Los albores de la vida (1): La tierra primordial

Para iniciar nuestra investigación de los orígenes de la vida terrestre, nos corresponde considerar en primer lugar el substrato: nuestro planeta. ¿Cómo era la tierra primordial cuando aparecieron los primeros organismos? ¿Era “caos y confusión y oscuridad”[1]? ¿Tenía aguas, o era un globo caliente y árido? ¿La reconoceríamos como nuestro hogar, si lográramos viajar en el tiempo hasta aquella época remota?

¿Qué sabemos de esta tierra primordial? Es escasa la información acerca de ella que ha sobrevivido hasta los tiempos actuales – pero suficiente para, por lo menos, darnos una idea de cómo fueron las fases iniciales de la evolución de nuestro planeta.

¿Cuál es la edad de la tierra?

Se ha determinado que la edad de nuestro sistema solar, o sea la del sol y la del disco protoplanetario del que más tarde se formaron los planetas, es de 4567 millones de años[2]. La tierra y los demás planetas tomaron unos millones de años en formarse, y se piensa que datan de hace aproximadamente 4540 millones de años[3]. Veamos cómo se llegó a estas edades.

Las edades de los planetas y cuerpos menores de nuestro sistema solar pueden ser determinadas mediante los métodos de datación radiométrica, que se aplican a muestras de rocas cuya edad se considera cercana a la del sistema solar. La datación radiométrica se basa en la desintegración de isótopos radioactivos, la cual ocurre a un ritmo que para cada isótopo es constante (un elemento puede tener múltiples isótopos, que tienen masas ligeramente distintas; algunos isótopos son estables, pero otros son radioactivos: se desintegran a lo largo del tiempo). El ritmo de desintegración se expresa en la cantidad de años que tarda la mitad de cierta cantidad inicial de un isótopo radioactivo en desintegrarse; esto se llama la semivida o el período de semidesintegración del isótopo. Por ejemplo, radón-222, un isótopo radioactivo del gas radón, se descompone rápidamente: tiene un período de 3,82 días, lo que quiere decir que en casi cuatro días una cantidad inicial de este isótopo se reduce a la mitad[4]. En el otro extremo se encuentra un isótopo como uranio-238, cuyo período es de 4468 millones de años[5], lo que le confiere utilidad para determinar la edad de la tierra. De hecho, la desintegración de uranio a varios isótopos de plomo ha sido clave en la determinación de la edad de las rocas más viejas[6].

Para determinar la edad de una roca se mide la cantidad del isótopo original (el isótopo padre) y la del isótopo creado durante su desintegración (el isótopo hijo). A partir de la relación entre los dos se puede calcular la edad de la roca, ya que se conoce el período de semidesintegración del isótopo padre. En el caso de la desintegración de uranio, es posible obtener la edad de la roca con una exactitud sorprendente, ya que ocurren en paralelo dos procesos de desintegración: de uranio-238 (238U), a través de varios productos intermedios, a plomo-206 (206Pb); y de 235U a 207Pb. Al cruzar los resultados de los dos métodos radiométricos se reduce considerablemente el margen de error, a menos de 1%[7].

Utilizando este método (y un método afín: la radiometría de plomo-plomo) se ha podido determinar la edad de las rocas de la tierra. Las rocas más antiguas encontradas hasta la fecha son los gneises de Acasta en Canadá, con una edad de 4020 años[8]. Rocas con una edad de más de 3500 años han sido encontradas también en Groenlandia, Estados Unidos y Australia. Una característica interesante de estas rocas antiguas es que no son de ningún tipo de “corteza primordial”, sino que son flujos de lava y sedimentos depositados en aguas poco profundas, una indicación de que la historia de la tierra comenzó mucho antes de que se formaran estas rocas[9].

Aunque las rocas primordiales no se hayan conservado, todavía podemos observar algunos vestigios de ellas. En particular, se encontraron cristales reciclados de zircón (o circón), uno de los minerales de los cuales se conforman las rocas. El zircón es muy estable: cuando se erosiona la roca en la cual se encuentra un cristal de zircón, este puede incorporarse prácticamente inalterado en rocas nuevas cuando estas se forman (ver figura). Así se encontraron, en rocas sedimentarias en Australia occidental, cristales de zircón con edades radiométricas de hasta 4300 millones de años, por lo que estos pequeños cristales son los materiales terrestres más antiguos encontrados hasta la fecha. Las rocas fuente de estos cristales de zircón aún no se han encontrado. Las edades medidas para las rocas más antiguas de la tierra y los cristales más antiguos muestran que la tierra tiene por lo menos 4400 millones de años, pero no revelan la edad exacta de la formación de nuestro planeta[10].

Blog 180614 - Zircones

Mucho más cerca de la fecha de nacimiento de la tierra no vamos a poder llegar, puesto que las primeras rocas en cristalizarse después de la formación de nuestro planeta muy probablemente ya no existen: habrán sido recicladas en el continuo proceso tectónico de formación y destrucción de la corteza terrestre. Pero afortunadamente podemos contar con rocas provenientes de otros cuerpos celestes, que no han sido destruidos por los procesos tectónicos que cambiaron por completo la faz de la tierra. En primer lugar, tenemos los meteoritos: rocas que cayeron en la tierra, provenientes de otros cuerpos del sistema solar. Por ejemplo, la datación del meteorito de Canyon Diablo (Arizona, Estados Unidos) arrojó una edad de 4550 millones de años[11], que se considera una buena indicación de la edad de la tierra, que ahora se estima en 4540 millones de años. En segundo lugar, hay rocas que nosotros mismos trajimos de otros cuerpos celestes. De estas, la roca datada más vieja es la que fue traída de la luna por los astronautas de la misión lunar Apolo 16: tiene una edad de 4460 millones de años[12].

