Ciencia de la Tierra - Impacto desde lo profundo.

Ciencia de la Tierra - Impacto desde lo profundo.

Por :Flavio Reyes Cortez

Es más probable que la causa de varias de las antiguas extinciones haya sido la asfixia por el calor y gases emanados de la Tierra y no el impacto de asteroides. ¿Podrán las mismas condiciones asesinas producirse nuevamente?

Edición: Octubre de 2006.

CIENCIA DE LA TIERRA
Impacto desde lo profundo.
Es más probable que la causa de varias de las antiguas extinciones haya sido la asfixia por el calor y gases emanados de la Tierra y no el impacto de asteroides. ¿Podrán las mismas condiciones asesinas producirse nuevamente?

Por Peter D. Ward

El filósofo e historiador Thomas S. Kuhn sugiere que las disciplinas científicas actúan como organismos vivos: en lugar de evolucionar lenta pero continuamente, pasan largos periodos de estabilidad interrumpidos por infrecuentes revoluciones debidas a la aparición de nuevas especies –en el caso de la ciencia, nuevas teorías. Esta concepción es particularmente aplicable a mi área de estudio, las causas y consecuencias de las extinciones en masa –los periódicos retroceso biológicos cuando una gran proporción de las criaturas vivientes en la Tierra mueren y después de las cuales, nada vuelve a ser igual.

Desde la primera vez que se reconoció la existencia de estas históricas extinciones en masa, hace ya más de dos siglos, los paleontólogos creyeron que habían sido eventos graduales, ocasionados por alguna combinación de cambios climáticos y fuerzas biológicas tales como depredación, competencia y enfermedad. Pero en 1980 la ciencia de las extinciones en masa sufrió una revolución “Kuhniana”, cuando un equipo de la Universidad de California en Berkeley, dirigido por el geólogo Walter Álvarez propuso que la famosa extinción de los dinosaurios ocurrida súbitamente hace 65 millones de años, habría sido ocasionada por la catástrofe en el ecosistema a consecuencia del choque de un asteroide. Durante las dos décadas siguientes, la idea de que un bólido del espacio pudo haber aplastado un significativo segmento de vida en la Tierra, fue ampliamente aceptada –y muchos investigadores eventualmente llegaron a pensar que los detritus cósmicos fueron la probable causa de al menos tres más de las cinco grandes extinciones en masa. La aceptación pública de la idea se ve cristalizada en producciones de Hollywood tales como Deep Impact y Armageddon.

Pero hoy, está en proceso otra transformación en nuestra manera de percibir las interrupciones de la vida en el pasado La nueva evidencia geoquímica proviene de las bandas de piedras estratificadas que delinean los eventos de extinción en masa en la memoria geológica. Estas evidencias incluyen el excitante descubrimiento de residuos químicos, llamados biomarcadores orgánicos, producidos por pequeñas formas de vida que típicamente no dejen fósiles. La conjunción de todos estos datos pone en claro que el cataclísmico impacto, como causa de una extinción en masa, fue la excepción y no la regla. En la mayoría de los casos, la Tierra misma parece haber sido la peor enemiga de la vida, de una manera nunca antes imaginada, y las actuales actividades humanas pueden estar poniendo a la biosfera en riesgo una vez más.

Después de Álvarez

Para entender el entusiasmo general por el paradigma del impacto, es útil revisar las evidencias que lo fortalecen. El escenario vislumbrado por Álvarez, junto con su padre, el físico Luís W. Álvarez, y los químico nucleares Helen V. Michel y Frank Asaro, se forma con dos hipótesis separadas: primera, que un asteroide bastante grande –se estima que pudo tener 10 kilómetros de diámetro- chocó con la Tierra hace 65 millones de años; segundo, que las consecuencias ambientales del impacto terminaron con más de la mitad de todas las especies. Ellos encontraron rastros de una gruesa capa de Iridio –raro en la Tierra pero común en materiales extraterrestres- dejada por la explosión que pudo cubrir de polvo todo el planeta.

