Así surgió el oxígeno en la Tierra: lo que revelan las rocas más antiguas

Momentos cruciales en la historia de nuestro planeta nos ayudan a comprender nuestro origen y destino. Uno de ellos, el Gran Evento de Oxidación (GOE), es fundamental para entender la vida tal como la conocemos.

Este evento evolutivo, ocurrido hace más de dos mil millones de años, marcó la primera acumulación significativa de oxígeno en la atmósfera terrestre. Este oxígeno, producido por la fotosíntesis, es esencial para la supervivencia humana y de innumerables formas de vida.

Viajar en el tiempo antes del GOE nos transportaría a un mundo mayormente anóxico, sin oxígeno libre. Allí prosperaban organismos anaeróbicos, que no necesitaban oxígeno y obtenían energía por otros medios, como la fermentación.

El GOE desencadenó una de las transformaciones químicas más profundas en la historia de la superficie terrestre. Marcó la transición de un planeta inhóspito para la vida compleja a uno con una atmósfera oxigenada que sustenta la biosfera actual.

Científicos de la Universidad de Syracuse y el MIT han realizado nuevos hallazgos que refinan nuestra comprensión de este período crítico. Sus investigaciones, publicadas en Proceedings of the National Academy of Sciences, se basan en el análisis de antiguos núcleos de roca de Sudáfrica.

El equipo, liderado por Benjamin Uveges, quien completó el proyecto como asociado postdoctoral en el MIT, colaboró con Christopher Junium, profesor de ciencias de la Tierra en Syracuse, para los análisis químicos detallados.

Para retroceder en el tiempo, los investigadores analizaron rocas sedimentarias de entre 2.200 y 2.500 millones de años. Esta antigüedad es ideal para preservar evidencia del GOE. Estudiaron las proporciones de isótopos estables incrustadas en estas rocas ancestrales.

Al hacerlo, descubrieron evidencia de procesos oceánicos que requerían la presencia de nitrato. El nitrato es un indicador clave de condiciones con un mayor contenido de oxígeno en el agua marina.

La medición de los niveles de nitrógeno traza en estas rocas antiguas presentó un desafío técnico. "Las rocas que analizamos presentaban concentraciones de nitrógeno muy bajas, demasiado bajas para medirlas con la instrumentación tradicional", explicó Uveges.

Aquí entró en juego la pericia del profesor Junium. "Chris ha construido uno de los pocos instrumentos en el mundo que puede medir las proporciones de isótopos de nitrógeno en muestras con entre 100 y 1000 veces menos nitrógeno que el mínimo típico", destacó Uveges.

En el laboratorio de Junium en Syracuse, el equipo analizó las proporciones isotópicas de nitrógeno (¹⁵N a ¹⁴N) utilizando un espectrómetro de masas de proporción isotópica (IRMS). Este sofisticado instrumento incluye un módulo de crioatrapamiento esencial para estos análisis de precisión.

Pero, ¿cómo revelan los isótopos de nitrógeno los niveles de oxígeno del pasado? Los microorganismos que vivían en los antiguos océanos influían en la composición química de los sedimentos. Dejaron rastros isotópicos de cómo se procesaba y utilizaba el nitrógeno en su entorno.

Rastrear los cambios en la proporción de ¹⁵N a ¹⁴N a lo largo del tiempo geológico ayuda a los científicos a comprender cómo evolucionó el medio ambiente terrestre, y muy especialmente, los niveles de oxígeno disponibles.

El hallazgo más sorprendente del estudio, según Uveges, es un cambio en la sincronización del ciclo aeróbico del nitrógeno oceánico. La evidencia sugiere que este ciclo se volvió sensible al oxígeno disuelto en el océano aproximadamente 100 millones de años antes de lo que se creía anteriormente.

Esto indica un retraso significativo entre la acumulación inicial de oxígeno en el océano y su posterior y masiva acumulación en la atmósfera, que es lo que define principalmente al GOE.

Junium señala que estos resultados marcan un punto de inflexión crítico en la historia del ciclo del nitrógeno. En ese momento, los organismos tuvieron que "actualizar" su maquinaria bioquímica para procesar el nitrógeno en una forma más oxidada, que les resultaba más difícil de absorber y utilizar.

“Todo esto encaja con la idea emergente de que el GOE fue una prueba prolongada", comenta Junium. "Los organismos tuvieron que encontrar el equilibrio entre aprovechar las ganancias energéticas de la fotosíntesis oxigenada y las adaptaciones graduales para lidiar con su subproducto, el oxígeno”.

A medida que el oxígeno producido por la fotosíntesis comenzó a acumularse, este aumento llevó a la extinción de muchos organismos anaeróbicos. Sin embargo, también preparó el escenario para la evolución de la respiración aeróbica.

Este proceso, que utiliza oxígeno para descomponer la glucosa, proporciona la energía necesaria para funciones vitales en humanos y otros animales complejos, como el movimiento muscular y la actividad cerebral.

“Durante los primeros más de 2 mil millones de años de la historia de la Tierra, había muy poco oxígeno libre en los océanos y la atmósfera”, afirma Uveges. “Hoy, el oxígeno constituye una quinta parte de nuestra atmósfera y prácticamente toda la vida multicelular compleja depende de él".

Por lo tanto, "estudiar el auge del oxígeno y sus impactos es, en realidad, estudiar cómo el planeta y la vida coevolucionaron para llegar a la situación actual”, concluye.

Estos hallazgos no solo redefinen cuándo los ambientes superficiales de la Tierra se volvieron ricos en oxígeno. También identifican un hito biogeoquímico clave que puede ayudar a los científicos a modelar cómo evolucionaron las diferentes formas de vida antes y después del Gran Evento de Oxidación.

“Espero que nuestros hallazgos inspiren más investigaciones sobre este fascinante período”, afirma Uveges. “Al aplicar nuevas técnicas geoquímicas a los núcleos de roca que estudiamos, podemos construir una imagen aún más detallada del GOE y su impacto en la vida en la Tierra”.

Este trabajo subraya cómo el análisis detallado de los registros rocosos sigue siendo fundamental para desentrañar los capítulos más antiguos y transformadores de la historia de nuestro planeta y de la biosfera.

Fuente: Basado en información publicada en la revista científica PNAS