Las edades de los meteoritos más primitivos son un poco mayores. La datación de inclusiones de calcio y aluminio en meteoritos, considerados reliquias de las primeras rocas del sistema solar, arrojan la edad arriba indicada de 4567 millones de años, que se considera una buena indicación de la edad del sistema solar[13].

La formación de la tierra y la luna

La tierra nació, así como los demás cuerpos del sistema solar, de un disco protoplanetario que rodeó el sol mientras que éste se estaba formando también. De los discos protoplanetarios y el origen de los planetas ya se habló en este blog, en la entrega del 7 enero 2017 (El preludio de la vida (2): Los sistemas planetarios).

Muchos detalles de cómo se formó la tierra quedan inciertos, pero en términos generales se puede afirmar que nuestro planeta se formó mediante un proceso de acreción de cuerpos menores (sólidos o, tal vez, parcialmente descongelados[14]), llamados planetesimales, que a su vez resultaron de la colisión de polvo y rocas del disco protoplanetario[15]. La luna se formó poco tiempo después, posiblemente a causa del impacto de otro cuerpo celeste (uno o múltiples planetesimales, o un planeta hipotético denominado Theia) con la tierra[16]. Es posible que se haya formado, aparte de la luna, cierta cantidad de minilunas, que pero volvieron a impactar pronto con la tierra y se desintegraron[17].

Alternativamente, la luna puede haberse formado durante una fase de vaporización de la tierra cuando aun estaba en vías de solidificación. La tierra, formándose al fusionarse los planetesimales, probablemente experimentó algunas fases de desintegración y reintegración, pasando por épocas de vaporización, lo que se ha denominado sinestia. Durante una de estas épocas puede haberse desprendido la luna de la tierra[18].

Al cabo de algunos millones de años, la tierra se quedó suficientemente solidificada para conservar su integridad, a pesar de los impactos que, aunque en menor medida, todavía estaban ocurriendo. Se ha sugerido, con base en la concentración de los elementos siderófilos (tales como el platino y el iridio) en la corteza, que es más alta de lo esperado, que continuaron los impactos de cuerpos grandes, relativamente ricos en estos elementos, durante los primeros millones de años de existencia de nuestro planeta; pero después de hace unos 4420 millones de años, la intensidad del bombardeo cósmico debe haberse reducido considerablemente[19].

Inicialmente, la luna se halló muy cerca de la tierra. Sólo gradualmente se ha ido alejando, hasta que alcanzara su distancia actual. Se ha calculado que, hace 4000 millones de años, la distancia entre la tierra y la luna fue de 200.000 km, o sea aproximadamente la mitad de la distancia actual (384.400 km).  El proceso de alejamiento no se ha detenido: la luna sigue alejándose de la tierra, a una tasa de 3,8 cm/año[20]. Este alejamiento es una compensación por la ralentización de la rotación de la tierra, debido a la fricción causada por las mareas, a su vez causadas por la fuerza gravitacional de la luna y también la del sol. Recién formada la luna, un día terrestre era mucho más corto que un día actual. Más tarde, hace 1400 millones de años, el día ya era más largo: duraba casi 19 horas, y la luna se encontraba a una distancia de 340.900 kilómetros[21].

La cercanía de la luna tuvo su impacto sobre ambos cuerpos: las fuerzas de las mareas eran más fuertes, debido a la mayor fuerza de atracción entre los dos. Como consecuencia de esto, así como de su rotación, tanto la tierra como la luna se deformaron un poco: en el plano ecuatorial sus diámetros son mayores que entre los polos. Especialmente la luna tiene un abultamiento ecuatorial marcado, cuya formación puede haber durado varios cientos de millones de años. La formación de este abultamiento se puede explicar mejor asumiendo muy poca fricción por mareas en la tierra, lo que sugiere que en aquellos tiempos no había océanos de agua líquida en nuestro planeta[22] – pero, tal como veremos abajo, sí parece que hubo agua en la superficie, aunque tal vez no tanta.

El Hádico

La energía liberada por los impactos que crearon la tierra, aunada al calor generado en el interior del planeta por procesos radioactivos y por la segregación gravitacional de elementos pesados, resultó en una temperatura elevada. Más que un globo de roca, nuestro planeta era inicialmente un mar de magma, o sea, de roca fundida, con una temperatura en superficie en exceso de 1000°C. Sólo lentamente se redujo la temperatura lo suficiente para que se cristalizaran rocas sólidas en la superficie de nuestro planeta (ver la figura en el encabezado de esta entrega). Esta primera fase de la historia de la tierra, antes de que se formaran rocas que hayan permanecido intactas hasta el día de hoy, se llama el eón Hádico (o Hadeano)[23]. Ver la línea de tiempo (figura abajo), en la que se representa la historia de nuestro planeta de forma gráfica. El Hádico duró desde hace 4567 millones de años (que, como vimos, es la edad del sistema solar) hasta unos 4000 años (ya que la edad de las rocas terrestres más viejas conocidas es de 4020 millones de años). Pero, ¿implica esto que no había rocas cristalizadas en la faz de la tierra durante el Hádico?

Ahora sabemos que ya empezaron a formarse rocas hace, por lo menos, unos 4400 millones de años. En la zona de Jack Hills (Australia) se encontraron los zircones mencionados anteriormente, cuya edad es de 4200-4400 millones de años[24]. Las rocas en las que se formaron desaparecieron, pero estos minerales resistentes sobrevivieron, encapsulados en rocas sedimentarias más recientes, hasta nuestros tiempos. Estos zircones nos cuentan que durante el Hádico sí se formaron rocas en nuestro planeta.

