La Tierra «Bola de Nieve»
La primavera está universalmente asociada con el nacimiento, el crecimiento y la fertilidad. Es una época de calidez y renovación después de la frígida inanición del invierno. Por lo tanto, parece que la aparición de animales hace mucho tiempo en la Tierra debería haber sido el resultado de un período prolongado de condiciones cálidas y fértiles, primaverales. Pero información reciente, descubierta por varios científicos sugiere que el nacimiento de la vida animal en la Tierra no se inició por un momento de calor sino, más bien, por el invierno más temeroso que jamás haya sufrido el planeta. Si este fenómeno, conocido como Tierra “Bola de Nieve” (Snowball Earth), está relacionado con los orígenes de la vida animal, ¿Qué significará para la posibilidad de vida animal en otros planetas?
Como se mencionó en entradas previas, la mayoría de los astrobiólogos creen que la temperatura de la Tierra primitiva desde el momento de la primera vida, hace unos 3.8 mil millones de años, hasta el origen de las células eucariotas, hace unos 2.5 mil millones de años, era alta, probablemente demasiado alta para la existencia de la vida animal. Sin embargo, hay otros que sugieren que la Tierra puede haber tenido un «comienzo frío», porque el Sol en ese momento estaba emitiendo mucha menos energía que ahora. Ambos criterios coinciden en que la atmósfera del planeta estaba casi desprovista de oxígeno. Aquellos que creen en un «arranque en caliente» sugieren que gradualmente, a medida que los gases de efecto invernadero en la atmósfera se redujeron en volumen, las temperaturas disminuyeron. Pero la Tierra puede haberse enfriado demasiado (O, si eres de la persuasión del «comienzo frío», no había podido calentarse lo suficiente), al menos a corto plazo. Hay evidencia de hasta cuatro episodios principales de glaciación en una escala que supera con creces cualquier cosa anterior o posterior. Tiempos de frío y hielo que hacen que la última edad de hielo, la época del Pleistoceno de hace 2.5 millones a 10,000 años, parezca un breve chasquido frío.
El primer episodio conocido de la Tierra Bola de Nieve comenzó hace unos 2,450 millones de años, y un segundo asedio prolongado de varios de estos eventos ocurrió entre 800 y 600 millones de años atrás. Estas dos fechas son de gran interés, porque también son los tiempos de los dos eventos más importantes en la historia biológica desde la primera aparición de la vida aquí: hace unos 2.5 mil millones de años aparecieron las primeras células eucariotas, y el registro fósil revela que hace unos 550 millones de años. Hace tiempo, floreció la vida animal diversa y abundante, en el evento conocido como la Explosión del Cámbrico (Eso lo veremos en otra entrada). Quizás sea una coincidencia que estos dos eventos biológicos espectaculares y de gran alcance ocurrieron inmediatamente después de los dos episodios más severos de glaciación y cubierta de hielo en la historia de la Tierra. Pero según una nueva teoría controvertida, ambos pueden haber sido provocados por los episodios de Tierra Bola de Nieve.
Aprisionado en hielo
Las glaciaciones continentales dejan evidencia de su presencia anterior: Una topografía característica en el paisaje, surcos y rasguños causados por el paso de los glaciares sobre roca dura, y (Quizás lo más importante) depósitos sedimentarios reveladores llamados tillitas. Estos últimos son depósitos de fragmentos de roca angular, que fueron transportados y luego abandonados por los glaciares en movimiento. Las glaciaciones recientemente concluidas de hace 2.5 millones a 12,000 años dejaron muchos de estos depósitos en los hemisferios norte y sur. Tales depósitos de tillita también se encuentran en rocas mucho más antiguas. Se han recuperado depósitos gruesos de tillita de dos intervalos diferentes en la historia de la Tierra precámbrica: hace unos 2.4 mil millones de años y durante el intervalo de hace aproximadamente 800 a 650 millones de años.
