Historia Geológica. Variación del nivel de oxígeno terrestre.
Teorías recientes sobre el aumento del oxígeno.
Importancia del oxígeno en el desarrollo biológico.
Trabajos
recientes para
la medición del oxígeno en atmósferas
precámbricas.
Producción de
oxígeno.
La mayor parte del oxígeno presente en la atmósfera,
tanto actualmente como
hace millones de años, proviene de la fotosíntesis.
Actualmente
casi todo el oxígeno
producido lo es por las cianobacterias (algas verdi-azules),
algas eucariontes y plantas en este orden. Diariamente estos organismos
combinan
400 millones de toneladas de carbono con 70 millones de
hidrógeno para liberar
unos 1100 millones de toneladas de oxígeno.
La ecuación básica para la fotosíntesis dice que el hidrógeno y oxígeno que componen el agua pueden ser separados mediante la energía de fotones de forma que el hidrógeno se une a carbonos y oxígenos para producir moléculas orgánicas y al mismo tiempo se libera oxígeno que entra en la atmósfera en forma de gas.
CO2 + H2O --------> carbohidratos + O2
Otra fuente de oxígeno muy importante es el llamado
entierro del carbono
orgánico en los sedimentos (carbon burial). Mediante este
proceso se
generan aproximadamente 1x1013 moles por año de
oxígeno, lo cual
representa un 0.1 por ciento del volumen de oxígeno producido
por la
fotosíntesis.
Consumo de
oxígeno.
Aunque la fotosíntesis sea la fuente principal de 02 para la
atmósfera, el
99.9 por ciento de esta producción es reciclada por la
respiración y descomposición, convirtiendo compuestos
orgánicos de nuevo en
CO2 y H2O mediante O2. Realmente la fuente neta de 02 para la
atmósfera es el
entierro de carbono en sedimentos. De hecho, si la producción de
oxígeno por
este método parara bruscamente el cosumo actual de este gas
haría que en unos
cuatro millones de años la atmósfera se quedara sin
él.
Algunas de las causas del consumo del oxígeno de la atmósfera son la oxidación de rocas con minerales reductores y la presencia de gases volcánicos reductores, principalmente hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de azufre. También contribuyen el Fe y el S que son predominantes en corrientes hidrotermales. La contribución volcánica a la perdida de O2 es de unos 1x1012 moles por año, que viene a ser el 25 por ciento de la producción de O2 mediante el entierro del carbono orgánico. El 75 por ciento restante es consumido por la oxidación de rocas superficiales (predominantemente carbono orgánico, azufre y hierro).
Niveles de oxígeno.
Como podemos observar en la gráfica, la concentración de
oxígeno en la atmósfera terrestre ha variado
considerablemente desde la
formación del planeta. Hasta hace aproximadamente 2.300 millones
de años la
cantidad de oxígeno en la atmósfera era mínima,
pero a
partir de ese momento comenzó a subir gradualmente hasta llegar
al actual 20 %.
A pesar de que las primeras células fotosintéticas aparecieron tempranamente, hace unos 3500 Ma, la concentración de oxígeno en la atmósfera no comenzó a aumentar hasta más de mil millones de años más tarde. Este retraso fue debido a la presencia de hierro disuelto en los océanos, el cual se combinaba con el oxígeno provocando unos enormes depósitos de óxido de hierro (FHB, formación de hierro en bandas).
La mayor parte de los científicos aceptan que hace unos 2.300 Ma. se produjo un aumento notable del oxígeno atmosférico en la Tierra, sin embargo hay poco acuerdo sobre la composición de la atmósfera antes de esa fecha. Evidencias encontradas en depósitos de uranio y la ausencia de capas sedimentarias rojas (a causa de la oxidación del hierro) indican que la presión parcial del oxígeno era menos de mil veces la actual, aunque consideraciones teóricas apuntan a concentraciones todavía más bajas. Como hemos visto antes, la oxidación de las rocas superficiales supone un buen sumiero para el oxígeno atmosférico, sin embargo no se encuentran rocas oxidadas en épocas anteriores a los 2.300 Ma por lo que parece ser que no habría cantidades suficientes de oxígeno como para dejar rastro de esta oxidación. El 02 consumido en ese tiempo debió ser reducido por los gases volcánicos reductores y corrientes hidrotermales.
Un estudio sobre cómo pudieron contribuir los gases volcánicos a los nives de O2 en el Arcaico se puede leer en: GEOCHEMISTRY, GEOPHYSICS, GEOSYSTEMS, VOL. 2, 2001 [Paper number 2000GC000114] Rise of atmospheric oxygen and the "upside-down" Archean mantle; Lee R. Kump and James F. Kasting (ir al artículo)
FHB, oxidación de la Tierra.
Las formaciones de hierro en bandas son la principal fuente de
menas de hierro en la corteza terrestre. Aparece en depósitos
con bandas de
unos pocos milímetros o centímetros de espesor,
alternando capas ricas en
hierro con otras pobres que van indicando sucesivos periodos de
deposición. Su
color rojo de debe a que el hierro se encuentra oxidado en forma de
(Fe2 O3) o
(Fe3 O4).
El hierro entra en la biosfera a través de fisuras o grietas en los fondos marinos, particularmente en los sistemas de crestas submarinas profundas. Disuelto en forma de ferrosa sube hasta aguas más someras, a menudo con frecuencia estacional, lo que explica la formación en bandas. En las aguas someras se recombina con el oxígeno y se sedimenta en forma de diminutas partículas de óxido férrico. Se estima que las FHB contienen la ingente cantidad de 2 x E19 kilogramos de oxígeno (unas 20 veces la cantidad de oxígeno presente en la atmósfera actualmente). De todas las fuentes posibles de oxígeno, incluidas las no biológicas, la fotosíntesis es la única capaz de crear tal cantidad de este gas.