Pero hay más. La composición de estos zircones, en particular los isótopos de oxígeno, nos indica que, mientras que los zircones más viejos se formaron en magmas (flujos de lava) típicos del manto terrestre – lo que se espera en el caso de la tierra primordial –, los zircones que se formaron después de hace 4300 millones de años se cristalizaron en magmas en la superficie terrestre, en un ambiente con agua[25]. Esto tiene unas implicaciones importantes: primero, ya había agua en la superficie de la tierra en aquel tiempo. Segundo, para que pudiera haber agua, la temperatura debió haber bajado a valores templados. Y tercero, que la tierra ya contó con una atmósfera. Además, los oligoelementos hallados en los zircones de Jack Hills indican que estos se formaron en magmas típicos de la corteza terrestre[26], lo que implica que ya había algún tipo de corteza cubriendo el planeta: una capa de rocas cristalizadas, diferenciadas de las rocas más densas y profundas del manto.

En conclusión, parece que, a lo largo del Hádico, las condiciones en la superficie terrestre deben haber mejorado mucho: sólo al inicio de este eón la tierra se pareció al Hades de los antiguos griegos, o sea el infierno[27].

Blog 180614 - Línea de tiempo

Los continentes

Hoy día existen dos tipos de corteza terrestre: la continental y la oceánica[28]. La primera es la más ligera, siendo rica en minerales silíceos (tales como el cuarzo), y por eso “flota” en la corteza como los icebergs en el océano, formando las masas continentales. La segunda, que como indica su nombre forma la corteza por debajo de los océanos, es un poco más pesada, y se forma a partir de volcanismo subacuático. Los primeros continentes inequívocos, con granitos y cubiertos de sedimentos, datan de hace 3100 millones de años[29]. Pero es posible que durante el Hádico ya hubiera empezado a formarse corteza continental. Las evidencias todavía no son contundentes[30], pero hay indicios interesantes a favor de esto. Un estudio de los isótopos del elemento hafnio encontrados en cristales de zircón hádicos, por ejemplo, arrojó valores típicos de la corteza continental actual[31].

Además, recientemente se ha realizado un estudio de la relación entre los átomos de rubidio y estroncio en zircones, encontrados en Canadá, de hace más de 4200 millones de años. El rubidio ocurre principalmente en minerales ricos en potasio y, por ende, en sílice; el estroncio al revés: ocurre más en minerales ricos en calcio, que suelen tener poca sílice. Por tanto, la relación rubidio/estroncio proporciona información acerca de la cantidad de sílice presente en la roca. En los zircones estudiados, esta relación alcanzó valores altos, lo que indica que los zircones se formaron en rocas ricas en sílice. Tales rocas son del tipo continental, o sea, no son rocas volcánicas sino las que forman los núcleos de los continentes, que suelen tener otros orígenes. Al parecer, entonces, ya hubo masas continentales a mediados del Hádico, con rocas que por su composición mineralógica son más amigables al desarrollo de la vida que las rocas volcánicas[32].

La presencia de rocas continentales tiene impacto sobre la forma de la superficie de la tierra: si no hubiera continentes, la tierra estaría cubierta por completo por un océano (una vez que hubiera disponibilidad de suficiente agua). Si los hubo, había grandes islas que sobresalían al nivel de las aguas.

Agua

Si la tierra, al inicio de su existencia, fue un mar de magma, ¿de dónde viene entonces el agua que hoy día cubre tres cuartos de la faz del planeta? Una posibilidad es que el agua es tan vieja como la tierra: que haya llegado, principalmente en la forma de hielo, con los planetesimales que formaron la tierra. Por las temperaturas elevadas de la misma, la mayor parte de esta agua se habría evaporado, pero puede haber quedado suficiente para dar origen a los océanos y demás cuerpos de agua que caracterizan nuestro planeta, siendo expulsada paulatinamente del interior de la tierra como vapor asociado a las erupciones volcánicas[33].

Alternativamente, el agua nos llegó del espacio, después de que se formara la tierra. Las cometas consisten en gran parte de hielo, pero la relación isotópica del hidrógeno en el hielo de por lo menos parte de los cometas no coincide con la del agua terrestre[34]. Los meteoritos (asteroides caídos en la tierra) también pueden haber traído agua[35]. Una clase de meteoritos, denominados angritas, contiene agua, aunque en baja proporción, con la misma composición isotópica del agua terrestre y que por tanto puede haber contribuido a su acumulación en nuestro planeta[36]. En efecto, se ha determinado que las condritas carbonáceas, un tipo común de meteoritos, pueden contener hasta 12% de agua[37].

Sin embargo, si comparamos la luna y la tierra, las proporciones de los isótopos de oxígeno son tan parecidas que la cantidad de agua aportada a la tierra por cometas y asteroides no puede haber sido más de alrededor de 30% de la cantidad de agua actualmente presente en nuestro planeta – o sea, la mayor parte del agua provendría del interior de la tierra[38].

Sea como sea, al parecer la tierra estuvo cubierta, por lo menos parcialmente, por mares u océanos desde hace 4300 millones de años. Pero, ¿implica esto que ya estaba tranquilo nuestro planeta? No, hacia el final del Hádico la tierra fue convulsionada por un evento que casi dejó destruida su superficie: un bombardeo cósmico.