El aspecto inusual de estas características es que se recuperan de prácticamente todas las regiones latitudinales del globo, lo que muestra que las glaciaciones se extendieron a latitudes ecuatoriales cercanas, en contraste con las glaciaciones más recientes, que se extendieron desde los polos hasta las latitudes medias. Puede ser que ninguna región en la Tierra escapó de la glaciación. Gran parte del planeta estaba cubierto de hielo en estas dos glaciaciones precámbricas que, en 1992, el Dr. Joseph Kirschvink de Cal Tech los denominó eventos de la «Tierra bola de nieve». Muy diferente de las edades de hielo posteriores, eran tiempos en que la Tierra se tambaleaba peligrosamente cerca de volverse demasiado fría para cualquier vida. La teoría de Tierra Bola de Nieve recibió un impulso en agosto de 1998 con la publicación del geólogo de Harvard Paul Hoffman, en Science, de nueva evidencia de que el hielo se extendió a latitudes ecuatoriales cercanas en el Precámbrico tardío, hace unos 700 millones de años.
Las glaciaciones más recientes, las que ocurrieron desde que los esqueletos evolucionaron hace unos 550 millones de años, afectaron solo a las regiones terrestres; A excepción de un aumento en los icebergs, o en la mayoría de las capas de hielo cerca de los continentes, los océanos permanecieron abiertos. Tal vez no haya sido el caso en las glaciaciones precámbricas.
Durante estos dos episodios de «Tierra Bola de Nieve», todos los océanos pueden haber estado cubiertos de hielo a profundidades considerables. Y aunque las regiones más profundas de los mares se mantuvieron líquidas, los icebergs gruesos, o el hielo en bolsas a profundidades de 500 a 1500 metros, pueden haber cubierto el océano. La tierra habría estado realmente fría. Las temperaturas medias de la superficie en el planeta habrían variado entre -50 °C y -20 °C.
Estas temperaturas extremadamente frías habrían tenido una enorme influencia en la superficie de nuestro planeta. Por ejemplo, la meteorización continental se habría ralentizado o incluso detenido. En el interior de los continentes, la cobertura de hielo eventualmente desaparecería (Se evaporaría), tal como lo hace hoy en los valles secos de la Antártida, dejando una superficie de roca estéril. El polvo de estas regiones se expulsaría al mar, lo que haría que la cubierta de hielo de los océanos se volviera marrón debido al material autóctono. Desde el espacio, la Tierra se habría visto blanca y marrón: El blanco es el hielo que cubre los océanos, el marrón es la tierra desnuda.
La presencia del hielo que cubre el mar actuaría como una tapa en una olla. Normalmente, se produce mucho intercambio libre a través de la vasta interfaz del océano y la atmósfera. El agua se evapora del mar al aire y luego llueve nuevamente al mar. Sin embargo, si el mar estuviera cubierto de hielo, el océano y la atmósfera se “desacoplarían”. Los cambios químicos en el océano estarían separados de la atmósfera por la capa de hielo de un kilómetro de espesor en la superficie del océano. Un cambio químico muy drástico podría, y de acuerdo con Kirschvink y otros, ocurrió dentro del mar mismo.
Incluso con la cubierta helada, el volcanismo habría continuado tanto en la superficie de la tierra como a lo largo de las crestas volcánicas del océano medio en los fondos de los océanos del mundo. En estos sitios hoy (Leer ¿Por qué la vida debe estar dispersa en el Universo?), grandes volúmenes de fluidos ricos en metales brotan de estos volcanes submarinos. En un océano cubierto, este material se habría vuelto tóxico, produciendo lo que se conoce como condiciones reductoras. Los océanos habrían comenzado a acumularse con iones metálicos, principalmente hierro y manganeso. Durante 30 millones de años, los glaciares y el hielo nunca relajaron su frígido control sobre la superficie del planeta.
Todo este frío global seguramente habría afectado negativamente la vida en las regiones de aguas poco profundas de todos los océanos del mundo. La biosfera se restringió a un cinturón estrecho alrededor del ecuador y a las aguas termales de aguas profundas y a las configuraciones de ventilación hidrotermal. Quizás algo de vida también sobrevivió en sistemas hidrotermales similares a Yellowstone.
Los astrónomos alguna vez pensaron que el descenso de un mundo previamente cálido a una «casa de hielo» o «bola de nieve» sería irreversible. Su razonamiento fue que a medida que un planeta se cubre cada vez más densamente con hielo, la fracción de luz solar reflejada en el espacio aumenta y el calentamiento solar de la superficie disminuye.
