Resumen: Cuando observamos nuestro planeta desde el espacio, un hallazgo intrigante se centra en sus aparentes contradicciones bioquímicas: La tierra posee gran abundancia de clorofila y por ello de plantas, pero también tiene montones de oxígeno, el cual es un elemento venenoso producido como desperdicio vegetal. Saber cómo obtuvo la Tierra una atmósfera rica en oxígeno es por ello un paso importante en el camino evolutivo de la Tierra hacia la habitabilidad, junto a otro aspecto muy debatido de nuestra historia biológica. ¿De dónde procede el oxígeno? |

Por: Lee J. Siegel

Las cianobacterias (arriba) se convirtieron en los primeros microbios en producir oxígeno por fotosíntesis. Crédito: UC Berkeley

Los animales necesitan el oxígeno. “No se pueden desarrollar animales como nosotros sin contar con una cantidad considerable de oxígeno,” dice el geoquímico Dick Holland de la Universidad de Harvard. “Sin el Acontecimiento de la Gran Oxidación [un aumento dramático del oxígeno en la atmósfera de la Tierra hace unos 2.3 mil millones de años], no estaríamos aquí. Ni dinosaurios, ni peces, ni serpientes – sólo una gran cantidad de microorganismos.”

El oxígeno no fue siempre tan abundante como lo es hoy en día. La mayoría de los científicos creen que durante la mitad de los 4.6 mil millones de la historia de la Tierra, la atmósfera casi no contenía oxígeno.

Las cianobacterias ó algas azul-verdosas se convirtieron en los primeros microbios en producir oxígeno por fotosíntesis, quizás hará unos 3.5 mil millones de años y con toda certeza alrededor de unos 2.7 mil millones. Pero, misteriosamente, hubo un extenso lapso de espera –cientos de millones de años- antes de que la atmósfera de la Tierra obtuviera cantidades importantes de oxígeno, hace unos 2.4 a 2.3 mil millones de años.

Entierro en el Mar

La teoría convencional acerca de como se acumuló el oxígeno en la atmósfera se enfocó en el entierro en forma de sedimentos del material orgánico en el fondo del mar, que más adelante se endurecieron formando rocas.

Las cianobacterias son microbios que viven principalmente en agua de mar. Se cree que puedan haber sido los primeros organismos en la Tierra en realizar fotosíntesis oxígenante. En este proceso, producen carbón orgánico, el bloque de construcción de las moléculas de la vida, y eliminan oxígeno gaseoso (O2). El O2 se introduce en el agua de mar, y de ahí algo se escapa hacía la atmósfera

Cuando estos microbios mueren, sus desechos se entierran en los sedimentos del fondo marino. Su descomposición desprende oxígeno del agua del mar y a su vez, a la atmósfera.

Tal como marca la teoría del entierro del carbón, cuando el material orgánico es enterrado, el oxígeno se vuelve disponible para incrementarse más en la atmósfera. Así que quizá hubo un aumento repentino hace 2.3 mil millones de años en la cantidad de carbón orgánico que se enterró, dejando mas oxígeno libre.

Pero hay un problema: Los estudios han demostrado que la cantidad de carbón enterrado encontrado en las rocas sedimentarias, permaneció constante durante las fases tempranas del Gran Evento de la Oxidación. De manera que un cambio en el grado de entierro del carbón no puede explicarnos la acumulación del oxígeno en la atmósfera.

El Hidrógeno al Rescate

El científico sobre la atmósfera, Jim Kasting de la Universidad del Estado de Pennsylvania propuso ya hace diez años que la Tierra obtuvo una atmósfera rica en oxígeno porque el hidrógeno molecular de las erupciones volcánicas se esparció hacia el espacio. Crédito: Penn State University

Una explicación alterna es que el oxígeno se acumuló porque hubo una disminución en gases – hidrógeno, por ejemplo – que reaccionan con, y por lo mismo “absorben”, el oxígeno. El científico sobre la atmósfera, Jim Kasting de la Universidad del Estado de Pennsylvania propuso ya hace diez años que la Tierra obtuvo una atmósfera rica en oxígeno porque el hidrógeno molecular de las erupciones volcánicas se esparció hacia el espacio.

