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19 de Mayo de 2019
Paleontología

Rápidos cambios en el oxígeno fomentaron un aumento explosivo de la antigua diversidad animal

La explosiva diversidad animal de hace 500 millones de años estuvo ligada a puntas y a bajones del oxígeno marino, según un detallado estudio geológico.

Estos fósiles, del recién descubierto yacimiento de fósiles de Qingjiang, en China (un archivo riquísimo del período Cámbrico, de hace más de 500 millones de años) lo son de una medusa, de un ctenóforo y de un «dragón del barro» (un quinorrinco). Muestras de otro yacimiento, este siberiano, dan ahora a entender que la rápida proliferación de formas animales durante el Cámbrico guardó relación con unos niveles de oxígeno fluctuantes [Dongjing Fu et al.].

La vida multicelular permaneció estancada en su simplicidad durante más de mil millones de años tras su surgimiento; las esponjas representaban el no va más de la complejidad. Pero hará unos 541 millones de años, el ritmo de la transformación de la vida se aceleró bruscamente. Este período, al que se suele llamar la «explosión cámbrica», abarca la aparición de casi todos los grupos principales de los animales que viven hoy.

En unas decenas de millones de años, un abrir y cerrar de ojos geológico, el mundo vivo se expandió hasta ofrecer un vislumbre de su actual plenitud. Aunque hay trabajos recientes según los cuales hubo expansiones súbitas e importantes de la biodiversidad animal antes y después de la del Cámbrico, no cabe duda de que esta fue un episodio extraordinario y desconcertante de la historia evolutiva.

¿Por qué la vida animal adquirió una mayor complejidad tan deprisa? Esta sigue siendo una pregunta candente para los paleontólogos y los teóricos de la evolución. ¿Se trató solo de que evolucionase la combinación adecuada de genes? ¿O existían factores medioambientales que limitaban las formas posibles de vida y hubo que esperar hasta que se dispusiese del oxígeno suficiente o de otras sustancias esenciales que pudieran mantener una mayor complejidad?

Un artículo publicado este mes de mayo en Nature Geosciences apoya de manera detallada la idea de que el oxígeno y la diversidad animal están ligadas positivamente, pero con un matiz importante.

No es que los niveles de oxígeno fueran aumentando gradualmente, sino que los mares del Cámbrico experimentaron rápidos cambios, entre períodos en los que el oxígeno aumentaba fuertemente y períodos en los que decaía, según sostiene el artículo.

«Es una contribución importante», dice Rachel Wood, paleontóloga de la Universidad de Edimburgo, que no participó en el estudio. «Casi es como si hubiese una fábrica de artículos a granel que intentan demostrar el aumento de los niveles de oxígeno durante ese intervalo temporal, pero integrar esos datos en los datos paleontológicos de alta resolución resulta muy difícil», afirma. «Estos investigadores han hecho todo lo que han podido para lograrlo y el resultado es verdaderamente interesante».

La idea de que el oxígeno es un requisito de la evolución de una vida más compleja y dinámica circula desde hace muchos años. La respiración aeróbica, basada en el oxígeno, proporciona energía metabólica con una eficiencia unas 18 veces mayor que la anaeróbica. Cuerpos más complicados y formas de vida basadas en la caza (y en escapar de los cazadores) requieren ese plus metabólico. Se piensa, pues, que la vida compleja no podría aparecer sin el combustible adecuado.

Por intuitiva que sea esta hipótesis, establecer pruebas concretas a su favor ha resultado espinoso ya que no se puede medir directamente la concentración de oxígeno de los océanos del Cámbrico: el gas disuelto no se fosiliza. Los investigadores, en vez de ello, han intentado sondear el pasado fijándose en sustitutos sedimentarios: los compuestos de hierro, carbono o azufre de los estratos geológicos, con propiedades que se puedan medir e introducir en modelos para inferir los antiguos niveles de oxígeno.

<em>Wiwaxia corrugata</em>, una antigua especie de animal cuyo blando cuerpo estaba cubierto de escamas y espinas, se conserva en las Lutitas de Burgess, una formación geológica del Cámbrico [Martin R. Smith].El océano primitivo no tenía oxígeno, explica Tianchen He, paleontólogo de la Universidad de Leeds y autor principal del estudio. Los microbios fotosintéticos marinos introdujeron el oxígeno en la Tierra primigenia, «pero la fotosíntesis no era el principal regulador del oxígeno en aquella época», dice. Procesos cíclicos naturales que se producían en el océano, como los del carbono y el azufre, determinaban cuánto oxígeno llegaba a la superficie. Por ejemplo, el carbono se intercambia continuamente entre la atmósfera (en la forma de dióxido de carbono) y los mares (en la de ácido carbónico o la de carbonato) por medio del ciclo del carbono, que afecta a los niveles de oxígeno.

Los investigadores habían medido los cambios en la composición del carbono orgánico y del azufre en el registro geológico para modelizar la antigua química oceánica y los niveles de oxígeno, pero nunca en una zona que permitiese una comparación de alta resolución con el registro fósil, según Wood. Nunca, es decir, hasta el nuevo estudio de He y sus colaboradores.