Hoy en la Tierra, la luz solar es absorbida por la tierra y los mares más oscuros, pero se refleja en el espacio por la capa de nubes. Un planeta completamente cubierto de hielo reflejaría la mayor parte de la luz solar en el espacio, haciendo que el planeta se enfríe aún más. Sin embargo, está claro que la Tierra pudo escapar de la congelación profunda, no una sino varias veces. El medio de ese escape fue a través de las emisiones volcánicas de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono a la atmósfera, produciendo un «efecto invernadero».
Efecto Invernadero
Como vimos en la entrada Zonas Habitables del Universo, la temperatura promedio de un planeta se ve muy afectada por los volúmenes de gases de efecto invernadero en su atmósfera. Gran parte de este gas ingresa a la atmósfera de un planeta desde los volcanes en erupción activa. Aunque también hay abundantes erupciones volcánicas en el mar, la mayor parte del dióxido de carbono de estos eventos no llega a la atmósfera. El agua de mar fría puede contener grandes cantidades de dióxido de carbono disuelto, y por debajo de 700 metros, el CO2 se depositará en el fondo del océano a medida que alcanza la saturación en el agua. En la época de “Tierra Bola de Nieve”, eventualmente suficiente CO2 llegaría a la atmósfera para derretir el hielo marino y, al hacerlo, exponer las aguas metálicas del mar a la atmósfera. Hoffman y su grupo estimaron que el tiempo necesario para este «derretimiento» es de entre 4 y 30 millones de años. Con el hielo derretido del mar y las temperaturas nuevamente calentándose, la Tierra habría sufrido cambios espectaculares. Así es como Kirschvink ha descrito estos eventos:
“El «escape” de esta condición de» casa de hielo «solo se logró mediante la acumulación de gases volcánicos, particularmente dióxido de carbono, principalmente de la actividad volcánica submarina. La desglaciación durante el final de estos eventos glaciales debe haber sido espectacular, con casi 30 millones de años de dióxido de carbono, hierro ferroso y nutrientes enterrados durante mucho tiempo que se exponen repentinamente al aire fresco y a la luz solar. Cientos de metros de roca de carbonato se conservan cubriendo los sedimentos glaciales, en todas las latitudes, en todos los continentes, como resultado directo de la actividad fotosintética salvaje. Por un breve tiempo, los océanos de la Tierra habrían sido tan verdes como el trébol irlandés, y los repentinos picos de oxígeno pueden haber provocado la evolución temprana de los animales”.
La fuente más importante de productividad biológica en los océanos de hoy se deriva del crecimiento del fitoplancton, las plantas unicelulares que son los pastos del mar. El crecimiento de estas plantas, tan importante para producir oxígeno, está limitado por la disponibilidad de nutrientes y hierro. Si se deja caer hierro en los océanos de hoy, se produce una gran floración de fitoplancton.
Tal fue probablemente el caso poco después del final del primer evento “Tierra Bola de Nieve”. A medida que los mares cubiertos de hielo comenzaron a derretirse, el fino polvo rico en hierro y magnesio que cubría la superficie del hielo marino habría actuado como fertilizante, estimulando tremendamente el crecimiento de las «algas» de color verde azulado (Bacterias realmente fotosintéticas conocidas como cianobacterias). Enormes poblaciones de cianobacterias habrían coagulado las regiones superficiales de los mares liberados, liberando enormes volúmenes de oxígeno como consecuencia de su actividad fotosintética.
Esta repentina aparición de tanta vida, después de los millones de años de frío y escasez de vida habrían sido una gran revolución, y probablemente estimularon nuevos cambios evolutivos.
Estos eventos habrían tenido profundas ramificaciones geológicas y biológicas. La repentina descarga de oxígeno al mar y al aire habría provocado que los océanos ricos en hierro y manganeso precipitaran óxidos de hierro y manganeso. En entradas previas, vimos cómo los depósitos de hierro en bandas comenzaron a acumularse hace unos 2,500 millones de años. Kirschvink y su grupo argumentan que la aparición de deposición de hierro en bandas ocurrió poco después de que terminara la primera “Tierra Bola de Nieve”. No solo los depósitos de hierro sino también los depósitos de magnesio fueron resultados inmediatos del final del primer evento “Tierra Bola de Nieve”. Se observa evidencia de esto en Sudáfrica, donde el depósito terrestre más grande del mundo de minerales de manganeso se ha fechado en 2.400 millones de años y se encuentra justo por encima de los depósitos sedimentarios que se depositaron (Perdón por la redundancia) durante la “Tierra Bola de Nieve” de 2.5 mil millones de años de antigüedad. Al igual que las formaciones de hierro en bandas, estos depósitos ricos en manganeso parecen ser una consecuencia directa de la floración de oxígeno que se produjo cuando la bola de nieve planetaria se derritió.
