La oxigenación de los océanos: Un proceso complejo y dinámico

Introducción

Hace aproximadamente 2 500 millones de años, el oxígeno libre (O₂) comenzó a acumularse en niveles significativos en la atmósfera terrestre, preparando el escenario para el surgimiento de la vida compleja en nuestro planeta en evolución. Los científicos se refieren a este fenómeno como el Gran Evento de Oxigenación (GEO). Sin embargo, según investigaciones recientes, la acumulación inicial de O₂ en la Tierra no fue tan sencilla como sugiere ese nombre. Este "evento" duró al menos 200 millones de años.

"Datos emergentes sugieren que el aumento inicial de O₂ en la atmósfera terrestre fue dinámico, desarrollándose a intervalos hasta hace quizás 2 200 millones de años", afirmó Chad Ostrander, autor principal de un estudio. "Nuestros datos validan esta hipótesis, e incluso van un paso más allá al extender esta dinámica a los océanos".

Relaciones isotópicas estables del talio

Su equipo de investigación internacional, respaldado por el programa de Exobiología de la NASA, se centró en lutitas marinas del Supergrupo Transvaal de Sudáfrica, obteniendo información valiosa sobre la dinámica de la oxigenación de los océanos durante este período crucial en la historia de la Tierra. Al analizar las relaciones isotópicas estables del talio (Tl) y los elementos sensibles al estado redox, descubrieron evidencia de fluctuaciones en los niveles de O₂ marino que coincidían con cambios en el oxígeno atmosférico.

Estos hallazgos ayudan a mejorar la comprensión de los complejos procesos que dieron forma a los niveles de O₂ de la Tierra durante un período crítico en la historia del planeta, que allanó el camino para la evolución de la vida tal y como la conocemos.

"Realmente no sabemos qué estaba sucediendo en los océanos, donde las primeras formas de vida de la Tierra probablemente se originaron y evolucionaron", dijo Ostrander. "Por lo tanto, conocer el contenido de O₂ de los océanos y cómo evolucionó con el tiempo es probablemente más importante para la vida temprana que la atmósfera".

La investigación se basa en el trabajo de los coautores de Ostrander, Simon Poulton de la Universidad de Leeds en el Reino Unido y Andrey Bekker de la Universidad de California, Riverside. En un estudio de 2021, su equipo de científicos descubrió que el O₂ no se convirtió en un componente permanente de la atmósfera hasta unos 200 millones de años después de que comenzara el proceso de oxigenación global, mucho más tarde de lo que se pensaba anteriormente.

La evidencia clave de una atmósfera anóxica es la presencia de firmas isotópicas de azufre raras e independientes de la masa en los registros sedimentarios anteriores al GEO. Muy pocos procesos en la Tierra pueden generar estas firmas isotópicas de azufre, y por lo que se sabe, su preservación en el registro de rocas casi con certeza requiere la ausencia de O₂ atmosférico.

Durante la primera mitad de la existencia de la Tierra, su atmósfera y océanos carecieron en gran medida de O₂. Al parecer, este gas estaba siendo producido por cianobacterias en el océano antes del GEO, pero en estos primeros tiempos el O₂ se destruía rápidamente en reacciones con minerales expuestos y gases volcánicos. Poulton, Bekker y sus colegas descubrieron que las firmas isotópicas de azufre raras desaparecen y luego reaparecen, lo que sugiere múltiples aumentos y descensos de O₂ en la atmósfera durante el GEO. No se trató de un único "evento".

"La Tierra no estaba preparada para ser oxigenada cuando comenzó a producirse oxígeno. La Tierra necesitó tiempo para evolucionar biológica, geológica y químicamente para ser propicia para la oxigenación", explicó Ostrander. "Es como un balancín. Tienes producción de oxígeno, pero tanta destrucción de oxígeno que no pasa nada. Todavía estamos tratando de averiguar cuándo hemos inclinado completamente la balanza y la Tierra no pudo retroceder a una atmósfera anóxica".