En la década posterior a este prodigioso anuncio, se descubrió la huella del asesino, el cráter Chicxulub, oculto en la planicie de la península de Yucatán México. Su descubrimiento hizo a un lado las más recalcitrantes dudas sobre si el reinado de los dinosaurios había terminado por una explosión. Al mismo tiempo generó nuevas preguntas sobre otros eventos de extinción en masa: si ya se sabía que uno de ellos fue causado por un impacto ¿qué se podía pensar de los demás? En cinco ocasiones durante los últimos 500 millones de años muchas de las formas de vida del planeta simplemente habían dejado de existir. El primero de estos eventos sucedió al final del periodo Ordovícico, hace unos 443 millones de años. El segundo, hace 374 millones de años, ocurrió al final del Devónico. El más grande de todos, la Gran Mortandad al final del Pérmico, hace 251 millones de años, barrió con el 90 por ciento de los habitantes de los océanos y con el 70 por ciento de las plantas y animales terrestres, incluyendo insectos [ver “The Mother of Mass Extinctions” de Douglas H. Edwin; Scientific American, julio de 1996].
La muerte “de todo mundo” ocurrió de nuevo hace 201 millones de años, al final del periodo Triásico, y la última gran extinción, hace 65 millones de años, al final del Cretácico con la gran explosión mencionada.
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La Tierra puede, y probablemente ya lo ha hecho, exterminarse a sí misma.
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A principios de los 90 el libro del paleontólogo David Raup, Extinciones: ¿Genes Malos o Mala Suerte? predijo que los impactos finalmente habrían de ser encontrados culpables de todas estas extinciones en masa, así como de otros eventos menos severos. La evidencia del impacto en los límites de los periodos Cretácico y Terciario (K/T), era, y es, ciertamente convincente: además del cráter de Chicxulub y la capa de Iridio, residuos del impacto, incluyendo rocas quebradas por presión esparcidas por todo el mundo lo atestiguan. Posteriores indicios químicos en sedimentos antiguos, documentan rápidos cambios en la composición atmosférica del mundo y sus consecuentes cambios en el clima.

Para algunos otros periodos de extinción los indicios parecían también apuntar “hacia arriba”. Los geólogos habían ya asociado una delgada capa de Iridio con las extinciones de finales del Devónico a principios de los 70, y para 2002 descubrimientos independientes sugerían impactos al final del Triásico y al final del Pérmico. Débiles trazas de Iridio en la capa triásica, y distintivas moléculas de Carbono en “burbujas furtivas” en el Pérmico, que se creyó contenían atrapados gases extraterrestres, se sumaron a otras interesantes pistas [ver “Explosiones Repetidas”, de Luann Becker, Scientific American, marzo de 2002]. Para entonces, muchos científicos empezaron a creer que los asteroides o cometas habían originado cuatro de las “cinco grandes” extinciones en masa; la excepción, el evento al final del Ordovícico, que se pensaba era resultado de la radiación por la explosión de una estrella en nuestra vecindad cósmica.

Sin embargo, cuando los investigadores continuaron comprobando los datos en años recientes, encontraron que algunas cosas no encajaban. Nuevos análisis de los fósiles indicaron que las extinciones del Pérmico y el Triásico fueron procesos lentos que abarcaron cientos de miles de años, y la evidencia recientemente obtenida de alzas y caídas en el Carbono atmosférico, conocidas como ciclo del carbono, también parecían sugerir que la biosfera sufrió una serie de ultrajes ambientales de gran alcance más que un simple golpe catastrófico.

Impacto no tan súbito

La lección del evento K/T, es que el impacto de un cuerpo grande es como un gran terremoto sacudiendo a una ciudad: el desastre es súbito, devastador, pero breve, y después de que termina, la ciudad comienza a reconstruirse rápidamente. Esta secuencia de destrucción y recuperación se refleja en los datos de isótopos de Carbono así como en los registros fósiles de las extinciones K/T, aunque verificarlo le tomó a la comunidad científica algo de tiempo. La esperada brusquedad de la muerte en la frontera K/T fue de hecho visible entre los fósiles más pequeños y numerosos, los del plancton calcáreo y silicoso, y en las esporas de las plantas. Pero entre más grandes son los fósiles de un grupo, más gradual parecía ser su extinción.