El cese de la “Tierra Bola de Nieve” de 2.5 mil millones de años de antigüedad parece haber resultado en un aumento en la cantidad de oxígeno disuelto en el mar y libre en la atmósfera. Probablemente por primera vez en la historia de la Tierra, las porciones del mar iluminadas por el Sol se volvieron demasiado ricas en oxígeno como para permitir que el hierro exista en solución en el agua de mar. Kirschvink y sus colegas sostienen que este cambio dramático en la química del mar habría ejercido una intensa presión evolutiva sobre la vida en la Tierra, entonces no más avanzada que las bacterias procariotas.
El oxígeno, indispensable para la supervivencia de los animales, era en ese momento un veneno para la mayoría de las formas de vida. Habiendo evolucionado en entornos con poco o nada de oxígeno, la mayoría de la vida experimentó la aparición repentina del elemento químicamente reactivo como un desastre global, pero para el resto fue un poderoso estímulo evolutivo. Solo había dos opciones para enfrentar la vida en la Tierra en ese tiempo hace mucho tiempo: Adaptarse a través de la evolución o morir.
Todos los organismos en el mar tuvieron que adaptarse de dos maneras principales. Primero, tuvieron que desarrollar enzimas capaces de mitigar los estragos del oxígeno molecular disuelto y químicos llamados radicales hidroxilo. (Los humanos todavía estamos tratando de hacer esto. Nuestra ingestión de antioxidantes como la vitamina E y la vitamina C es un intento de reducir los efectos devastadores que el oxígeno disuelto y los «radicales libres» tienen en las células vivas). Segundo, con el hierro en bandas al formarse la precipitación del agua de mar, las células vivas ya no habitaban una solución rica en hierro. Después de haber estado rodeada de una solución con alto contenido de hierro desde la primera formación de vida, las proteínas dentro de las células tuvieron que ser rediseñadas para la vida en un ambiente bajo en hierro.
La secuenciación reciente del ADN ha demostrado que varias enzimas encontradas en arqueos y eucariotas quedan de este evento de hace 2.5 mil millones de años. No se produjeron tales enzimas en las bacterias más antiguas. Las implicaciones de esto son profundas: Kirschvink y sus colegas proponen no menos que el rechazo completo de los modelos del Árbol de la Vida que examinamos al final de la entrada Construyendo una Tierra Habitable, que sugieren que los tres grandes dominios (Archaea, Bacteria y Eucarya) surgieron todos poco después de la primera evolución de la vida hace al menos 3.8 mil millones de años. El nuevo estudio no solo ha desarraigado este árbol; Lo ha quemado. Si el equipo de Kirschvink está en lo correcto, dos de los tres dominios, Archaea y Eucarya, surgieron solo después de la “Tierra Bola de Nieve” de 2.5 mil millones de años y, por lo tanto, son mucho más jóvenes que la bacteria. Poco después de esto, en rocas de aproximadamente 2.1 mil millones de años de edad, encontramos un registro del eucalipto con organelos más antiguo, las criaturas conocidas como Grypania, que se mencionaron en la entrada mencionada en este párrafo.
