El Cedazo

En la entrada anterior  de la serie sobre la Biografía de la Vida dejábamos a las bacterias atravesando la procelosa frontera entre los eones Arcaico y Proterozoico. No por ello lo hacía con paso titubeante ¡todo lo contrario! ¡Unos seres que llevan sobre el planeta unos 4.000 millones de años no tendrían nada de débiles ni de indecisos!

Y aquí los tenemos en el nuevo eón, el Proterozoico. Duró desde hace 2.500 millones de años hasta hace 542, un 45% de la vida de la Tierra. Su nombre viene del radical griego protero-, que da significado de anterior o antiguo, y de la palabra griega zoicos, vida.

Hasta el nacimiento de este eón, la Tierra se había ido preparando meticulosamente para llevar a cabo una larga y exitosa travesía. Se había apaciguado el torbellino energético de sus inicios y los abundantes cratones se encontraban preparados para comenzar su aventura continental. El oxígeno estaba iniciando su expansión en la atmósfera y la vida bullía en busca de nuevas formas y oportunidades. Todo llevaba un ritmo de crucero para comenzar el gran laboratorio del Proterozoico.

Por eso tocará hablar de cómo las humildes eubacterias recorrieron un camino de adquisición de habilidades, que a la postre les conducirían a formar organismos complejos multicelulares. Estas habilidades entran de lleno dentro del mundo de la Biología y para comprenderlas se va a hacer necesario el profundizar en algunas materias claramente teóricas, como la genética, la división celular o la herencia. No obstante me atrevo a asegurar el que es harto entretenido adentrarse en los vericuetos de estos temas por lo que siempre tienen de sorprendente. Lo veremos en esta entrada y sucesivas.

Hoy conoceremos el escenario, como hemos hecho al presentar a los eones anteriores, para finalizar introduciendo el gran avance de diseño en las formas de los organismos vivos: la célula procariota se transforma en la célula eucariota.

El oxígeno consigue aparecer en escena

Como ya se ha comentado con anterioridad, uno de los eventos más importantes del Proterozoico fue el aumento de la concentración de oxígeno en la atmósfera de la Tierra. Las cianobacterias lo iban generando, y como ya no estaba sometido a las trampas de los minerales ferrosos, como sucedía durante el Arcaico,^[1] y puesto que los mares habían disuelto un porcentaje elevado de este gas, pasaba directamente a la atmósfera incrementando su población a lo largo de toda la era, de forma que a finales del Proterozoico -hace 540 millones de años- llegó a porcentajes semejantes a los actuales.

El incremento del oxígeno atmosférico fue determinante en los cambios climáticos subsiguientes.

Por su trascendencia y para una mejor comprensión de la evolución del O₂ en la atmósfera, se intercala la figura siguiente, en donde podemos apreciar cómo ha variado su contribución desde inicios del Arcaico hasta el día de hoy. La curva se da en unidades de presión parcial del mismo gas en el conjunto de la atmósfera, mientras que la escala temporal está en miles de millones de años.

Evolución del contenido atmosférico de oxígeno a lo largo de los últimos 3.800 millones de años (Wikimedia, CC  BY-SA 3.0)

En el periodo 1 no se acumuló oxígeno, ya que el que se generaba era capturado oxidando el azufre y el hierro, al igual que se combinaba con el CH₄ para dar CO₂, que era absorbido por los océanos y que luego pasaría a los organismos vivos. Poco a poco los océanos y sus fondos rocosos absorbían el oxígeno frenando así el ritmo de incorporación en la atmósfera; es el periodo 2. Pasamos al periodo 3 en el que el oxígeno había saturado el océano pasando directamente a la atmósfera en grandes cantidades, aunque su concentración se mantuvo limitada ya que aún debía saturar las tierras emergidas y además iba siendo transformado por la radiación ultravioleta en la alta atmósfera dando lugar a la formación de la capa de ozono. A partir de hace unos 850 millones de años el oxígeno se acumula en la atmósfera hasta alcanzar el nivel actual (periodo 4).