Hoy en día, el O₂ representa el 21% de la atmósfera, en peso, solo superado por el nitrógeno. Sin embargo, después del GEO, el oxígeno siguió siendo un componente muy pequeño de la atmósfera durante cientos de millones de años.

Para rastrear la presencia de O₂ en el océano durante el GEO, el equipo de investigación se basó en la experiencia de Ostrander con isótopos estables de talio. Los isótopos son átomos del mismo elemento que tienen un número desigual de neutrones, lo que les da pesos ligeramente diferentes. Las proporciones de isótopos de un elemento particular han impulsado descubrimientos en arqueología, geoquímica y muchos otros campos.

Los avances en la espectrometría de masas han permitido a los científicos analizar con precisión las relaciones isotópicas de elementos más alejados en la tabla periódica, como el talio. Afortunadamente para Ostrander y su equipo, las relaciones isotópicas del talio son sensibles al entierro de óxido de manganeso en el fondo marino, un proceso que requiere O₂ en el agua de mar. El equipo examinó los isótopos de talio en las mismas lutitas marinas que recientemente se demostró que rastreaban las fluctuaciones de O₂ atmosférico durante el GEO con isótopos de azufre raros.

En las lutitas, Ostrander y su equipo encontraron enriquecimientos notables en el isótopo de talio de menor masa (203Tl), un patrón que se explica mejor por el entierro de óxido de manganeso en el fondo marino y, por lo tanto, la acumulación de O₂ en el agua de mar. Estos enriquecimientos se encontraron en las mismas muestras que carecían de las firmas isotópicas de azufre raras y, por lo tanto, cuando la atmósfera ya no era anóxica. La guinda del pastel: los enriquecimientos de 203Tl desaparecen cuando regresan las firmas isotópicas de azufre raras. Estos hallazgos fueron corroborados por los enriquecimientos de elementos sensibles al estado redox, una herramienta más clásica para rastrear cambios en el O₂ antiguo.

"Cuando los isótopos de azufre dicen que la atmósfera se oxigenó, los isótopos de talio dicen que los océanos se oxigenaron. Y cuando los isótopos de azufre dicen que la atmósfera volvió a ser anóxica, los isótopos de talio dicen lo mismo para el océano", dijo Ostrander. "Así que la atmósfera y el océano se estaban oxigenando y desoxigenando juntos. Esta es información nueva y genial para los interesados en la Tierra antigua".

Implicaciones para la evolución de la vida

La comprensión de la dinámica de la oxigenación de los océanos durante el GEO tiene importantes implicaciones para nuestra comprensión de la evolución de la vida temprana. La presencia de O₂ en el agua de mar habría proporcionado una fuente de energía esencial para muchos organismos primitivos y habría permitido el desarrollo de la respiración celular mitocondrial, un proceso fundamental para la vida compleja.

Además, la oxigenación de los océanos habría contribuido a la desintoxicación del medio ambiente al eliminar el metano y otros gases nocivos. Esto habría creado un entorno más favorable para la proliferación de vida diversa.

Conclusiones

La investigación de Ostrander y sus colaboradores proporciona una nueva visión de la compleja historia de la oxigenación de la Tierra. Sus hallazgos destacan la naturaleza dinámica de este proceso y revelan la estrecha relación entre la oxigenación de la atmósfera y los océanos. Esta investigación fundamental ayuda a iluminar uno de los eventos más importantes en la historia de nuestro planeta, allanando el camino para la aparición de la vida tal y como la conocemos.

Referencias

Ostrander, C.M., Heard, A.W., Shu, Y. et al. (2024) Onset of coupled atmosphere–ocean oxygenation 2.3 billion years ago. Nature doi: 10.1038/s41586-024-07551-5

Recursos adicionales:
https://en.wikipedia.org/wiki/Great_Oxidation_Event
https://astrobiology.nasa.gov/nai/articles/2019/3/5/clues-of-earths-early-rise-of-oxygen/index.html

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Imagen generada por DeepAI
2024/06/24