Esta nueva versión del Árbol de la Vida es un descubrimiento científico revolucionario y, de ser cierto, reestructurará por completo nuestra comprensión del camino evolutivo de la vida. Los eventos de la “Tierra Bola de Nieve” pueden considerarse biológicamente importantes de dos maneras. Primero, el inicio de la “Tierra Bola de Nieve” produjo lo que pudo haber sido la «extinción masiva» más grande en la historia de nuestro planeta. La persistencia de temperaturas globalmente heladas, el aislamiento del océano de la luz solar, el cambio en los patrones de precipitación en la Tierra y la eliminación de toda el agua de las superficies de los continentes habrían eliminado la mayoría de los hábitats superficiales disponibles para los microorganismos. Solo en unos pocos lugares pudieron sobrevivir los microorganismos: en la tierra profunda, alrededor de las aguas termales y en depósitos hidrotermales. En segundo lugar, la liberación de la Tierra de esta prisión helada después de 30 millones de años provocó una nueva catástrofe: De frío a calor, de libre de oxígeno a rico en oxígeno. Nuevamente, los organismos tuvieron que adaptarse rápidamente. Es este legado que podemos estar viendo en el ADN de todos los organismos vivos; los que sobrevivieron todos son testigos en su ADN de esta doble catástrofe: primero Frío, luego calor y oxígeno. La vida en la Tierra primitiva pasó por un cuello de botella helado, y salió del otro lado radicalmente cambiado.
La “Tierra Bola de Nieve” de hace 2.5 mil millones de años pudo haberle dado a nuestro planeta eucariotas y la célula eucariota necesaria para la vida animal. La segunda serie de “Tierras Bola de Nieve” (Hubo varias en rápida sucesión) puede haber legado a nuestro planeta un legado biológico aún más interesante: La vida animal tal como la conocemos.
La Segunda Glaciación Global
Como vimos en la Entrada ¿Cómo nacieron los Animales?, en la próxima ronda de eventos de “Tierra Bola de Nieve”, aquellos que abarcan el intervalo de tiempo de hace 800 a 600 millones de años, la vida animal estaba presente en la Tierra, pero se formó recientemente. Simultáneamente o poco después de la aparición de la nueva phyla animal, la Tierra fue nuevamente encerrada en un invernadero mundial. Una vez más, debe haber existido un período de extinción masiva, ya que el planeta cálido se congeló y los organismos de la Tierra amantes del calor tuvieron que retirarse a un oasis de calor, como alrededor de volcanes y respiraderos hidrotermales, o morir. Sin embargo, la gravedad misma de estos eventos puede haber beneficiado a los animales recién surgidos. El gran estrés infligido por las condiciones ambientales impuestas por los eventos de la “Tierra Bola de Nieve” habría estimulado una evolución extraordinariamente rápida entre los animales recién evolucionados. También habría causado el aislamiento de varias poblaciones, porque las pequeñas poblaciones de vida acurrucadas alrededor de los volcanes submarinos habrían quedado aisladas de cualquier intercambio de genes con otros grupos de animales. Este aislamiento puede haber sido en gran parte responsable de la diversidad de phyla que surgió en el otro extremo de estas crisis, ya que cuando terminó el evento final de “Tierra Bola de Nieve”, hace unos 600 millones de años (O quizás menos), un grupo completamente nuevo de criaturas estaba listo para hacerse cargo del planeta. Este es el intervalo cuando la vida animal comenzó a diversificarse dramáticamente, en un evento conocido como la Explosión Cámbrica.
¿Hubiera sucedido esto si las glaciaciones no hubieran ocurrido? Kirschvink y Hoffman sugieren que existe un vínculo causal entre el cese de estas glaciaciones principales y la aparición de animales. Hoffman ha señalado: «Sin estos eventos de hielo, es posible que no haya animales o plantas superiores». Él cree que el derretimiento del hielo al final de estas edades de hielo aumentó la productividad biológica, y en el proceso estimuló la actividad evolutiva. Esta idea aún no se ha confirmado, pero sigue siendo una posibilidad tentadora.
Los dos grandes episodios de “Tierra Bola de Nieve” casi terminaron la vida en la Tierra, tal como lo conocemos. Pero cada uno, en última instancia, puede haber sido crucial para estimular los grandes avances biológicos necesarios para la vida animal: La evolución de la célula eucariota y luego la diversificación de los filamentos animales. Esto nos lleva a preguntarnos si los eventos de “Tierra Bola de Nieve” son necesarios para producir vida animal tan diversa como la que se ve hoy en la Tierra.
El final del último evento de “Tierra Bola de Nieve” puso fin al intervalo de tiempo conocido como Precámbrico. Poco después, abundantes esqueletos de animales más grandes comenzaron a llenar el mar, en la Explosión del Cámbrico. Si los dos grupos de científicos liderados por Joseph Kirschvink y Paul Hoffman están en lo correcto acerca de la “Tierra Bola de Nieve”, se puede argumentar que la vida en la Tierra se debe en cierta medida a estos eventos.