Un lugar en Rusia, la llamada Plataforma Siberiana, entre los ríos Yenisei y Lena, presentaba una buena oportunidad para ellos, ya que contiene un registro extenso y continuo del carbono y del azufre junto a uno de los depósitos de fósiles más ricos del Cámbrico. Ese antiguo lecho de un mar somero «representa más de la mitad de la biodiversidad cámbrica global», cuenta. «Es un lugar único, pero muy remoto». Un equipo de investigadores rusos y chinos recogió las muestras en 2008. Llegaron allá con embarcaciones y helicópteros.

Corte geológico a corte geológico, compararon los niveles de oxígeno que arrojaban los modelos con la diversidad de los fósiles, y así se les reveló una historia volátil. En el lapso de unos diez millones de años, entre hace 524 y 514 millones de años, el poco profundo mar siberiano experimentó cinco claras puntas de la abundancia de oxígeno.
«Aquellas fluctuaciones fueron bastante extremas», dice He, y explica que cada punta y cada bajón supusieron un aumento o una disminución del nivel de oxígeno de alrededor del 50 por ciento. «Estudios previos indican que el nivel de oxígeno fue durante el Cámbrico alrededor de un 40 por ciento del que actualmente tiene la atmósfera», dice. «Bandazos de un 50 por ciento vienen a ser enormes».

Cada uno de esos pulsos de oxígeno se correspondía con un punto elevado local de la biodiversidad, mientras que los bajones coincidían con tasas de extinción superiores. Por ejemplo, un pulso de entre hace 521 y 522 millones de años está asociado a la aparición de numerosos animales con concha, entre ellos los trilobites y los artrópodos bivalvos. Un par de millones de años más tarde, el pulso siguiente coincidió con un aumento de los grandes artrópodos predadores y con pruebas de una mayor presencia del comportamiento predador.

«La explosión cámbrica no fue un solo suceso. Ocurrió en brotes, con subidas y caídas», afirma. «En nuestro estudio, el aumento y el descenso del nivel de oxígeno se correlaciona con esos brotes de radiación [evolutiva]».

Para Wood, «los datos muestran con bastante claridad una correlación positiva», y añade que «la pregunta más interesante es ¿por qué?» Una explicación es que esos pulsos de oxigenación expandían rápidamente la porción habitable de los mares someros. Más espacio físico da a la vida más desahogo, literal y figurativamente, para diversificarse. Según He, cada pulso de oxígeno permitió una expansión de las formas y maneras de vivir. Esto, a su vez, creó más oportunidades para las interacciones ecológicas, como las «carreras de armamento coevolutivas» entre conjuntos de predadores y presas, lo que pudo acelerar aún más la diversificación.

Igualmente importantes fueron los bajones del oxígeno, según Wood. «A menudo, justo tras las pasos de una extinción viene una radiación», dice. Esas rápidas fluctuaciones del oxígeno, que podían causar una expansión y una contracción del espacio habitable, pudieron haber actuado como fuelles que alimentaban el fuego de la diversidad incrementada. «La mera naturaleza dinámica de esas grandes fluctuaciones podría ser la causa de esa evolución. Si solo hubiese habido un pulso de oxigenación, se habría tenido solo una radiación», explica. «Esos múltiples pulsos fueron quizá lo que agitó las cosas».

No está clara la causa de esos vaivenes. He cree que pudo deberse a un mecanismo autorregulador inherente a los antiguos océanos, algo que surgía del ciclo químico natural. Una idea más controvertida invierte la cadena causal: esa diversidad animal mayor habría hecho que hubiese más animales moviéndose a través de la columna de agua, lo que a su vez habría hecho que se mezclasen más las aguas marinas, lo que habría aumentando los niveles de oxígeno.

He recalca que el aumento del oxígeno no es la única causa del aumento de la diversidad. Una vez la evolución creó la complejidad, esta pudo promoverse a sí misma, impulsada por las interacciones ecológicas. Pero arguye que para que esto fuese posible se necesitaba un nivel mayor de oxígeno.

Este estudio representa solo un corte de la historia geológica. He espera repetir el mismo análisis de alta resolución en otras partes del mundo para corroborar las pautas vistas en Siberia. (Como He y sus colaboradores mencionan en su artículo, algunas investigaciones anteriores efectuadas en China ofrecieron resultados parecidos). Además, Wood espera que futuras investigaciones podrán expandir estos estudios hasta un período anterior, el Ediacárico, de antes de hace unos 542 millones de años, y hasta partes posteriores del período Cámbrico, para ver si esas pautas solo se dan en la época ya estudiada o si son más universales.

«Es apasionante de verdad ver más grandes colaboraciones internacionales como esta», dice Wood. «Se trata de cuestiones complicadas, multidisciplinares, y resolverlas exige la intervención de equipos diversos»

Jonathan Lambert / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «Possible links between extreme oxygen perturbations and the Cambrian radiation of animals», de Tianchen He et al. en Nature Geoscience (2019).

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