Lentamente los paleontólogos comenzaban a entender que este aparente comportamiento era influido por la escasez de muestras de fósiles grandes en la mayoría de capas de suelo y roca estudiadas. Para encauzar este problema de muestreo y obtener una imagen más clara del curso de la extinción, el paleontólogo de la Universidad de Harvard, Charles Marshall desarrolló un protocolo estadístico nuevo para analizar los rangos de fósiles. Para determinar la probabilidad de que una especie particular se haya extinguido dentro de un periodo de tiempo dado, este método analítico alinea la máxima cantidad de información aportada incluso por los fósiles más raros.

En 1996, Marshal y yo unimos esfuerzos para probar el sistema en las secciones estratigráficas del K/T y finalmente demostramos que lo que parecía haber sido una extinción gradual en Europa de los más abundantes de los grandes animales marinos, los amonitas (moluscos fósiles emparentados con los nautilus de concha), consistió en realidad en su desaparición súbita en la frontera misma del K/T. Pero cuando varios investigadores, incluso yo, aplicaron la nueva metodología a extinciones anteriores, los resultados fueron diferentes. Los estudios que hizo mi grupo de los estratos representativos de ambientes tanto marinos como no marinos de la última parte de los periodos Pérmico y Triásico, mostró una ocurrencia más gradual de las extinciones agrupadas en los límites de los periodos.

Este comportamiento se observó también en los registros de isótopos de Carbono, que es la otra potente herramienta para estimar la rapidez de una extinción. Los átomos de Carbono existen en tres tamaños, o isótopos, con una ligera variación en el número de partículas neutras en el núcleo. Mucha gente está familiarizada con uno de estos isótopos, el Carbono 14 (14C), porque su decaimiento se usa para fechar con precisión esqueletos fósiles o muestras de sedimentos antiguos. Pero para interpretar las extinciones en masa, es más útil la razón de isótopos 12C a 13C para extraer información de los registros geológicos, ya que da una imagen más amplia del vigor de la vida de las plantas en el tiempo.

Esto se debe a que la fotosíntesis produce grandes cambios en la razón 12C – 13C. Las plantas usan la energía del Sol para separar el dióxido de Carbono (CO2) en Carbono orgánico, que utilizan para construir células y suministrar energía, y felizmente para nosotros, los animales, liberan oxígeno como producto de deshecho. Pero las plantas son melindrosas y su preferencia es utilizar CO2 que contenga 12C. Entonces, cuando las plantas vivas –ya sean microbios fotosintetizantes, algas flotantes o árboles grandes- son abundantes, permanece en la atmósfera una mayor proporción de CO2 que contiene 13C, y el 12C atmosférico es sensiblemente menor.

Examinando las tasas de isótopos en las muestras de antes, durante y después de una extinción en masa, los investigadores pueden obtener un indicador confiable de la cantidad de plantas vivas, tanto en la tierra como en el mar. Cuando los investigadores hacen una gráfica de tales mediciones para el evento K/T, se perfila un comportamiento singular. En forma virtualmente simultánea con la ubicación de las bien llamadas capas de impacto que contienen evidencia mineralógica de escombros, los isótopos de Carbono corridos hacia el 13C caen dramáticamente durante un tiempo breve, lo cual indica una súbita muerte de plantas vivas y una rápida recuperación. Este hallazgo es completamente consistente con el registro fósil tanto de las grandes plantas terrestres como del microscópico plancton marítimo, los cuales sufrieron una sorprendente pérdida en el evento K/T, de la que se recuperaron rápidamente.

En contraste, los registros de Carbono revelados por mi grupo a principios de 2005 para el Pérmico, y más recientemente para el Triásico, documentan un destino muy diferente para las plantas y plancton durante estas dos extinciones en masa. En ambos casos, los isótopos múltiples se mueven en intervalos que superan los 50 000 o 100 000 años, indicando que las comunidades de plantas fueron abatidas y luego re-formadas, sólo para ser nuevamente perturbadas por una serie de eventos de extinción. Para producir tal comportamiento debió ocurrir una sucesión de choques de asteroides, con miles de años de separación, pero no existe evidencia mineralógica de una cadena de impactos durante ese espacio de tiempo.