El propio oxígeno cambió la composición de la atmósfera. Ayudado por la radiación ultravioleta barrió al amoniaco y al metano, que se transformaron en nitrógeno molecular y dióxido de carbono respectivamente, provocando con ello que nuestra atmósfera se aproximara a un patrón posiblemente muy parecido al de los planetas Marte o Venus. La amenaza fue conjugada en gran medida por las mismas cianobacterias que la habían producido, que permanecieron al quite del abundante CO₂ gracias a su laboriosa fotosíntesis. A ellas les debemos, pues, los hermosos colores azules de nuestro cielo y nuestro mar.

Además el oxígeno le prestó un buen empujón a la Vida. En aquellos momentos, y aún más que con respecto a ahora, dada la mayor cercanía del Sol,^[2] desde el exterior llegaba con gran intensidad la radiación ultravioleta de alta frecuencia, que a pesar de ser una de las fuentes energéticas más importantes para el planeta producía unos efectos dañinos en la Vida que pululaba por los mares, que no podía asomar la cabeza dado el alto riesgo de quedar achicharrada. Como ya hemos comentado, gracias al oxígeno se formó la capa de ozono en los estratos altos de la atmósfera, a través de un proceso por el que, gracias al empujón energético de las radiaciones ultravioletas, se iban disgregando alguna de las moléculas de oxígeno dejando un par de átomos superreactivos. Cada uno de ellos se unía rápidamente con un O₂ para dar una nueva combinación, materializada en una sola molécula de tres átomos, el O₃.  El ozono de la estratosfera, a su vez, era capaz de absorber casi el 100% de la radiación que le llega. Todos estos procesos de absorción de radiaciones luminosas de alta frecuencia fueron equivalentes a la creación de un paraguas protector que permitió a la Vida poder abandonar el blindaje que proporcionaban las aguas, salir más tarde a tierra firme e iniciar así la expansión y la complejidad.

Y no podemos seguir adelante sin hablar de otro efecto beneficioso producido por la capa de ozono. Al filtrar en un porcentaje tan elevado a las radiaciones ultravioletas, éstas no llegaron en abundancia a la superficie de los mares. ¿Por qué fue esto tan importante? Porque antes del oxígeno, cuando sí llegaban con toda su intensidad, producían la rotura de las moléculas de agua de los océanos, desperdigándose sus componentes, oxígeno e hidrógeno, por la atmósfera. El oxígeno quedaba fijado al oxidar la tierra mientras que el ligero hidrógeno habría escapado al espacio. Hubiera sido muy posible que la pérdida de agua fuera muy grande, por lo que, por un segundo motivo el oxígeno, o mejor dicho, el ozono, nos alejó de un futuro marciano.

Gracias al oxígeno la Vida pudo evolucionar hacia organismos más grandes, ya que el metabolismo que se apoyaba en él como último receptor de electrones en las cadenas de obtención de energía, lograba ser hasta diez veces más eficiente que cuando se apoyaba en otras moléculas. No en vano el oxígeno, tras el flúor, es el elemento con mayor poder oxidante. Ello supuso que en cada salto de la cadena trófica, de predado comido a predador comedor, el aprovechamiento del alimento pudiera ser diez veces superior. De esta manera, dada una cantidad determinada de nutrientes de base, su aprovechamiento podía alcanzar a un mayor número de organismos en la pirámide de la Vida, pudiendo estos acometer funciones cada vez más complejas apartándose cada vez más de la simplicidad bacteriana.

Pero dejemos el canto de alabanza a nuestro “padre” oxígeno y volvamos a la cotidianidad de los acontecimientos.