Bombardeo cósmico

Conocido como el Bombardeo Intenso Tardío, un período de intensa caída de meteoritos convulsionó la tierra hace alrededor de 4000-3900 millones de años (ha sido difícil obtener fechas más exactas[39]). Muestras de rocas y minerales de esta época, de la luna y de algunos meteoritos, y en menor medida de la tierra, muestran evidencias de impactos. Rocas anteriores a este período son prácticamente inexistentes, lo que sugiere que se destruyó buena parte de la corteza terrestre preexistente, presumiblemente debido a un bombardeo intenso de meteoritos[40]. Tal vez por un cambio en la órbita del planeta Júpiter[41] (ver la entrega del 7 enero 2017, El preludio de la vida (2): Los sistemas planetarios), y/o por cambios en las órbitas de Saturno, Urano y Neptuno[42], una nube de asteroides fue arrojada hacia las órbitas de los planetas internos del sistema solar y nuestra luna. Muchos de los grandes cráteres y “mares” (planicies) de la luna se formaron en esta época, denominada el cataclismo lunar[43].

Así como el bombardeo dejó cicatrices abundantes en la luna, así también lo hizo en la tierra (aunque con el pasar de los tiempos desaparecieron). Se calcula que el calor producido por los impactos fue tal que puede haber hecho evaporar el agua de los océanos, y en las zonas más afectadas parte de las rocas en la superficie terrestre se fundieron, convirtiéndose en magma. Algunos investigadores consideraron que toda la superficie terrestre pudiera haberse fundido (posiblemente ayudado por actividad volcánica desencadenada por los impactos[44]), pero hay quien considera que fue sólo parte de la misma, dejando el resto afectado, pero sólido[45]. Si ya existió alguna forma de vida en la tierra, ésta puede haber sobrevivido ya que el bombardeo probablemente no resultó en una esterilización del planeta entero[46].

El bombardeo, por un lado, fue un proceso destructivo. Pero por otro, resultó en una tierra más habitable. En primer lugar, los meteoritos, al desintegrarse en la atmósfera terrestre, soltaron una variedad de compuestos, entre los que destacan el vapor de agua y dióxido de carbono. Se ha determinado que las condritas carbonáceas, un tipo de meteoritos al que ya hicimos referencia, pueden haber convertido hasta 12% de su masa en vapor de agua, y hasta 6% en dióxido de carbono; de manera que pueden haber contribuido de manera significativa al agua terrestre, y ayudado a mantener caliente la superficie del planeta aumentando la concentración de CO2 en la atmósfera[47]. Aparte del CO2, los meteoritos aportaron también azufre, importante para el desarrollo de la vida[48].Inicialmente se pensó que el bombardeo tuvo un impacto importante sobre las concentraciones de sales (especialmente cloro) en la tierra[49], pero posteriormente se determinó que sí aportó sales, pero en cantidades limitadas[50].

En segundo lugar, el bombardeo cambió la configuración de la corteza terrestre. Los primeros microcontinentes se formaron cuando y donde procesos magmáticos resultaron en una separación de minerales más livianos de los más pesados. Los minerales más livianos se mantuvieron a flote con respecto a los más pesados, formando rocas graníticas que, como icebergs en el océano, formaron áreas topográficamente más altas: islas en el océano primordial. El bombardeo de meteoritos puede haber ayudado este proceso, resultando en un crecimiento y una multiplicación de estos microcontinentes[51].

Atmósfera

Cuando se formó la tierra, ésta tenía una superficie de roca fundida que se extendía hasta una profundidad de cientos de kilómetros. Este manto de roca fundida contenía gases, así como una botella de refresco contiene dióxido de carbono. Algunos científicos han sugerido que la tierra perdió todos sus gases iniciales, ya sea durante la fase fundida o como consecuencia de una colisión masiva que dio origen a la luna, y que los gases expulsados catastróficamente formaron nuestra atmósfera y los océanos primitivos. Otros sostienen que esta desgasificación temprana fue incompleta, y que parte de los gases primordiales permanecen secuestrados a gran profundidad hasta el día de hoy[52].

Sea como sea, la atmósfera de la tierra joven era muy distinta a la actual. Por empezar, no tenía oxígeno[53]. Lo que sí contenía, no se puede medir directamente: es preciso utilizar modelos o experimentos. Entre los experimentos, se puede mencionar uno en el que se determinó cuáles son los gases que pueden haber soltado los condritas, los meteoritos más comunes, contribuyendo así de forma importante a la formación de la tierra. Los principales gases producidos resultaron ser metano (CH4), hidrógeno (H2), agua (H2O), nitrógeno (N2) y amoníaco (NH3) [54]. Se supone que la atmósfera terrestre consistió principalmente en estos gases.

La ausencia de oxígeno (O2) en la atmósfera arcaica ha sido deducida de la ausencia de minerales contentivos de hierro oxidado antes de alrededor de hace 2200 millones de años; sólo se encuentra hierro reducido, durante todo el Arcaico y el inicio del eón posterior, el Proterozoico. Esto fue confirmado por los isótopos de azufre en rocas sedimentarias de edad Arcaica, cuyas proporciones son distintas a lo normal; este fenómeno sólo se da cuando la concentración de oxígeno en la atmósfera es extremadamente baja: menos de 0.001% de la concentración de oxígeno actual[55].

Sin embargo, procesos volcánicos empezaron a aportar dióxido de carbono (CO2) y – en menor medida – oxígeno a la atmósfera terrestre, ya durante el Hádico. Los magmas que llegaron a la superficie terrestre trajeron gases que soltaron al llegar a la superficie. Estos gases, según un estudio realizado utilizando zircones del Hádico, consistieron en CO2 y oxígeno, entre otros compuestos[56].

Los colores de la tierra

Obviamente, la paleta de los colores de la tierra era distinta en aquellos tiempos remotos.

Hoy día, el cielo de nuestro planeta tiene un color azul, lo que se debe a la dispersión de las ondas electromagnéticas de la frecuencia correspondiente al color azul por las moléculas de oxígeno, nitrógeno y ozono en la atmósfera terrestre[57]. Pero, ¿qué color habría tenido la atmósfera primordial de nuestro planeta, antes de que apareciera la vida? Todo apunta a una atmósfera ligeramente brumosa, de color anaranjado. Esta bruma puede haber consistido en, entre otros compuestos, moléculas orgánicas creadas a partir de CO2 y metano por la irradiación de rayos ultravioletas[58].