En realidad, las posteriores investigaciones de tal evidencia, apuntan hacia la probabilidad de ningún impacto en ambas ocasiones. Ningún otro grupo de investigadores ha replicado el hallazgo original de las burbujas furtivas que contienen gas extraterrestre en el final de la frontera Pérmica. El descubrimiento de cuarzo aplastado en ese periodo también ha sido retractado, y los geólogos no se ponen de acuerdo en si los pretendidos cráteres de impacto en la profundidad del océano cerca de Australia y bajo el hielo de la Antártida son realmente cráteres o son sólo formaciones rocosas naturales. En cuanto a fines del Triásico, el iridio hallado está en concentraciones tan bajas que puede más bien ser producto del impacto de un asteroide pequeño, así que nada de tamaño “asesino planetario” aparece en la frontera K/T. Sin embargo, si no se aprueba la teoría de los impactos como causa de estas extinciones en masa ¿qué ocasionó las grandes mortandades? Un nuevo tipo de evidencia revela que la Tierra misma puede, y probablemente lo ha hecho antes, exterminar a sus habitantes.

El invernadero terrorífico

Hace algo así como media década, pequeños grupos de geólogos comenzaron a hacer equipo con químicos orgánicos para estudiar las condiciones ambientales en momentos críticos de la historia de la Tierra. Su trabajo incluyó la extracción de residuos orgánicos de estratos antiguos en busca de “fósiles” químicos conocidos como biomarcadores. Algunos organismos dejan atrás moléculas orgánicas duras que sobreviven al decaimiento de sus cuerpos y quedan sepultados en rocas sedimentarias. Estos biomarcadores pueden servir como evidencia de mortandad de formas de vida que usualmente no dejan esqueletos fósiles. Diferentes tipos de microbios, por ejemplo, dejan atrás rastros de lípidos distintivos presentes en sus membranas celulares –rastros que se muestran en nuevas formas de espectrometría de masa, una técnica que ordena a las moléculas por su masa.

La investigación de biomarcadores, se dirigió al principio a rocas para fechar la historia de animales y plantas, en parte para determinar cuando y bajo qué condiciones surgió la primera vida en la Tierra, pero hace pocos años, los científicos comenzaron a muestrear en las proximidades de las extinciones en masa, y para su gran sorpresa, los datos de estas extinciones, diferentes al evento K/T, sugerían que los océanos del mundo han regresado más de una vez a una condición de oxígeno extremadamente escaso, conocida como anoxia, que fue común antes de que abundaran las plantas y animales.

Entre los biomarcadores descubiertos estaban los restos de grandes concentraciones de pequeñas bacterias fotosintéticas verdes del azufre. Hoy, estos microbios se encuentran, junto con sus primas, las bacterias fotosintéticas morado azufre, viviendo en ambientes marinos anóxicos tales como las profundidades de lagos estancados y el Mar Negro, y son muy nocivos. Para obtener energía oxidan ácido sulfhídrico (H2S), un gas venenoso para la mayoría de las formas de vida, y lo convierten en azufre. Por lo tanto, su abundancia en las fronteras (K/T) abrió el camino a una nueva interpretación de la causa de las extinciones en masa.

Hace mucho tiempo que los científicos saben que los niveles de oxígeno en los periodos de las extinciones en masa fueron más bajos que los actuales, aunque la razón nunca fue adecuadamente identificada. Una teoría alternativa a la de los impactos establece que la actividad volcánica en gran escala, también asociada con la mayoría de extinciones en masa, pudo haber incrementado los niveles de CO2 en la atmósfera reduciendo el oxígeno y conduciendo a un intenso calentamiento global, sin embargo, los cambios provocados por el vulcanismo no necesariamente explican las extinciones masivas marinas de finales del Pérmico, ni pueden los volcanes incidir en la muerte de plantas terrestres porque la vegetación debió prosperar con el aumento de CO2 y muy probablemente pudo sobrevivir al calentamiento.

Pero los biomarcadores en los sedimentos oceánicos de la última parte del Pérmico, así como las rocas del Triásico, dieron evidencia química de un florecimiento, en el océano entero, de las bacterias consumidoras de H2S. Como estos microbios pueden vivir solamente en ambientes libres de oxígeno, pero necesitan la luz del Sol para su fotosíntesis, su presencia en estratos es un indicio de fondos marinos bajos y es en sí misma un marcador que indica que la superficie de los océanos al final del Pérmico estaba sin oxígeno y era rica en H2S.