De los pequeños cratones a los megacontinentes

En aquellos momentos la litosfera estaba fragmentada en escudos que se movían flotando sobre materiales inferiores más densos. Se estaba consolidando por primera vez este fenómeno que ha durado hasta la actualidad: la tectónica de placas y consiguiente deriva continental. Durante este eón se produjo una acreción continental rápida y masiva, ciclos de supercontinentes, presentando una gran dinámica tanto de movilidad como de fragmentación y reagrupamiento. Eso hacía que durante los movimientos de acercamiento o separación, en los momentos en que las placas emergidas estuvieran relativamente cerca, fueran creándose plataformas continentales con espacios de aguas someras y cálidas, en donde la vida tenía que ser prolífica. De hecho la geología ofrece evidencias de plataformas continentales de hace 1.500 millones de años.

También debido a esto, en el Proterozoico se generaron muchos estratos que fueron depositados en los extensos mares epicontinentales de aguas superficiales. Por otro lado, en consonancia con el enfriamiento interno del planeta y la inherente “tranquilidad” geológica, las antiguas rocas magmáticas y depósitos sedimentarios de aguas profundas del Arcaico  se fueron transformando, modificándose hacia estructuras que corresponden a rocas metamórficas y sedimentarias: de las volcánicas komatitas y las formaciones de hierro bandeado del Arcaico se pasó a los carbonatos y cuarcitas del Proterozoico.

En la frontera entre el Arcaico y el Proterozoico los océanos que aún dominaban la superficie del planeta estaban siendo ocupados por el continente Kenorland que ya conocemos de inicios por una entrada anterior.^[3] Ya hemos comentado que el incremento del oxígeno atmosférico facilitó la oxidación del metano. El resultado es que por cada molécula de CH₄ aparecía una de CO₂. Como este último, el dióxido de carbono, provoca un menor efecto invernadero que el primero, el metano, la Tierra entró en un periodo de intensas glaciaciones, cuyo principal exponente fue la glaciación Huroniana de hace unos 2.300 millones de años. No se sabe muy bien qué es lo que pudo desencadenar los acontecimientos que llevaron a su fin, pero posiblemente fue un nuevo episodio generalizado de vulcanismo.

Los cratones que salieron de la glaciación eran tremendamente activos e iban formando ya lo que podríamos llamar grandes continentes, los que iban a conformar los actuales por deriva sobre el magma. El continente Atlántica que consolidaba lo que hoy es el este de Sudamérica con el oeste africano, se estabilizó en el entorno de hace 2.100 millones de años. Un poco más tarde (hace unos 1.800 millones de años), en el norte hacía lo mismo el continente Nena (acrónimo de Norte de Europa Norte de América).

En sus derivas se daban épocas de unión, con grandes océanos y mares internos someros, y épocas de dispersión. Las colisiones continentales originaron importantes orogenias (formación de montañas). Era el preludio de los futuros supercontinentes, aquellos que llegaron a reunir a todas las tierras emergidas de su momento, factor que, como veremos más tarde, condicionó en gran medida la climatología de la Tierra y la evolución de la Vida. Parece casi imposible imaginar, viéndolo desde hoy en día,  cómo podemos estar seguros de estos movimientos geodinámicos. Pero un simple análisis geológico sobre distintos continentes hoy en día separados, evidencia en ellos un claro alineamiento de las cadenas montañosas que surgieron como consecuencia de aquellos plegamientos; como también lo evidencia la coincidencia de estratos geológicos similares en estas zonas. También los datos paleomagnéticos –resultado de la deriva magnética de los minerales magmáticos solidificados en el momento de la orogenia- permiten asegurar que en aquellos tiempos se pudo producir la reunión de la mayoría de los continentes en un supercontinente.

Posiblemente el primero de ellos fue Columbia, que existió hace entre 1.800 y 1.500 millones de años. Su tamaño se compara al del futuro Pangea, madre de los continentes actuales. Se estima que tendría cerca de 12.900 kilómetros de norte a sur, y cerca de 4.800 kilómetros en su parte más ancha. Según el geólogo John Rogers, de la universidad de Carolina del Norte en Estados Unidos, la costa este de la India estaba unida a Australia y a su vez con Norteamérica  y Canadá. La mayor parte de Sudamérica estaba girada al revés de manera que su borde occidental –actualmente la costa pacífica- se alineó con el este de América del Norte, formando un margen continental que se extendía hasta el sur de Escandinavia.

