¿Cómo se oxigenó nuestro planeta?

Los cambios en la rotación de la Tierra podrían haber influido en la acumulación de oxígeno en la atmósfera.

Cianobacterias en el lago Yellowstone, en Wyoming. Las especies primitivas de estos microorganismos ayudaron a llenar de oxígeno la atmósfera terrestre a través de la fotosíntesis. [JENNIFER IDOL/STOCKTREK IMAGES/GETTY IMAGES]

Cuando Judith Klatt comenzó a estudiar los coloridos tapices de microorganismos primitivos presentes en un sumidero del fondo del lago Hurón, entre EE.UU. y Canadá, pensó que podría aprender algo sobre los primeros ecosistemas de la Tierra. En cambio, Klatt, biogeoquímica del Instituto Max Planck de Microbiología Marina de Bremen, acabó enfrentándose a uno de los mayores misterios de la geología: ¿cómo se convirtió la Tierra en el único planeta conocido con una atmósfera rica en oxígeno?

Los indicios geológicos sugieren que los microbios podrían haber empezado a liberar oxígeno a través de la fotosíntesis hace 3000 millones de años o incluso antes. Pero, por algún motivo, ese oxígeno tardó unos 500 millones de años en acumularse en la atmósfera, y otros 1000 millones de años más en alcanzar las concentraciones actuales y crear el marco idóneo para la vida compleja. Esos retrasos siempre han desconcertado a los científicos. Algunos creen que se produjeron reacciones químicas que consumieron gran parte del gas, o que la falta de nutrientes esenciales limitó su producción.

Ahora, inspirados por el estudio del sumidero, Klatt y sus colaboradores han hallado otra posible explicación: puede que los primeros días de la Tierra simplemente fueran demasiado cortos. La propuesta se publica en Nature Geoscience.

Al poco de formarse el sistema solar, un objeto del tamaño de Marte chocó contra la Tierra y generó una nube de escombros que dieron lugar a la Luna. Desde entonces, el arrastre de nuestro satélite natural ha ido frenando la rotación del planeta, con lo que los días han pasado de durar unas 6 horas en la Tierra joven a las 24 horas actuales. Los científicos conocen esa ralentización desde hace décadas y continúan puliendo los detalles. Pero pocos la habían relacionado con los niveles de oxígeno, hasta que el oceanógrafo de la Universidad de Míchigan Brian Arbic escuchó una charla sobre el trabajo de Klatt en el sumidero del lago Hurón. Arbic, coautor del nuevo estudio, se preguntó si el cambio en la duración de los días podría haber influido en la fotosíntesis a lo largo del tiempo geológico.

El sumidero recibe aguas subterráneas pobres en oxígeno y ricas en azufre, por lo que recrea las condiciones de la Tierra primitiva y alberga comunidades de bacterias que recubren el fondo del lago con tapices morados y blancos. Klatt y su equipo observaron cómo, durante la noche, las cianobacterias fotosintéticas se escondían bajo otras competidoras consumidoras de azufre, mientras que al amanecer ambos microorganismos volvían a intercambiar sus posiciones. Los investigadores hallaron que el tiempo que tardaban en completar esa permuta creaba un desfase entre la salida del sol y el momento en que la fotosíntesis cobra impulso, y que eso limitaba la cantidad de oxígeno que producían los tapices en los días cortos. De hecho, Klatt demostró en el laboratorio que los tapices no generaban nada de oxígeno en «días» artificiales de 12 horas, y que la producción aumentaba con la duración del día a partir de las 16 horas.

Al principio, Klatt dudó de que los resultados del sumidero pudieran ayudar a explicar el misterio del oxígeno. «Se trata de un tipo de comunidad muy especial que quizás no existiera en la Tierra primitiva», señala. Y sin esa competencia, los cambios en la duración de los días serían intrascendentes, porque los microorganismos recibirían la misma cantidad total de luz solar, solo que a intervalos distintos. Pero luego, y tras pensarlo durante lo que considera un tiempo «vergonzosamente largo», Klatt se percató de que había una conexión aún más básica que afectaría a cualquier tapiz bacteriano, incluidos los de la Tierra primitiva: aunque la producción de oxígeno se mantuviera constante, los días más largos permitirían que pasara más gas al agua y, en última instancia, a la atmósfera.