Los océanos no tenían el color azul que ahora conocemos (que es el resultado del reflejo del cielo en el agua, puesto que el agua en la realidad es incolora). Los océanos primordiales probablemente tenían un color verdoso, debido a la gran calidad de hierro disuelto en las aguas[59].

¿Y los continentes entonces? Estos no eran verdes, puesto que ese color es el de los organismos que contienen clorofila. En la tierra primordial no había vida, así que los colores de los continentes eran los de las rocas y los sedimentos. Rojos no eran, puesto que este es el color del hierro oxidado, y en la atmósfera primordial no había oxígeno. Habrán predominado los colores grisáceos de los basaltos (las rocas formadas a partir de lavas y magmas solidificados), y los tintes más blancos o rosáceos de los granitos. Si hubo tintes verdosos, se debían a la presencia de hierro reducido.

El Arcaico

La fase de la historia de la tierra sucesiva al Hádico, es el eón Arcaico, o Arqueano[60] (ver la línea de tiempo, al inicio de esta entrega). El Arcaico empezó hace 4000 años, con la aparición de las primeras rocas que sobrevivieron hasta la fecha de hoy, y terminó hace 2500 años, cuando aumentó considerablemente la masa de los continentes[61]. Además, a finales del Arcaico empezó a aumentar la proporción de oxígeno en la atmósfera. El Arcaico fue un intervalo intermedio entre los tiempos primordiales y el planeta maduro, que ya empezó a parecerse al que conocemos. Muchas cosas ocurrieron durante este intervalo, empezando por la aparición de la vida, de la que hablaremos en la próxima entrega. Pero fueron cambios muy paulatinos, ya que la duración del Arcaico fue casi inimaginablemente larga: 1500 millones de años, o sea una tercera parte de la edad de la tierra.

Desde el punto de vista de la interacción de la tierra con el resto del sistema solar, el Arcaico fue algo más tranquilo que el Hádico. Todavía hubo varios episodios de bombardeos por meteoritos, pero de menor intensidad que el Bombardeo Intenso Tardío de hace 4000-3900 millones de años. Así como éste, los bombardeos sucesivos pueden haber contribuido a la formación y ampliación de los continentes, de manera que a finales del Arcaico existieron ya los núcleos de los continentes actuales[62]. No sabemos cuántos continentes hubo durante el Arcaico, ni cuán grandes eran; sin embargo, la presencia de estroncio en sedimentos marinos de hace 3260 millones de años (mediados del Arcaico) con isótopos indicativos de erosión continental, sugiere que hubo importantes masas continentales en aquel entonces[63]. Los isótopos de oxígeno en arcillas sugieren lo mismo: al final del Arcaico, la relación de los isótopos de oxígeno cambia a valores típicos para arcillas continentales en un clima templado, lo que indica que en aquel entonces hubo masas continentales de tamaño considerable[64].

Los ciclos tectónicos

Una característica importante de la corteza terrestre es que consiste en placas que se mueven, empujadas por movimientos de convección en la manta subyacente. Tal como ya se mencionó, algunas placas están compuestas de corteza continental, otras de corteza oceánica. Las interacciones entre las placas pueden causar una variedad de deformaciones; esto se llama tectónica de placas[65]. Importante en este sentido son los choques. Si chocan dos placas, una de las dos suele levantarse por encima de la otra, dando origen a una cordillera montañosa (cuyos materiales se erosionan con el tiempo, y se transportan hacia los océanos), mientras que la otra se hunde (lo que se llama subducción), y bajando se calienta, se funde, y se deshace en el manto terrestre. En el caso opuesto, cuando dos placas contiguas se separan, se crea espacio para generación de nueva corteza a partir de material proveniente del manto. La tectónica de placas, por lo tanto, es un proceso que permite el reciclaje de los elementos químicos que componen la corteza: materiales de la corteza son devueltos al manto, y materiales del manto suben a la superficie, mediante procesos tectónicos y volcánicos.

Gracias a este reciclaje tectónico hay un enriquecimiento en la corteza y los océanos de muchos elementos químicos, algunos de los cuales son importantes para el desarrollo de la vida. Por tanto, es importante saber cuándo empezó a existir la tectónica de placas. Una indicación de que hace 3500 millones de años, en la fase inicial del Arcaico, este proceso ya ocurrió, es proporcionada por zircones de aquella época en depósitos arcillosos marinos, cuyos isótopos apuntan a un origen continental: al parecer ya ocurrió el levantamiento de montañas en los continentes, seguido por la erosión de estas montañas y el transporte de los materiales erosionados hacia las cuencas marinas. Esto implica que, probablemente, ya ocurrieron los procesos de tectónica de placas que dieron origen a las montañas[66].

Pero hay discusión entre los investigadores acerca de cuan desarrollado fue el proceso de tectónica de placas: ¿era algo generalizado, o más bien local? Una hipótesis dice que la tectónica de placas no ocurría a escala global, ni durante el Hádico, ni durante buena parte del Arcaico. Las placas se mantenían estáticas, fijas con respecto a sus vecinos. No había mucha actividad tectónica, sólo actividad volcánica. Ciertos indicios indican que esta hipótesis de estasis pudiera tener validez: por ejemplo, anomalías en la distribución de ciertos elementos tales como el neodimio, encontradas en rocas de hace 2700 millones de años, hacen pensar que los movimientos convectivos en el manto (los que causan la tectónica de placas) no eran muy desarrollados todavía, y que fue sólo hacia finales del Arcaico que se volvieron regulares[67]. Así que da la impresión que la tectónica de placas, durante el Arcaico, sí ocurría, pero no a escala global.