Temperaturas de la Superficie Planetaria y el Surgimiento de la Vida
El descubrimiento de los episodios de la “Tierra Bola de Nieve” sugiere que los eventos inducidos por la temperatura en la historia planetaria pueden afectar profundamente el curso de la evolución biótica. Este argumento quizás puede extenderse no solo a episodios específicos de cambio de temperatura planetaria sino también a valores de temperatura reales a lo largo del tiempo. ¿Podría la temperatura de la superficie planetaria de enfriamiento alcanzar algún valor crítico, que habría sido el estímulo para otros avances importantes en la evolución biológica?
Como vimos en la entrada Zonas Habitables del Universo, la zona habitable se define más comúnmente en términos de la presencia de agua líquida; Por lo tanto, esta definición incluye todo, desde formas de vida capaces de vivir en agua hirviendo hasta aquellas capaces de vivir en hielo o nieve. Puede ser que, durante gran parte de su historia, la Tierra estuvo demasiado caliente o demasiado fría para permitir la aparición de animales. Los ambientes con temperaturas cercanas al punto de congelación o al punto de ebullición del agua están ocupados principalmente por microbios; los animales toleran un rango de temperatura mucho más estrecho. David Schwartzman y Steven Shore han señalado que los organismos eucariotas con mitocondrias (Los orgánulos que convierten el combustible en energía) tienen un límite de temperatura superior para un crecimiento viable de 60 °C. Este límite aparentemente está determinado por la estructura química de la pared mitocondrial. Debido a que los eucariotas evolucionaron de los procariotas, la zona habitable de un planeta se estrecha de la región que permite la presencia de agua (0–100 °C) al rango más estrecho de 0–60 °C. Schwartzman y Shore señalan: “Suponemos que la aparición de formas de vida relativamente simples es casi inevitable en un planeta similar a la Tierra. Tales organismos son notablemente robustos. Sin embargo, la vida compleja requiere un conjunto más restrictivo de condiciones físicas, en particular, temperaturas más bajas «.
Schwartzman y Shore proporcionaron la siguiente lista de las temperaturas superiores críticas para varios organismos en la Tierra.
Schwartzman y otros han propuesto que las temperaturas de la superficie de la Tierra han sido la restricción crítica para la evolución microbiana, determinando el momento de las principales innovaciones. Creen que cuando la superficie de la Tierra se enfrió por debajo de 70 °C hace más de 3.5 mil millones de años, las cianobacterias pudieron evolucionar. Estos microbios colonizaron la superficie de la tierra y, al hacerlo, aumentaron las tasas de meteorización y la formación del suelo. El nuevo suelo a su vez actuó como un sumidero para eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera, lo que provocó un mayor enfriamiento del planeta. Cada innovación entre microbios resultó en la mejora biótica de la meteorización. Este proceso ha sido denominado «enfriamiento superficial mediado biológicamente». Con la evolución de las plantas superiores con sus sistemas de raíces a menudo elaborados, este proceso aumentó en gran medida su eficiencia. Está en el corazón de la «Hipótesis de Gaia», en la que la Tierra se concibe como un «superorganismo» autorregulador, una perspectiva compartida por muchos científicos, incluidos Lynn Margulis, Tyler Volk y el creador del término, James Lovelock. Sigo siendo agnóstico en esta interpretación particular, pero se ve mucho mérito en la opinión de que la aparición de animales puede haber sido fuertemente influenciada por las temperaturas de la superficie, y que la vida misma en este planeta ha tenido un enorme impacto en las temperaturas planetarias.
¿Podría haber alguna forma en que (O cualquier planeta en el que) los animales pudieran evolucionar más rápido que en la Tierra? Los eventos físicos que afectaron a la Tierra inmediatamente antes de la aparición de grandes animales “esqueletizados” se encontraban entre los más complicados de toda la historia de la Tierra. ¿Fue solo una coincidencia o hizo posible la aceleración de la evolución animal? Estas preguntas, y la forma curiosa y dramática en que los principales planes corporales de los animales comenzaron a aparecer de repente en el registro fósil en nuestro planeta hace unos 540 millones de años, son los temas de entradas futuras.