Posible distribución de tierras durante el continente de Columbia

Con posterioridad, hace 1.100 millones de años, se llegó a formar el súper continente Rodinia, resultado de la fragmentación de Columbia -debido a una época de gran actividad volcánica- y que a su vez se disgregó unos 300 millones de años después. Las grandes tensiones en el choque y subducción de placas durante el proceso de su formación generó la orogenia de Grenville, de hace unos 1.100 millones de años, observable a la vez en diversas y separadas regiones de la geografía actual. El supercontinente Rodinia se comenzó a desmembrar hace unos 750 millones de años. En el mapa siguiente se puede ver la disposición de este continente cuando era una masa de tierra distribuida a través del ecuador, así como las zonas donde se dio la orogenia de Grenville, con la posición que ocupaban entonces las actuales masas continentales.

Rodinia con la simulación de las tierras actuales

Tierra bola de nieve

Por el estudio de los sedimentos de Rodinia, de cuando este continente estaba iniciando su proceso de disgregación, se cree que en esta época se produjo un periodo de intensa glaciación -hace unos 710 millones de años-, durante el cual casi toda la Tierra estuvo cubierta por grandes masas de hielo, alcanzándose temperaturas medias de -50°C. Duró al menos unos diez millones de años. La Tierra surcaría entonces el espacio como una gran bola blanca de hielo, de ahí su evocador nombre: al periodo se le conoce como “Tierra bola de nieve”. Hay evidencias geológicas de una nueva glaciación 75 millones de años después, en las que los glaciares llegaron a ocupar posiciones ecuatoriales.

¿Cuáles pudieron ser las causas? El incremento del oxígeno atmosférico, como ya hemos comentado, indujo una desviación del contenido atmosférico de metano a dióxido de carbono, con la consiguiente debilitación del efecto invernadero y la caída de las temperaturas. La disposición espacial de Rodinia, que formaba un vastísimo territorio en posición ecuatorial, hacía que la mayoría de las tierras no disfrutaran del efecto moderador de temperaturas que ejerce el océano. La consecuencia de ello fue que las regiones internas de tierra, a excepción de la franja tropical, tuvieran un clima continental extremadamente seco debido a la falta de precipitación y a la vez  extremadamente frío. Los continentes tropicales, además, reflejan mucha más luz solar que los océanos por lo que la reunión de las tierras en una única masa sobre el ecuador habría aumentado el albedo en el planeta.^[4] Todo ello pudo haber iniciado el proceso de glaciación que se fue realimentando a medida que la cantidad de nieve y hielo aumentaba sobre la superficie, circunstancia que a su vez volvía a incrementar el albedo, reforzando la situación de glaciación.^[5]

Se cree que la salida de este episodio se debió, paradójicamente, a la propia situación de bola de nieve unido a la actividad volcánica que en aquellos momentos, en que Rodinia se iba disgregando, debió ser importante. La capa de hielo sobre los océanos y las tierras había roto el ciclo del carbono impidiendo que el CO₂ fuera capturado por los mecanismos habituales en los que participa de forma importante la meteorización de las rocas y la recaptura en forma de minerales carbonatados en el fondo del mar.

Todo ello unido, emisiones volcánicas y menor efecto sumidero, hizo que el dióxido de carbono fuera incrementando paulatinamente su participación en la atmósfera lo que impulsó un crecimiento progresivo del efecto invernadero, que a la fin provocó la fusión de los hielos superficiales. Se pasó en las temperaturas medias del planeta de los -50ºC a los +50ºC.

Los restos de Rodinia se volvieron a reagrupar formando a Panotia hace 650 millones de años. Este nuevo supercontinente ocupaba una posición norte-sur, desde latitudes próximas a los 50º norte hasta el Polo Sur. Hacia el final del Proterozoico, sólo unos 60 millones de años después de haberse formado, comenzó su disgregación.