Blog 180614 - Ciclo del carbono

Los ciclos de los elementos

Los elementos químicos que componen todo lo que se encuentra en la faz de la tierra tienen sus ciclos. Para entender qué pasa en la historia de la tierra en general, y la de la vida en particular, es preciso entender estos ciclos. Dichos ciclos están relacionados íntimamente con los ciclos tectónicos. Para la tierra primordial fueron muy importantes los ciclos del carbono (C; ver figura) y del azufre (S).

El carbono es un elemento clave por ejercer un control importante sobre la temperatura de la atmósfera y porque los organismos vivientes son hechos de compuestos orgánicos, basados en el carbono. Por tanto, nos interesa saber cómo son los flujos del carbono que entran y salen de la atmósfera (y del océano y el suelo): la concentración de carbono en el ambiente depende de ello. Así es hoy día, con el actual aumento del carbono en la atmósfera, en la forma de dióxido de carbono (CO2), y así lo fue a lo largo de la historia de nuestro planeta.

En lugar de hablar de un solo ciclo del carbono, pudiéramos distinguir tres ciclos, cada uno con una duración distinta[68]. El primer ciclo, el más fundamental y de más larga duración (en el orden de decenas a cientos millones de años), es él que es impulsado por la actividad tectónica de la tierra. El carbono llega a la superficie de la tierra mediante el volcanismo: como CO2 que forma buena parte de los gases expulsados por los volcanes. Al aumentar su concentración en la atmósfera, el CO2 se disuelve en el agua, empezando por el agua de lluvia, formando ácido carbónico (H2CO3) que, una vez en contacto con rocas, las disuelve lentamente (lo que se denomina erosión química, o meteorización). El carbono es luego transportado por los ríos hacia el océano, donde queda retenido por varios miles de años, antes de regresar a la atmósfera o, alternativamente, se almacena en los sedimentos marinos en la forma de minerales carbonatados, tales como la calcita (CaCO3). Cuando una placa tectónica en la que se encuentran rocas carbonatadas choca con otra placa y se hunde por debajo de aquella otra (o sea, la subducción que mencionamos arriba), las rocas carbonatadas contenidas en la placa hundida se descomponen, al calentarse, en sus elementos constituyentes. El carbono pasa a formar parte de las rocas del manto o la corteza terrestre, listo para ser convertido en un gas asociado a los magmas que, en algún momento, llegarán a subir a la superficie expulsando de nuevo el carbono.

El segundo ciclo del carbono es más rápido pero sigue desarrollándose en tiempos geológicos, en el orden de (decenas de) millones de años. El carbono se puede fijar no sólo en la forma de rocas carbonatadas (principalmente en ambientes marinos), sino también en turbas y carbones (en ambientes terrestres). Fuerzas tectónicas compresivas pueden causar el levantamiento de estas rocas y sedimentos, y levantarlos en el proceso que se llama orogénesis: la formación de cinturones montañosos. La meteorización de estas montañas resultará en la disolución o desagregación de las rocas que las componen, y por ende también de nuestras rocas carbonatadas y los carbones. En este momento, el carbono volverá a liberarse en el ambiente (esto es lo que hoy día está ocurriendo con la combustión no sólo del carbón, sino también de los hidrocarburos), almacenándose en la atmósfera y el océano.

El tercer ciclo del carbono es el más rápido: es el biológico. Las plantas absorben carbono de la atmósfera y lo fijan en sus tejidos. Al descomponerse las plantas, el carbono vuelve a liberarse (a no ser que la descomposición no puede ocurrir por falta de oxígeno, lo que resulta en la formación de turba y, después, carbón). Este último ciclo obviamente no existía en la tierra primordial, por falta de organismos vivientes.

Así se desarrollan los ciclos del carbón. Cuánto carbón habrá en un momento dado en la atmósfera depende de los flujos de liberación del carbono en la atmósfera y de su remoción. Por ejemplo, la erosión de rocas es uno de los principales factores que controlan la cantidad de CO2 en la atmósfera, y por ende la temperatura[69].

El ciclo del azufre es importante porque este mineral juega un papel importante en la química de los procesos geológicos y biológicos. Para los fines del estudio de la tierra primordial los compuestos de azufre, tales como los sulfatos (óxidos de azufre), son importantes ya que nos proporcionan información acerca de la presencia de oxígeno en el ambiente. El ciclo del azufre, así como el del carbono, consiste en un intercambio entre el manto terrestre y la superficie. Los procesos que llevan azufre desde el manto a la superficie de la tierra incluyen la desgasificación volcánica, la entrada por fuentes hidrotermales y la meteorización de la corteza oceánica. En superficie, el azufre se acumula en los océanos, principalmente en la forma de sulfatos; y en los suelos y el fondo marino, en la forma de sulfuros (combinaciones de azufre reducido, con elementos distintos al oxígeno), que se producen principalmente por la acción biogénica de bacterias. El azufre vuelve al manto cuando los sulfuros acumulados en el fondo marino son absorbidos por el manto en el proceso de la subducción de la corteza oceánica[70].

En el océano, el azufre se encuentra principalmente en su forma oxidada, como sulfatos. La cantidad de sulfatos en el agua depende de la cantidad de oxígeno disponible. Los isótopos del azufre encontrados en los sulfuros en los sedimentos del Arcaico sugieren una baja concentración de sulfatos en el océano y por tanto, poco oxígeno en la atmósfera[71].