En los océanos de nuestros días, el oxígeno está presente en concentraciones esencialmente iguales tanto en la superficie como en el fondo, porque se disuelve de la atmósfera en el agua y es arrastrado al fondo por la circulación oceánica. Sólo bajo circunstancias inusuales, como las que existen en el Mar Negro, las condiciones anóxicas debajo de la superficie permiten que prospere una amplia variedad de organismos oxigenofóbicos en la columna de agua. Esos microbios anaeróbicos, moradores de las profundidades, removieron copiosas cantidades de ácido sulfhídrico, el cual también se disuelve en el agua de mar. En la medida que creció su concentración, el H2S se difundió hacia arriba, donde se encontró oxígeno difundiéndose hacia abajo. Mientras su balance permanece sin disturbios, las aguas oxigenadas y las saturadas de ácido sulfhídrico se mantienen separadas, y su interfase, conocida como “chemocline”, es estable. Es típico que las bacterias verdes y moradas del azufre vivan en esa chemocline, disfrutando el abasto de H2S desde abajo, y la luz del Sol desde arriba.

Los cálculos de los geólogos Lee R. Kump y Michael A. Arthur de la Universidad Estatal de Pennsylvania han mostrado que si los niveles de oxígeno en los océanos caen, las condiciones comienzan a favorecer a las bacterias anaeróbicas de las profundidades, mismas que al proliferar producen mayores cantidades de ácido sulfhídrico. En sus modelos, si las concentraciones de H2S en aguas profundas se incrementaran más allá de un umbral crítico durante un intervalo de anoxia oceánica, la chemocline, que separa las aguas profundas ricas en H2S de las aguas superficiales oxigenadas podría flotar hacia arriba y emerger abruptamente. El terrorífico resultado serían grandes burbujas de gas tóxico H2S haciendo erupción en la atmósfera.

Sus estudios indican que los océanos rebosantes de finales del Pérmico, produjeron suficiente H2S para ocasionar las extinciones tanto en tierra como en el mar. Pero este asfixiante gas pudo no haber sido el único asesino, los modelos de Alexander Pavlov de la Universidad de Arizona muestran que el H2S pudo también atacar a la capa de ozono, un escudo atmosférico que protege la vida de la radiación ultravioleta del Sol. La evidencia de que tal ruptura de la capa de ozono ocurrió a finales del Pérmico, existe en esporas fósiles de Groenlandia, los cuales muestran deformaciones que se sabe son producto de prolongada exposición a altos niveles UV. Hoy podemos ver que debajo de los agujeros de la capa de ozono, especialmente en la Antártida, la biomasa del fitoplancton decrece rápidamente. Y si se destruye la base de la cadena alimenticia, no pasará mucho tiempo para que los organismos superiores se encuentren en aprietos también.

Kump y Arthur estiman que la cantidad de gas H2S que ingresó a la atmósfera a fines del Pérmico desde los océanos fue más de 2 000 veces la pequeña cantidad que actualmente expulsan los volcanes. Suficiente gas tóxico pudo haber penetrado la atmósfera como para matar tanto a las plantas como a los animales –particularmente porque la toxicidad del H2S se incrementa con la temperatura, y varias de las grandes y pequeñas extinciones en masa ocurrieron durante los cortos intervalos de calentamiento global, esto es, donde la antigua actividad volcánica pudo haber llegado.

Se sabe que en la época de las múltiples extinciones en masa, los grandes eventos volcánicos arrojaron miles de kilómetros cuadrados de lava sobre la tierra y sobre el lecho marino. Un subproducto de tan tremenda actividad volcánica pudo haber sido el ingreso a la atmósfera de enormes volúmenes de dióxido de Carbono y metano; lo cual pudo causar un rápido calentamiento global. Durante los tardíos Pérmico y Triásico, así como en el Jurásico temprano, el Cretácico medio y el Paleoceno tardío, entre otros periodos, los registros de isótopos de Carbono confirman que las concentraciones de CO2 se dispararon a las nubes inmediatamente antes de que comenzaran las extinciones y permanecieron altos por, desde cientos de miles hasta unos pocos millones de años.

