíble misterio. Aquellos microbios primordiales siguen allí.
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