Blog 180614 - Hierro bandeado

Hierro bandeado

Si se pudiera hablar de una roca típica del Arcaico, lo serían las formaciones de hierro bandeado (en inglés: banded iron formations). También se conocen de otros tiempos remotos, pero son más comunes en el Arcaico y la primera parte del eón sucesivo, el Proterozoico. Son rocas sedimentarias que contienen al menos un 15% de hierro (Fe),​ y presentan una estructura formada por bandas, estando unas compuestas por el hierro, y las otras por sílex (ver figura). El hierro suele aparecer en forma de óxidos, normalmente magnetita (Fe3O4) y hematita (Fe2O3) [72].

Todavía no se entiende completamente el mecanismo responsable de las formaciones de hierro bandeado. Las del Arcaico están comúnmente relacionadas con actividad volcánica. Las formaciones de hierro más antiguas se depositaron en océanos anóxicos, donde la oxidación del hierro ferroso por bacterias fotosintéticas anoxigénicas (o, alternativamente, cianobacterias) era probablemente un proceso importante[73]. Esto apunta a una relación entre la vida primordial (de la cual hablaremos en la siguiente entrega) y la formación de estas rocas; en este sentido es interesante notar que las primeras formaciones de hierro bandeado tienen una edad de algo más de 3700 años, coincidiendo con los primeros organismos conocidos[74]. Pero también juega un papel importante un entramado de factores geológicos tales como períodos de actividad volcánica intensa[75], y no se puede descartar que estas rocas se hayan formado por precipitación química, independiente de la actividad de organismos[76].

La temperatura y la paradoja del sol débil

Una vez formada la tierra, la superficie de nuestro planeta, inicialmente ardiente, debe haberse enfriado bastante rápidamente, hasta punto tal que unos 200 millones de años después de su nacimiento la tierra ya contaba con agua líquida en su superficie. Esto lo sabemos por los zircones de hace 4300 millones de años, ya mencionados arriba, que se formaron en un ambiente acuoso. Del resto no sabemos mucho del clima terrestre durante el Hádico. Pero la presencia de agua en la superficie indica que, por lo menos durante parte de Hádico, la tierra no fue ni tan fría que toda el agua se congelara, ni tan caliente que hirviera y desapareciera.

Durante los episodios de bombardeos por meteoritos, por ejemplo al inicio del Arcaico, debe haberse calentado considerablemente la superficie terrestre y buena parte de los océanos puede haberse evaporado. Sin embargo, durante la mayor parte del Arcaico parecen haber existido océanos en la faz de la tierra.

Pero los océanos de aquellos tiempos no eran como los actuales. No sólo estaban desprovistos de organismos multicelulares, también eran mucho más cálidos. Esto lo sabemos gracias a los isótopos de especialmente el oxígeno. La relación de los isótopos estables ligeros y pesados de elementos tales como el oxígeno y la sílice depende en gran medida de la temperatura. Analizando la relación de estos isótopos en rocas de sílex formadas en ambientes marinos a lo largo de la historia de la tierra, se ha podido determinar que los océanos eran bastante calientes durante buena parte del Arcaico: entre 55 y 85 °C alrededor de hace 3500 millones de años, bajando un poco hacia finales de Arcaico, cuando era de 40-70 °C [77]. Esto fue corroborado por datos de ciertas encimas antiguas, cuyos rangos de mayor estabilidad coinciden con estas temperaturas relativamente altas[78]. Así que el océano del Arcaico, y por tanto la atmósfera, parecen haber sido cálidos durante el Arcaico (ver la figura de la línea de tiempo).

Sin embargo, al estudiar también los isótopos de hidrógeno, algunos investigadores proponen que en el Arcaico la relación entre los isótopos de oxígeno y la temperatura era distinta a la de hoy día, y que la temperatura del mar pudo haber sido menor de 40°C, y por tanto, más benévola de lo que se había reportado inicialmente[79].

Sea como sea, el Arcaico parece haber sido un tiempo de temperaturas más altas que las actuales (aparte de una posible edad de hielo hace unos 2900 millones de años[80]). Sin embargo, se sabe que el sol, recién formado, era un tercio menos luminoso de lo que es hoy día. Sólo poco a poco ha ido aumentando su luminosidad, y todavía sigue aumentando[81]. Esto crea un problema: si la irradiación de energía solar fue tanto menor durante la primera parte de la existencia de nuestro planeta, ¿cómo se pudo mantener el clima tan benévolo, en lugar de caer en una época de hielo perpetua? Esto ha sido denominado la paradoja del sol joven y débil[82].

Varias soluciones han sido propuestas para esta paradoja. Las más comunes son las que postulan un efecto invernadero, causado por altas concentraciones de CO2[83] y metano[84] (CH4) en la atmósfera. El CO2 era aportado a la atmósfera terrestre antigua por actividad volcánica. El metano puede haber salido por fuentes hidrotermales en el fondo de los océanos, y también puede haber sido generado por los primeros organismos que poblaron la tierra, desde el inicio del Arcaico (de los cuales hablaremos en la próxima entrega) [85].

Sin embargo, la proporción de estos gases invernadero en la atmósfera era probablemente limitada: los minerales encontrados en los antiguos suelos del Arcaico apuntan a una concentración de CO2 mucho menor de la actual, lo que implica que no puede haber habido suficiente CO2 en la atmósfera Arcaica para causar un efecto invernadero[86]. (Aunque hay información contradictoria: la presencia de carbonatos de hierro en rocas de hace por lo menos 3750 años sugiere una concentración alta de CO2 en la atmósfera, por lo menos en aquel tiempo[87].) Por tanto, se ha sugerido como explicación alternativa de la paradoja, la reflectividad de la tierra: debido a la poca extensión de los continentes en aquellos tiempos primordiales, y la casi ausencia de nubes, la tierra reflectaba menos energía que recibía del sol que la tierra actual, de manera que se pudo acumular en la atmósfera primordial suficiente calor para mantener un clima benévolo[88]. Pero el cambio de reflectividad no parece ser suficiente para mantener la temperatura terrestre en un rango templado[89].

