Un océano por descubrir: la evolución redox.

La aparición de oxígeno libre en la atmósfera supuso un cambio enorme en las condiciones en las que se desarrollaba la evolución de las especies. Una atmósfera oxidante también cambió las condiciones fisicoquímicas de rocas, sedimentos y, lo que es crítico para la vida, las aguas superficiales. Si queremos conocer cómo aparecieron los animales necesitamos saber cómo cambió la química de los océanos durante y tras la aparición del oxígeno libre.

En un artículo publicado en Nature Geoscience [1], David Fike de la Universidad Washington en San Luis (EE.UU.), pone de manifiesto la inconsistencia de las interpretaciones de los indicadores redox, poniendo en cuestión la concepción habitualmente aceptada de la química de los océanos primitivos. Fike repasa investigaciones recientes que apoyan la idea de que dicha concepción se basa en la extrapolación de unos datos manifiestamente insuficientes.

Los indicadores redox (de reducción-oxidación), como la proporción de isótopos de cromo presentes en las llamadas formaciones bandeadas de hierro (unas rocas sedimentarias) o la proporción de isótopos en las partículas de sulfuro atrapadas en diamantes, permiten a los geólogos deducir si las condiciones de la atmósfera de la Tierra y sus océanos eran reductoras (con tendencia a ceder electrones a otros átomos) u oxidantes (con tendencia a tomarlos).

Fike se centra en el dramático cambio de condiciones anóxicas a oxigenadas de los océanos terrestres que precedió al Período Ediacárico, que comenzó hace 635 millones de años y terminó hace 542, y en el que se considera que aparecen los animales. Pero antes de ver qué dice Fike pongamos un poco de perspectiva. La narración habitual que se puede encontrar en un libro de texto viene a decir lo siguiente:

Hace unos 4 mil millones de años la atmósfera de la Tierra era una mezcla mortal de gases expulsados por los volcanes: nitrógeno y sus óxidos, dióxido de carbono, metano, amoniaco, dióxido de azufre y sulfuro de hidrógeno. Los océanos que se habían formado a partir del agua condensada (o de la aportada por cometas) mantenían grandes cantidades de hierro disuelto aportado por las fumarolas hidrotermales del fondo marino.

Entonces alrededor de 2.700 millones de años, las cianobacterias (los organismos más autosuficientes del planeta, porque tanto fotosintetizan como fijan nitrógeno) empezaron a aportar oxígeno a la atmósfera y a las aguas someras.

Al principio el oxígeno empezó acumulándose gradualmente en la atmósfera pero, alrededor de hace unos 2.500 millones de años hubo un pico repentino en la concentración de oxígeno atmosférico. A este acontecimiento se le llama de diversas maneras: la Gran Oxidación, la Crisis/Revolución/Catástrofe del Oxígeno. El oxígeno mató a los anaerobios que no se refugiaron en sedimentos, las profundidades del océano u otros ambientes sin aire, y llevó a la evolución de los aerobios que podían usar el oxígeno para “despertar” su metabolismo. Aproximadamente al mismo tiempo, el hierro comenzó a precipitar en los océanos, formando rocas características de este período llamadas formaciones bandeadas de hierro que consisten en capas alternadas de roca gris y roja [en la imagen]. Las formaciones bandeadas de hierro se formaron entre hace unos 3.000 millones de años y 1.800 millones de años, y prácticamente nunca más. Se suele atribuir la precipitación del hierro a la cada vez mayor presencia de oxígeno disuelto en las aguas de los océanos.

Y entonces, otros dos millones de años después de la Gran Oxidación, aparecieron finalmente formas de vida multicelulares: la fauna del Período Ediacárico incluye los primeros metazoos (vulgo, animales). La asunción principal es que los niveles de oxígeno eran lo suficientemente altos como para poder soportar algo más que una célula aislada.

Hasta aquí la versión “oficial”. Pero esta hipótesis no aclara algunas cuestiones fundamentales:

· ¿Por qué los niveles de oxígeno tuvieron un pico hace 2.500 millones de años y cuánto oxígeno había en la atmósfera realmente?

· ¿Por qué las formaciones bandeadas de hierro están formadas por estratos de sólo unos pocos centímetros de espesor y por qué dejaron de formarse tan abruptamente?

· Si los océanos estaban oxigenados hace 2.500 millones de años, ¿por qué la vida multicelular retrasa su aparición 2.000 millones de años más?

· ¿Y todos estos cambios ocurrieron a la vez en todos los lugares de la Tierra?

Según Fike ello se debe a que esa hipótesis se ha creado a partir de datos manifiestamente insuficientes, realizando extrapolaciones ilegítimas. Por una parte no existe densidad de datos como para evaluar las variaciones espaciales en el pasado geoquímico de la Tierra y, por otra, los indicadores geoquímicos son retorcidamente difíciles de interpretar.

Esta hipótesis empezó a cuestionarse seriamente cuando, en 1998, Don Canfield de la Universidad de Odense (Dinamarca) sugirió que los compuestos de azufre también habían tenido un papel en la transformación de la química de la Tierra.

El argumento de Canfield era que la Gran Oxidación tuvo lugar realmente en dos etapas y que fueron los sulfuros más que el oxígeno los que provocaron la precipitación del hierro oceánico. El primer aumento del oxígeno habría causado el desgaste oxidativo de las rocas en tierra, lo que habría aportado sulfatos al océano a través de los ríos. En el océano, las bacterias reductoras de sulfato habrían convertido el sulfato en sulfuro como medio de obtener su energía metabólica. El hierro disuelto se combinó con los sulfuros para formar minerales de sulfuro de hierro, como la pirita, que precipitaron.

Durante la segunda fase, mucho más larga, se generó suficiente oxígeno para eliminar los sulfuros de las profundidades oceánicas, permitiendo la aparición de los metazoos, para los que el sulfuro es tóxico.

El propio Canfield publica en el mismo número de Nature Geoscience [2] que Fike un estudio según el cual el agua rica en sulfuro solamente llegó al océano en una franja estrecha cercana a la costa de los antiguos continentes. Esto significó que la columna de agua, en vez de ser homogénea estaba estratificada, con diferentes químicas en diferentes capas.

Es decir, al menos localmente se mantuvieron condiciones ferruginosas (ricas en hierro) o ricas en sulfuro a lo largo del Período Ediacárico, mucho después de la Gran Oxidación. En otras palabras, la consideración de diferentes indicadores geoquímicos da lugar a diferentes interpretaciones. El problema es que hay demasiadas pocas muestras como para poder realizar un modelo tridimensional de toda la Tierra que tenga suficiente resolución como para eliminar datos malos.

Por si fuera poca complicación, la variabilidad geográfica de los indicadores redox podría indicar un contexto de deposición inusual o cambios en el indicador tras la deposición más que un cambio en la geoquímica.

Aquella frase de Newton, “[...] mientras que el gran océano de la verdad aparece todo él sin descubrir delante de mí”, parece más apropiada que nunca.

Referencias:

[1]

Fike, D. (2010). Biogeochemistry: Earth's redox evolution Nature Geoscience, 3 (7), 453-454 DOI: 10.1038/ngeo903

[2]

Poulton, S., Fralick, P., & Canfield, D. (2010). Spatial variability in oceanic redox structure 1.8 billion years ago Nature Geoscience, 3 (7), 486-490 DOI: 10.1038/ngeo889