En un principio, esto parece no tener sentido. Si los volcanes estaban emitiendo hidrógeno, y las cianobacterias estaban bombeando oxígeno, porqué simplemente no se combinaban entre sí para formar agua y se hubiera terminado.

En realidad, eso ocurrió hasta un cierto grado. Pero Kasting cree que mucho del oxígeno producido por la fotosíntesis terminó enterrado dentro del manto de la Tierra, la capa debajo de la corteza, antes de que el hidrógeno pudiera alcanzarlo. El no está seguro de como, pero cita tres teorías:

(1) el oxígeno reaccionó con hierro en el agua de mar, y el óxido de hierro resultante se precipitó al fondo marino, y luego se enterró profundo dentro de la Tierra;
(2) el agua rica en oxígeno de los sedimentos marinos se enclavó dentro de la Tierra, dejando oxígeno en el manto cuando el hidrógeno del agua fue escupido por los volcanes; y
(3) Los sulfatos de las termas submarinas ricos en oxígeno reaccionaron con el hierro en los sedimentos marinos, los cuales fueron enterrados para liberar oxígeno en el manto.

El entierro del oxígeno, en forma de óxidos, en el manto terrestre tuvo dos efectos. Primero, permitió al hidrógeno continuar escapando hacia el espacio. Y segundo, los óxidos enterrados reaccionaron con hidrógeno y otros gases “reducidos” tales como el monóxido de carbono y el sulfito de hidrógeno que igualmente se encontraban presentes dentro del manto de la Tierra. Esto sacó al hidrógeno de circulación. El resultado: Cuando estos sedimentos ricos en oxígeno fueron reciclados por la Tierra y sus gases fueron nuevamente emitidos por los volcanes, dichos gases contenían menor cantidad de hidrógeno libre que en un principio.

Así el oxígeno pudo aumentar en la atmósfera, ocasionando quizá el más dramático cambio en la historia de la vida en el planeta.

Antes de que esto sucediera, la cantidad de oxígeno en la atmósfera de la Tierra era de alrededor de una diez-cuadrillonésima parte de la cantidad actual, dice Kasting. El oxígeno forma actualmente cerca del 21 por ciento de la atmósfera de la Tierra; siendo la mayor parte del resto el nitrógeno.

Del Hidrógeno al Metano

Catling cree que los sedimentos ricos en oxígeno se enterraron tanto en la corteza como en el manto de la Tierra. Crédito: Universidad de Oxford

En la actualidad, una reciente teoría dice que el hidrógeno emigró hacia la alta atmósfera como un componente del metano, o gas natural, el cual fue descompuesto por la luz ultravioleta del sol, liberando hidrógeno para que escapase hacia el espacio.

La teoría fue esbozada en un artículo publicado en la revista Science el 3 de Agosto del 2001, por David Catling, Kevin Zahnle y Christopher McKay del Centro de Investigación Ames de la NASA. (Catling, un científico planetario, desde entonces se cambió a la Universidad de Washington). El escrito utilizaba cálculos de reacciones atmosféricas y procesos para explicar porqué el metano se habría acumulado en la atmósfera entre 2.7 y 2.3 mil millones de años atrás, permitiendo que el hidrógeno escapase y, eventualmente, se acumulase el oxígeno.

Mucho hidrógeno y oxígeno se originaron por la descomposición del agua mediante las cianobacterias. Como se mencionó anteriormente, las cianobacterias consumían agua y bióxido de carbono durante la fotosíntesis, formando material orgánico y liberando oxígeno. Otras bacterias consumían el material orgánico, produciendo hidrógeno molecular y acetato. Estos, a su vez, eran consumidos por microbios que producían metano, de acuerdo con Catling.

Cuando las cianobacterias comenzaron por primera vez a producir oxígeno, una gran parte del oxígeno reaccionó con el hierro, azufre y otros químicos en los océanos, y en las rocas de la superficie de la Tierra, cuando las gotas de lluvia que contenían oxígeno disuelto afectaron y erosionaron las rocas. Estos procesos condujeron al oxígeno hacia los sedimentos marinos y eventualmente hacia el interior de la Tierra. Catling cree que los sedimentos ricos en oxígeno fueron enterrados tanto en el manto como en la corteza de la Tierra. Sin embargo, cree que los sedimentos oxidados reciclados a través de la corteza pueden haber sido el factor crítico para la estabilidad del oxígeno en la atmósfera. Estos sedimentos reaccionaron con el hidrógeno y otros gases “reducidos”, disminuyendo el flujo de tales gases hacia la atmósfera – no de los volcanes, sino que de rocas calientes comprimidas conocidas como rocas metamórficas.