Alternativamente, se ha postulado al sulfuro de carbonilo (OCS) como el principal gas invernadero que cobijó a la tierra en su inicio. La ocurrencia de este gas fue inferida de la distribución de isótopos de azufre en los sedimentos del Arcaico. Pudo acumularse en la atmósfera de aquellos tiempos debido a la ausencia de oxígeno[90]. En una entrega venidera veremos cómo, cuando aparecieron organismos que produjeron oxígeno, el oxígeno liberado en la atmósfera causó la desaparición de los gases invernadero y, por ende, una bajada importante de la temperatura en la tierra, que se quedó cubierta de glaciares (lo que sabemos por las rocas sedimentarias acumuladas durante las épocas de hielo, que son muy características)[91].

Otra posible solución de la paradoja del sol débil es la de una atmósfera mucho más densa que la actual y, por tanto, con mejor capacidad de mantener el calor del sol. Sin embargo, el estudio de los gases nitrógeno y argón entrampados en rocas del Arcaico indica que el nitrógeno en aquel tiempo era un componente importante de la atmósfera, en una proporción igual o un poco menor de la actual, lo que apunta a una densidad atmosférica parecida a la de hoy día[92]. Además, se encontraron las huellas de gotas de lluvia en sedimentos de cenizas volcánicas de hace 2700 millones de años, y la profundidad de estas huellas (que depende de la velocidad de impacto de la gota, la cual a su vez depende de la densidad del aire) apunta a una densidad atmosférica parecida a la actual[93].

Tal vez no sea necesario buscar explicaciones complicadas. Un modelo tridimensional de la atmósfera arcaica, utilizando suposiciones más detalladas que las utilizadas inicialmente, encontró que aun con bajas concentraciones de CO2 y metano pudo haberse mantenido agua abierta en el ecuador; sólo en las latitudes altas los océanos estarían cubiertos por capas de hielo[94]. De esta manera, la vida pudo desarrollarse y mantenerse en por lo menos ciertas áreas de la tierra.

Conclusión

La tierra se formó, conjuntamente al resto del sistema solar, hace aproximadamente 4540 millones de años. Inicialmente era una bola incandescente de roca fundida, bombardeada por meteoritos y otros cuerpos celestes hasta que alcanzara su tamaño actual, después de perder parte de su masa cuando se desprendió parte del planeta cuando se formó la luna. Paulatinamente bajó la temperatura en la superficie de la tierra, se cristalizaron las primeras rocas dando origen a la corteza (hace unos 4300 millones de años), y por encima de ella empezó a acumularse agua líquida – traída desde el espacio por cometas y meteoritos, y/o expulsada del interior de la tierra en los gases de los volcanes.

La atmósfera terrestre consistía en gases distintos a los actuales: principalmente metano, hidrógeno, amoníaco, nitrógeno, y dióxido de carbono.

Las primeras edades de la tierra han sido denominadas el eón Hádico (hasta 4000 millones de años) y el eón Arcaico (desde 4000 hasta 2500 millones de años). El Hádico cubre el intervalo del que prácticamente no se han conservado vestigios en la forma de rocas que nos pueden contar la historia de la infancia de la tierra. Pero del Arcaico sí tenemos formaciones rocosas que podemos estudiar, y que nos cuentan la historia de las primeras fases de la evolución de nuestro planeta. Nos hablan de tiempos más tranquilos, con temperaturas moderadas, propicios para una transformación que – según nuestro conocimiento actual – fue única.

En algún momento del Arcaico ocurrió algo muy particular: aparecieron los primeros organismos vivientes. Y el Arcaico terminó cuando ocurrió una verdadera revolución planetaria: apareció el oxígeno en la atmósfera, producto de organismos capaces de llevar a cabo fotosíntesis, o sea, de convertir dióxido de carbono y agua en material orgánico y oxígeno, utilizando la luz solar como fuente de energía[95]. Empezó la transformación de nuestro planeta como consecuencia de la actividad de los organismos vivientes. Al primer hito, la aparición de la vida, nos dedicaremos en las próximas entregas.

 

Nota: la foto en el encabezado de esta entrega muestra una imagen artística de cómo puede haber lucido la superficie terrestre durante el Hádico. La luna, recién formada, se encontraba todavía cerca de la tierra. Meteoritos y cometas siguen bombardeando el planeta, trayendo – entre otras cosas – agua. Fuente: https://ojo.pe/minuto-a-minuto/cientificos-reproducen-las-confusas-condiciones-de-creacion-de-la-tierra-181341.

 

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[3]    Ver: https://pubs.usgs.gov/gip/geotime/age.html.

[4]    Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/Dataci%C3%B3n_radiom%C3%A9trica.

[5]    Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/Periodo_de_semidesintegraci%C3%B3n.

[6]    Ver: www.universetoday.com/75805/how-old-is-the-earth.

[7]    Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/Dataci%C3%B3n_uranio-plomo.

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[9]    Ver: https://pubs.usgs.gov/gip/geotime/age.html.

[10] Ver: https://pubs.usgs.gov/gip/geotime/age.html.

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[13] Connelly y otros, 2017. Ver nota 2.

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[59] Ver: www.physorg.com/news/2011-12-early-earth-prone-deep.html.

[60] Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/E%C3%B3n_Arcaico.

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[65] Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/Tect%C3%B3nica_de_placas.

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[82] Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/Paradoja_del_Sol_joven_y_d%C3%A9bil.

[83] Carver y Vardavas, 1994. Ver nota 69.

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[91] Kasting y Ono, 2006. Ver nota 85.

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[95] Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/Fotos%C3%ADntesis.

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