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El origen del oxígeno en la atmósfera
de la Tierra
Alberto González Fairén
¿Por qué el oxígeno no formó parte de la atmósfera de la Tierra hasta cientos de millones de años después de que los primeros microorganismos fotosintetizadores empezaran a producirlo? La existencia de gases reducidos en la atmósfera pudo neutralizar el oxígeno, aunque también es posible que el O2 comenzara a acumularse con anterioridad.
l oxígeno presente en la atmósfera de la Tierra es un producto exclusivo de la fotosíntesis. La transición de la atmósfera anóxica primitiva de la Tierra a la actual está vinculada a la aparición y proliferación temprana de cianobacterias fotosintéticas (Figura 1). Sin embargo, aunque el registro geológico confirma la presencia de oxígeno en la atmósfera desde hace 2.300-2.400 millones de años, existe evidencia de la presencia de cianobacterias produciendo oxígeno a tasas comparables a las actuales desde hace, al menos, 2.700 millones de años. El origen del oxígeno ha sido datado midiendo las proporciones de los isótopos del azufre conservados en minerales sedimentarios como las piritas (formadas por FeS2). Existen cuatro isótopos no radiactivos del azufre, que participan de diferente manera en muchos procesos físicos, químicos y biológicos de manera predecible en relación a su masa isotópica. Sin embargo, su grado de participación en reacciones atmosféricas catalizadas por la luz ultravioleta es independiente de sus diferentes masas. El oxígeno molecular (O2) en la atmósfera elimina los rastros de estas reacciones, formando ozono que reduce la penetración de la radiación ultravioleta en la atmósfera. Por lo tanto, el O2 actúa tanto contra la producción como contra la preservación del fraccionamiento isotópico del azufre. Y la última aparición de tal fraccionamiento en piritas data de hace 2.400 millones de años.
Anabaena sperica
Figura 1: Anabaena sperica, cianobacteria filamentosa. (Ralf Wagner)
La hipótesis clásica que explica lo que sucedió en el tiempo entre el origen de la fotosíntesis y la acumulación de oxígeno en la atmósfera afirma que el Fe2+ era abundante en los océanos primitivos, y que su oxidación generó grandes masas de formaciones de hierro bandeado hace 2.500 millones de años. Pero el hierro por sí sólo no explica la enorme cantidad de oxígeno que tuvo que ser secuestrado. Lee Kump (NASA) y Mark Barley (University of Western Australia) han propuesto que las reacciones que tuvieron lugar entre el O2 y los gases volcánicos reducidos, tales como H2 y H2S, mantuvieron los niveles de oxígeno en la atmósfera en niveles mínimos, formando H2O y SO4, respectivamente. El proceso duró el tiempo que los volcanes de la Tierra estuvieron en su mayor parte activos bajo el océano, durante el Arcaico, ya que las bajas temperaturas del fondo oceánico promovían la expulsión de una mayor proporción de gases reducidos. Una vez que los continentes se formaron y se puso en marcha el régimen tectónico global actual, en el Proterozoico, los gases emanados por los volcanes presentes en la corteza continental fueron menos reducidos, con predominio del CO2, y por lo tanto perdieron su capacidad de consumir oxígeno (Figura 2).
Historia de la oxigenación...
Figura 2: Historia de la oxigenación de la atmósfera de la Tierra propuesta
por Kump y Barley (2007)
Sin embargo, otros investigadores discuten los resultados de Kump y Barley. Algunos afirman que la fotosíntesis oxigénica apareció hace unos 3.700 millones de años, basándose en estudios realizados sobre isótopos de carbono y en el análisis de estromatolitos (tapetes microbianos fosilizados, Figura 3), aunque estos datos no están universalmente aceptados. Sí es posible que la aparición del O2 en la atmósfera sucediera hace, al menos, 2.500 millones de años, como avalan los resultados de dos grupos independientes. Por un lado, el grupo de Ariel Anbar (Arizona State University) ha analizado sedimentos de un kilómetro de profundidad de Australia Occidental, cuya antigüedad es de más de 2.500 millones de años, el Arcaico final (Figura 4). El estudio de las cantidades de metales traza en tales sedimentos, como el Molibdeno, el Rhenio y el Uranio, dependientes de la cantidad de oxígeno presente en su entorno, ha confirmado la presencia de O2. El oxígeno en los océanos someros y posiblemente en la atmósfera aceleró la tasa de disolución de minerales con azufre en el fondo de los mares y en los continentes, tales como la molibdenita (MoS2), que son importantes para definir el contenido de Molibdeno y Rhenio en las rocas ígneas y metamórficas de la corteza. El Molibdeno y el Rhenio liberados de esta forma se acumularon y enriquecieron los sedimentos oceánicos. Estos sedimentos, además, contienen escaso Uranio. El Uranio en la corteza terrestre forma parte principalmente del feldespato, el zircón y la apatita, pero no de los minerales con azufre, por lo que la tasa de liberación del Uranio de las rocas apenas se ve afectada por la oxigenación, al revés que el Molibdeno o el Rhenio. De hecho, el Uranio se moviliza con mucha mayor dificultad que el Molibdeno o el Rhenio a bajas concentraciones de O2.
Estromatolitos precámbricos
Figura 3: Estromatolitos precámbricos en Siyeh Formation,
Glacier National Park, USA. (NPS)
Mount McRae Shale
Figura 4: Mount McRae Shale, en Hamersley Basin, Pilbara, Australia noroccidental. (Glenn Archer)
El otro grupo, liderado por Alan Kaufman (University of Maryland) ha analizado los isótopos de azufre en los mismos sedimentos y en otros de la misma edad en Sudáfrica, determinando valores negativos para el 34S y positivos para el 33S. Estos valores implican la operatividad de sulfato-reducción microbiana con elevado fraccionamiento isotópico. Además, los valores positivos del 33S reflejan la incorporación de azufre fotolítico reducido. La única forma de explicar ambos descubrimientos es asumir un ciclo oxidativo del azufre global y posiblemente permanente, en una columna de agua estratificada en cuanto a la concentración de O2, presente hace más de 2.500 millones de años por primera vez en la historia de la Tierra.
 
 
San Francisco (California), EEUU, 12 de Octubre de 2007.
 
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