Las FHB datan desde hace más de 3.500 Ma. hasta hace unos 2.000 Ma., momento en el cual se agotó el hierro disuelto en los océanos y permitió que el oxígeno fuera almacenado en la atmósfera.
Teorías recientes sobre el aumento del
oxígeno.
David C. Catling y Tori Hoehler (del Ames Research Center de la
NASA) trabajan sobre una nueva teoría en la que se explica
cómo las
bacterias productoras de metano de los tapetes microbianos pueden haber
contribuido a la oxidación de la Tierra.
Las bacterias metanogénicas son capaces de sintetizar metano a partir de hidrógeno y dióxido de carbono. Gracias a la fotosíntesis (en su mayor parte de las cianobacterias de los tapetes microbianos) el agua es separada en oxígeno e hidrógeno y la metanogénesis de ciertas bacterias transfiere ese hidrógeno a forma de metano. El proceso es el siguiente:
CO2 + 2H2O --- CH4 + 2O2
El metano escapa a la atmósfera donde en las capas altas sufre una fotolisis en la cual hay hidrógeno que es liberado al espacio exterior, resultando así una oxidación irreversible de la corteza terrestre. Los cálculos estiman que se producirían de 1012 a 1013 moles de O2 por año.
CH4 + 2O2 ------ CO2 + O2 + 4H (escapa al espacio)
En los experimentos de Hoehler llevados a cabo con comunidades microbianas actuales de Baja, México, han encontrado que los tapetes liberan grandes cantidades de hidrógeno durante la noche. Si los tapetes primitivos se comportaban como lo hacen los actuales habrían liberado a la atmósfera miles de veces más hidrógeno que los volcanes o corrientes hidrotermales, las otras fuentes de mayor importancia. Parte de ese hidrógeno habría sido liberado directamente a la atmósfera y el resto sería usado por las bacterias metanogénicas para producir metano.
Estudios de James F. Kasting (Penn State University) concluyen que la concentración de metano en la atmósfera primitiva debió ser de 1000 veces la actual. Con esta concentración actuaría como el principal gas de efecto invernadero, más que el dióxido de carbono o amoniaco. También la alta concentración de metano facilita que el hidrógeno de la atmósfera escape al espacio de forma irreversible.
Importancia del oxígeno en el
desarrollo biológico.
El oxígeno es un elemento extremadamente reactivo que puede
interactuar con la
mayor parte de los constituyentes del citoplasma celular. Para muchos
organismos
es tóxico y su aumento en la atmósfera terrestre hace
2.300 Ma. supuso la
extinción de numerosas formas de vida anaerobias. Sin embargo
esta reactividad
también supone una poderosa fuente de energía, que
otros organismos, los
aerobios, supieron aprovechar en su beneficio durante el curso de la
evolución.
Usando el oxígeno los organismos son capaces de oxidar completamente las moléculas que ingieren. Por ejemplo, en ausencia de oxígeno la glucosa sólo puede ser descompuesta en ácido láctico (glucólisis) mediante el cual se obtiene aproximadamente el 2 % de la energía acumulada en la molécula de glucosa; pero con presencia de oxígeno puede ser completamente degradada en dióxido de carbono y agua, obteniendo más energía de cada molécula de glucosa, concretamente el 25 %.
La variación del nivel de oxígeno en la atmósfera es de vital importancia para conocer cómo evolucionó la vida en la Tierra. La presencia de oxígeno y la aparición de una capa de ozono permitió el desarrollo de vida terrestre gracias al apantallamiento que el ozono hace sobre la radiación ultravioleta. Sin embargo conocer exactamente la evolución de este nivel es una tarea muy complicada ya que no se ha encontrado hasta ahora un buen registro fósil del que se puedan obtener datos cuantitativos. Sabemos de las formaciones de hierro en bandas que hace 2.200 Ma. había cantidades significativas de oxígeno en el aire y que este oxígeno fue presumiblemente generado por bacterias fotosintéticas y por la separación de moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno, pero en realidad hay muy pocos métodos que nos permitan aclarar cuantitativamente cuánto oxígeno y de qué origen había. Actualmente los niveles de este elemento en el periodo entre 3900 y 2200 Ma. son prácticamente desconocidos.
Trabajos recientes
para la medición del oxígeno en atmósferas
precámbricas.
Existen algunos trabajos de los últimos
años en los
que se estudia el nivel de oxígeno en la atmósfera
terrestre basándose en la
composición isotópica en minerales sedimentarios
sulfatados. (Ver Nature
del 13 julio-2000). La diferencia de composición
isotópica en estos minerales
ayuda a los investigadores a obtener pistas sobre la cantidad de
oxígeno
presente durante el momento de formación de la roca. Con este
nuevo método
obtenido por la Universidad de San Diego (UCSD) será posible
estudiar la
presencia de oxígeno en atmósfera en rocas tan antiguas
como se encuentren.
Hasta ahora el único método disponible para el
análisis de gases
atmosféricos antiguos era gracias al gas encerrado en el hielo,
pero de esta
forma sólo se llega a unos 300.000 años, el nuevo
método permitirá llegar a
más de 3.000 Ma.
Referencias y artículos relacionados:
The
role of microbial mats in the production of reduced gases on the early
Earth,
Tori M. Hoehler, Brad M. Bebout, David J. Des Marais; Nature 412, 324 -
327 (19
July 2001) [Subscription required for access]
Biogenic
Methane, Hydrogen Escape, and the Irreversible Oxidation of Early Earth,
David C. Catling, Kevin J. Zahnle, and Christopher McKay; Science Aug 3
2001:
839-843. [subscription required for access]
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