El entierro de los óxidos en la corteza permitió que se formara el metano en la atmósfera, dice Catling. Parte del metano reaccionó con oxígeno, pero mucho no lo hizo. Este exceso de metano se acumuló en la atmósfera en concentraciones de unos pocos cientos a pocos miles de veces mayor que los niveles actuales, calcula Catling.
La luz ultravioleta solar en la atmósfera superior descompuso al metano en sus componentes, carbono e hidrógeno. El hidrógeno se esparció en el espacio, dejando que el oxígeno comenzara a acumularse.

Tapete microbiano productor de oxígeno mediante fotosíntesis. Crédito: Departamento de Geología de UTA

Catling dice que debido a que el metano es un “gas de invernadero,” su teoría explica también como se calentó la Tierra miles de millones de años atrás, cuando el Sol era más débil.

Dos semanas antes de que la teoría de Catling se publicase, la revista Nature publicó otro estudio con implicaciones acerca de como se formó la atmósfera rica en oxígeno en la Tierra. El biogeoquímico David Des Marais, del Centro de Investigación Ames de la NASA, el biogeoquímico-astrobiólogo Tori Hoehler y Brad Bebout reportaron que midieron la producción masiva de hidrógeno por tapetes microbianos en la costa mexicana de la Península de Baja California.

'Si los antiguos tapetes microbianos actuaron en forma similar a los modernos que hemos estudiado, esos pueden haber bombeado mil veces más hidrógeno a la atmósfera de lo que hicieron los volcanes y las aberturas hidrotermales, que eran las otras fuentes principales,” dijo Hoehler en esa ocasión.

Des Marais sostiene que se habría escapado mucho hidrógeno al espacio sin reaccionar con el oxígeno porque los tapetes continuaban produciendo hidrógeno durante la noche que es cuando se suspende la producción de oxígeno por la fotosíntesis. Catling y Kasting no están de acuerdo, diciendo que cualquier cantidad de hidrógeno habría reaccionado con el oxígeno en la atmósfera y que mucho del restante habría sido consumido por las arquea que producían metano.

¿Qué es lo siguiente?

Se están haciendo progresos por parte de los científicos en la comprensión del Gran Evento de la Oxidación, pero aún quedan grandes misterios por ser desenredados en la saga del oxígeno en la Tierra.

'Aunque creemos conocer cuando apareció y aumentó el oxígeno por vez primera, conocemos muy poco acerca de su aumento al nivel actual, especialmente acerca de la relación entre el oxígeno atmosférico y el desarrollo de los animales,” dice Catling.

Algunos creen que después de incremento inicial del oxígeno atmosférico hace más de 2 mil millones de años, el oxígeno sólo era un 2 a 4 por ciento de la atmósfera. Hoy en día forma más de 20 por ciento.

Existe evidencia de que los niveles de oxígeno aumentaron hace 1.3 mil millones de años y nuevamente antes de la Explosión Cámbrica, una rápida proliferación animal que comenzó hace unos 540 millones de años. Algunos investigadores creen que los niveles de acumulación de oxígeno atmosférico ayudaron a que se disparase la Explosión Cámbrica.

Catling dice que la razón para esos aumentos en el oxígeno atmosférico “es más un misterio que el primero.”

'Hubo grandes eras glaciales [Eventos de efecto bola de nieve] justo antes de la Explosión Cámbrica, pero igualmente asociados con el Evento de la Gran Oxidación,” dice Holland. “Es importante tener una mayor comprensión acerca de esos eventos y de la historia de la vida.”

Kasting, Catling, Des Marais, Hoehler y Holland son miembros del Instituto de Astrobiología de la NASA así que esos temas tienen una especial relevancia para ellos.

'Deseamos entender que es lo que controla el incremento del oxígeno en la Tierra y quizá en otros planetas,” dice Kasting. “El oxígeno es nuestra mejor biomarca para la búsqueda de vida en planetas extrasolares.”