Emisión de gas en un tapiz bacteriano presente en un sumidero del lago Hurón. Las cianobacterias del tapiz se disputan el espacio con otros microbios que consumen azufre. [PHIL HARTMEYER Y SANTUARIO MARINO NACIONAL DE THUNDER BAY DE LA NOAA]


La razón se debe a que el volumen de oxígeno que libera un tapiz está limitado por la rapidez con que las moléculas del gas pueden difundirse fuera de él, así como por la cantidad que consumen otros tipos de bacterias presentes. Los días más largos poseen un pico prolongado de luz solar, y eso permite que se acumule más oxígeno en el tapiz, con lo que aumenta la difusión. Y otro detalle crucial: si los días son más largos, el gas tiene más tiempo para escapar antes de que anochezca, cuando los microorganismos que precisan oxígeno acaban con el resto. Según los modelos de los autores, estos mecanismos podrían haber tenido una gran repercusión en los niveles de oxígeno atmosférico a lo largo de la historia de la Tierra.

«Es una idea simple pero elegante», valora Timothy Lyons, biogeoquímico de la Universidad de California en Riverside ajeno al estudio. Lyons subraya que aún persisten grandes incógnitas, como si las primeras bacterias fotosintéticas vivían en el fondo marino o flotaban libres en el agua, donde podrían haber liberado oxígeno con más facilidad y sin depender tanto de la difusión. El investigador sospecha que muchos procesos conspiraron para colmar la atmósfera de oxígeno, pero que la duración de los días sin duda podría haber contribuido.

Otros posibles mecanismos son los cambios en las emisiones de gases volcánicos que reaccionan con el oxígeno, como el hidrógeno y el metano, y la escasez de fósforo, un nutriente esencial para la fotosíntesis. A Benjamin Mills, que modeliza la evolución de la Tierra en la Universidad de Leeds y que no tomó parte en el estudio, le sorprende que los científicos hubieran pasado por alto el papel de la duración de los días. El reto ahora, afirma, es evaluar «la importancia relativa de ese proceso dentro del ciclo global del oxígeno».

Tanto Mills como Stephanie Olson, astrobióloga de la Universidad Purdue que tampoco participó en el trabajo, quedaron impresionados por lo bien que concuerdan los nuevos resultados con la historia de la oxigenación atmosférica. Eso incluye el famoso aumento en dos etapas y los «1000 millones de años aburridos» intermedios, cuando la concentración de oxígeno se estabilizó y la duración de los días también se estancó en 21 horas. «Es interesante que la acumulación de oxígeno y la ralentización de la rotación de la Tierra parezcan haber ido a la par», destaca Olson.

Olson es una de las pocas investigadoras que han propuesto una conexión entre la duración de los días y los niveles de oxígeno. En un artículo de 2020 centrado en los exoplanetas, planteó que los cambios en la rotación de la Tierra a lo largo del tiempo podrían haber afectado a la circulación de los océanos y, con ello, al transporte de los nutrientes que impulsan la fotosíntesis, como el fósforo. Olson y sus estudiantes están explorando esa idea con modelos informáticos. Este mecanismo podría haber actuado a la vez que el de Klatt, aclara Olson. «No me parecen ideas opuestas, sino muy complementarias.»

La posible conexión entre la rotación de la Tierra y el oxígeno atmosférico sigue asombrando a Arjun Chennu, ecólogo del Centro Leibniz de Investigación Marina Tropical de Bremen que dirigió el estudio junto a Klatt. Desde el movimiento de los planetas hasta el de las moléculas, concluye, «el abanico de escalas donde influyen estas interacciones es increíble».

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