Pero el factor más crítico parece haber sido el océano. El calentamiento hace más difícil que el agua absorba oxígeno de la atmósfera, entonces, si el vulcanismo elevó el CO2 y disminuyó la cantidad de oxígeno en la atmósfera, y el calentamiento global hizo más difícil para el oxígeno remanente penetrar a los océanos, las condiciones pudieron haberse vuelto favorables para que las bacterias anaeróbicas de las profundidades generaran desbordamientos masivos de H2S. La vida basada en oxígeno del océano pudo haber sido exitosa y más fuerte, mientras las bacterias fotosintéticas verdes y moradas consumidoras de H2S fueron capaces de prosperar en el océano anóxico. Tan pronto el gas H2S impactó a las criaturas terrestres y erosionó el escudo protector del planeta, virtualmente ninguna forma de vida sobre la tierra estuvo segura.

La hipótesis de Kump del asesino planetario enlaza a las extinciones marinas y terrestres del final del Pérmico y explica cómo el vulcanismo y el incremento en CO2 pudieron haber disparado a ambas. También resuelve los extraños hallazgos de azufre en todas las ubicaciones de fines del Pérmico. Un océano y atmósfera contaminados pudieron influir en la muy lenta recuperación de la vida después de las extinciones en masa.

Finalmente, la secuencia de eventos propuesta no sólo pertenece al Pérmico. Una extinción menor al final del Paleoceno, hace 54 millones de años fue ya –recientemente- atribuida a un intervalo de anoxia oceánica como disparador de un calentamiento global de corta duración. Los biomarcadores y la evidencia biológica de océanos anóxicos sugieren que es también lo que pudo haber ocurrido al final del Triásico, en el Cretácico medio y en el Devónico tardío, posiblemente haciendo de las extinciones por tan extremo efecto invernadero, un fenómeno recurrente en la historia de la Tierra.

Más problemática, sin embargo, es la cuestión de si nuestras especies tienen algo que temer de estos mecanismos en el futuro: si ya sucedió ¿puede suceder en el futuro? Aunque las estimaciones de las tasas a las cuales el dióxido de Carbono ingresó a la atmósfera durante cada una de las antiguas extinciones son todavía inciertas, sí se conocen los máximos niveles a los cuales ocurrieron las muertes masivas. La así llamada extinción térmica al final del Paleoceno comenzó cuando el CO2 estaba justo debajo de 1 000 partes por millón (ppm). Al final del Triásico, el CO2 estaba justo arriba de 1 000 ppm. Hoy, con el CO2 en alrededor de 385 ppm, parece que estamos a salvo. Pero con el Carbono atmosférico elevándose a una tasa anual de 2 ppm, y con expectativas de incrementarse a 3 ppm, los niveles podrían acercarse a 900 ppm hacia fines del próximo siglo, y las condiciones que atraen los inicios de una anoxia oceánica, pueden ya estar ocurriendo. ¿Qué tan pronto podría ocurrir una nueva extinción de invernadero? Es algo que nuestra sociedad nunca sabrá.

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PETER D. WARD es profesor en el departamento de Biología de la Universidad de Washington y su departamento de ciencias de la Tierra y el espacio, donde hace investigación en los dos ámbitos. Su investigación terrestre se centra en las extinciones en masa, así como en la evolución y final extinción de los animales marinos similares a los nautilus, conocidos como amonitas, a los cuales describe en su primer artículo para Scientific American en octubre de 1983. Ward también aplica principios selectos de los estudios de las primeras formas de vida en la Tierra en las investigaciones que el Instituto de Astrobiología de la NASA hace de potenciales hábitat para la vida en otras partes. Analizó tales ambientes en un artículo de Scientific American en octubre de 2001 “Refugios para la Vida en un Universo Hostil”, escrita junto con Guillermo González y Donald Brownlee, así como en un popular libro en co-autoría con Brownlee, La Rara Tierra: Porqué la Vida Superior es tan Poco Común en el Universo (Springer, 2000)