Panotia con simulación de las tierras actuales. Comparando con el mapa anterior de Rodinia podemos ver la intensidad de las derivas continentales a lo largo de unos 350 millones de años.

La Vida

Éste era el escenario en donde la vida que venía del Arcaico encontró la presión y los incentivos necesarios para su evolución hacia morfologías y funcionalidades más variadas y competitivas, dentro de un nuevo entorno cada vez más  agresivo debido al incremento del oxígeno en la atmósfera.

Al comienzo del Proterozoico las bacterias eran las reinas de la Tierra. Habían ocupado todos los posibles nichos ecológicos de los mares. El agua era necesaria para la vida, aunque también habían desarrollado múltiples estrategias de supervivencia, aprovechando cualquier oportunidad que la química les ofrecía para modelar variados caminos metabólicos. Un mismo patrón fenotípico y biológico se adaptó a la infinita variedad de la naturaleza marina y a las condiciones de su frontera con la atmósfera.

Al final de los casi 2.000 millones de años que duró el Proterozoico seguían ellas, microscópicas e invisibles, dominando la biosfera. Sin embargo, no permanecieron estancadas: se había abierto una ventana hacia la complejidad.

De los ocho hitos de la evolución de la Vida planteados por los reconocidos biólogos y genetistas John Maynard y Eörs Szathmàry, durante este eón se llevaron a cabo tres: El paso de la célula procariota a la eucariota, la aparición de la reproducción sexual y el inicio de los organismos multicelulares.

Nada mejor como colofón de esta entrada que las propias palabras de Maynard y  Szathmary, de su libro “Ocho hitos de la evolución. Del origen de la Vida”:

“Aunque hemos dicho que el origen de las eucariotas es una de las mayores transiciones, realmente fue una cadena de sucesos: la pérdida de la rigidez de la membrana celular, la adquisición de la habilidad de alimentarse de partículas sólidas; el origen de un citoesqueleto interno y de nuevos métodos de locomoción de las células, la aparición de un nuevo sistema de membranas intracelulares, incluyendo la del núcleo; la separación espacial de los procesos de transcripción y de traducción; la evolución del material genético hacia cromosomas con forma de bastón y múltiples puntos en donde se puede iniciar la replicación, con lo que se eliminaban serias limitaciones para el crecimiento del genoma; y finalmente el origen de los organelos de la célula, en particular la mitocondria y, en algas y plantas, los plástidos. De estos avances, al menos los dos últimos los tenemos que calificar como grandes transiciones en el sentido que representan grandes cambios en la manera en la que la información genética se almacena y trasmite”.

Esto es lo que vamos a ver a partir de ahora. En las siguientes entradas vamos a analizar cómo se fueron produciendo cada uno de los avances en la morfología y en las relaciones entre los organismos que habitaron el Proterozoico.

1. Lo explicábamos en la entrada 06 de esta serie “Entramos en el eón Arcaico”. [↩]
2. En este artículo encontramos una explicación de esta sorprendente circunstancia que lo explica en base a la conservación de la cantidad de movimiento angular. [↩]
3. Se trata de la entrada 06 “Entramos en el eón Arcaico” que podéis enlazar aquí. [↩]
4. El albedo es el porcentaje de radiación que cualquier superficie refleja respecto a la radiación que incide sobre la misma. Las superficies claras tienen valores de albedo superiores a las oscuras y las brillantes más que las mates. El albedo medio de la Tierra es del 37-39% de la radiación que proviene del Sol. [↩]
5. En el siguiente enlace podéis ver una interesante simulación realizada por la NASA de lo que pudo pasar en aquellos momentos. Se ha supuesto que la concentración de CO₂ era del 40%, la energía solar recibida un 96% de la actual y un transporte de calor realizado por los océanos reducido a la mitad del de hoy en día. Podemos ver cómo a partir de los polos se va extendiendo la masa de hielos hasta cubrir la práctica totalidad del planeta. [↩]

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