Origen de la atmósfera, la hidrosfera y el oxígeno

De una atmósfera a otra: la liberación de gases volcánicos

La Tierra se formó hace unos $4.54 \times 10^{9}$ años. Su primera atmósfera, hecha sobre todo de hidrógeno y helio de la nebulosa solar, era tan ligera que el calor y el viento solar se la llevaron al espacio.

La atmósfera que vino después se formó desde adentro del planeta. El interior de la joven Tierra estaba muy caliente y tenía gases atrapados en el magma. Los volcanes, mucho más numerosos y activos que hoy, los soltaron a la superficie. Este proceso se llama liberación de gases volcánicos (outgassing).

Los gases principales fueron:

Lo que no había es oxígeno libre ($\text{O}_2$). Ningún proceso de la Tierra primitiva lo producía en cantidades importantes.

Parte del $\text{CO}_2$ se disolvió en los océanos y reaccionó con calcio y magnesio para formar carbonatos (como la caliza), que se depositaron en el fondo y quedaron guardados en la geosfera. Así el $\text{CO}_2$ de la atmósfera fue disminuyendo con el tiempo.

¿Cómo sabemos que no había oxígeno? Las rocas sedimentarias de más de 2,400 millones de años contienen granos de minerales como la uraninita ($\text{UO}_2$) y la pirita ($\text{FeS}_2$). Con oxígeno en el aire, estos minerales se oxidan y se destruyen antes de depositarse; que sobrevivieran como granos en ríos y playas indica que casi no había $\text{O}_2$ en la atmósfera.

El origen del agua: océanos e hidrosfera

Con tanto vapor de agua en el aire y una superficie que se enfriaba, ocurrió algo inevitable. Cuando la superficie se enfrió por debajo del punto de ebullición del agua (que era mayor que $100\,^\circ\text{C}$ porque la presión atmosférica era mucho mayor que la de hoy), el vapor se condensó. Cayeron lluvias enormes durante miles de años y llenaron las cuencas más bajas. Así nacieron los primeros océanos y la hidrosfera.

Hoy la mayor parte del agua líquida de la Tierra está en la hidrosfera, en los océanos (cerca de 97%).

¿De dónde vino tanta agua? Hay dos fuentes principales:

Ninguna de las dos explica todo por sí sola. Los volcanes no parecen haber aportado toda la cantidad de agua actual, y las mediciones en cometas muestran que muchos tienen agua con una composición química (proporción de hidrógeno pesado) distinta a la del océano. Por eso los científicos piensan que fue una combinación, y todavía se debate en qué proporción.

Las cianobacterias y la fotosíntesis

Hace unos 3,500 millones de años ya había vida en los océanos. Entre los primeros organismos estaban las cianobacterias, que usaban luz solar para fabricar su alimento. Este proceso es la fotosíntesis, y su subproducto es el oxígeno:

Las materias primas (reactivos) son dióxido de carbono y agua. Fíjate en una conexión importante: el $\text{CO}_2$ que venía de los volcanes fue justo la materia prima de la fotosíntesis.

Muchas cianobacterias formaban colonias que atrapaban sedimento en capas. Esas estructuras son los estromatolitos. Quedaron fosilizados y se siguen formando hoy en Shark Bay (Australia).

La evidencia: hierro bandeado y el Gran Evento de Oxidación

Las cianobacterias empezaron a producir oxígeno, pero la atmósfera no se llenó de él enseguida. ¿Por qué? Porque en los océanos primitivos había mucho hierro disuelto ($\text{Fe}^{2+}$). El oxígeno reaccionó con ese hierro y formó óxido de hierro, que no se disuelve y se hundió al fondo:

Capa tras capa, esto formó las formaciones de hierro bandeado (banded iron formations, BIF): rocas con franjas rojizas de óxido de hierro alternadas con franjas grises. Se formaron entre 2,500 y 1,800 millones de años atrás. Las minas de hierro del lago Superior, en Minnesota y Míchigan, se explotan en rocas de este tipo.

Qué nos dicen las BIF:

• El oxígeno se produjo en el océano, en aguas poco profundas con cianobacterias.

• Se produjo antes de acumularse en la atmósfera: el hierro lo "absorbió" primero, como una esponja.

• Cuando el hierro disuelto se agotó, el oxígeno sobrante empezó a escapar a la atmósfera. Esto se llama el Gran Evento de Oxidación (Great Oxidation Event), hace unos 2,400 millones de años.

Un planeta transformado: efectos en todos los sistemas

El oxígeno cambió las cuatro esferas de la Tierra. Es un ejemplo perfecto de cómo los sistemas interactúan:

La capa de ozono merece mención: bloquea gran parte de la radiación ultravioleta (UV) dañina. Con ella, la vida pudo ir de a poco a aguas someras y, mucho después, a tierra firme.

El aumento tampoco fue tan simple como "más y más":

• Subió con altibajos durante cientos de millones de años, no de forma constante.

• Para muchos organismos anaerobios fue una catástrofe: el oxígeno era tóxico para ellos.

• A cambio, la respiración aeróbica libera mucha más energía que la que se obtiene sin oxígeno, lo que hizo posibles las células eucariotas grandes y complejas, y mucho más tarde, los animales.

Cómo escribir una respuesta CER

Para preguntas como "¿cómo cambió la vida la atmósfera?", usa CER:

Vuelve al principio: el aire que respiras no vino de la primera atmósfera. Se formó por los gases volcánicos y, sobre todo, por miles de millones de años de fotosíntesis. El agua de los océanos llegó de los volcanes y de cometas y asteroides.

Resumen

• La primera atmósfera (hidrógeno y helio) se perdió; la segunda se formó por la liberación de gases volcánicos: vapor de agua, $\text{CO}_2$ y $\text{N}_2$, sin oxígeno libre.

• Al enfriarse la Tierra, el vapor se condensó y formó los océanos. El agua vino de los volcanes y de cometas y asteroides; ninguna fuente sola lo explica todo.

• Las cianobacterias hicieron fotosíntesis: $\text{CO}_2$ + $\text{H}_2\text{O}$ + luz → azúcar + $\text{O}_2$.

• Las formaciones de hierro bandeado y los estromatolitos son la evidencia; el oxígeno reaccionó primero con el hierro y solo después se acumuló (hace unos 2,400 millones de años).

• El oxígeno cambió atmósfera, hidrosfera, geosfera y biosfera: formó ozono, causó extinciones y permitió células complejas.