El oxígeno ¿convirtió a la Tierra en una bola de nieve?

En la actualidad el oxígeno constituye el 20% de la atmósfera de nuestro planeta. La Tierra ha sido colonizada por bacterias, algas y plantas que expulsan oxígeno como “desecho” del proceso de la fotosíntesis, y el oxígeno, a su vez, ha tomado posesión de nuestros océanos y nuestra atmósfera. Pero esto no siempre fue así: cuando la Tierra era muy joven no existían esos organismos productores de oxígeno, y cuando aparecieron les costó un tiempo hacerse notar. Su irrupción en el tablero de la vida dio lugar a una revolución a la que llamamos la Gran Oxigenación: la química del planeta cambió, y probablemente muchos organismos que no sabían convivir con el oxígeno se extinguieron. Pero ¿cuánto duró este proceso y cuáles fueron sus consecuencias? Sobre eso tenemos pistas, pero nos falta todavía la mayoría de los detalles.

Uno de esos “detalles” es la posibilidad de que la aparición del oxígeno tuviera efectos catastróficos en el clima de nuestro planeta: las primeras glaciaciones de la historia de la Tierra aparecen precisamente en esta época, y alguna de ellas pudo cubrir el planeta de hielo desde los polos hasta el ecuador. Un artículo, publicado hace unas semanas en la revista Nature, parece ligar definitivamente estos eventos con el oxígeno de la atmósfera.

Escrito en hielo y roca

Los primeros indicios de que el oxígeno pudo producir un enfriamiento del planeta se limitaban a una coincidencia en el tiempo: a grandes rasgos, la Gran Oxigenación coincidía con un grupo de cuatro glaciaciones preservadas en rocas de Canadá: las glaciaciones huronianas. La época es entre hace 2400 y 2200 millones de años, y las rocas no conservan hielo de esa época, desde luego. Lo que queda son una serie de estratos en los que se mezclan piedras de diversos tamaños, fuertemente desordenadas. Esos depósitos son típicos de los glaciares, que arrastran todo lo que encuentran y lo depositan al final de su recorrido. A lo largo de esos 200 millones de años hubo cuatro episodios en que los glaciares depositaron ese tipo de conglomerados en las rocas canadienses.

Pero no era sólo en Canadá donde aparecían esos depósitos de origen glacial. Rocas de edades parecidas en Sudáfrica y Australia mostraban pistas similares de la acción de los hielos. Y estas otras rocas tenían una peculiaridad: en aquella época, lo que hoy es Sudáfrica estaba situada casi en el ecuador. Esto sugería que en al menos una de estas cuatro glaciaciones los glaciares no se habían limitado a los polos y las latitudes medias. A esta situación, en que casi todo el planeta pudo estar cubierto de hielo, la llamamos Tierra bola de nieve. La evidencia en este sentido es, como vemos, escasa, pero difícil de ignorar.

Bien, en este punto hemos identificado estas glaciaciones del pasado remoto pero ¿qué hay del oxígeno? ¿Cómo sabemos que esto coincidió con la aparición del oxígeno, si éste está en la atmósfera y no en las rocas? En esto estamos de suerte, porque el oxígeno no es precisamente un gas que pase desapercibido.

El rastro del óxido

Es verdad que ya no tenemos acceso a la atmósfera de hace 2400 millones de años, pero por fortuna esa atmósfera tuvo contacto con los minerales, y a eso sí tenemos acceso. Los minerales sometidos a una atmósfera oxigenada se oxidan, y pueden permanecer así hasta nuestros días. Así pues, una primera forma de localizar el oxígeno en las atmósferas del pasado es buscar suelos oxidados, o sea, rocas formadas por material que estuvo expuesto al aire, a las que les podemos preguntar si estuvieron o no en contacto con el oxígeno.

Este método nos arroja unos resultados difíciles de interpretar: vemos que los suelos anteriores a hace 2400 millones de años están todos reducidos –o sea, desprovistos de oxígeno–, y los posteriores a hace 2200 millones de años están oxidados, ‘sandwicheando’ de forma casi perfecta las cuatro glaciaciones huronianas. Pero algunos suelos intermedios, entre glaciación y glaciación, están también oxidados, dejando abierta la pregunta ¿cuándo apareció realmente el oxígeno? ¿Fue al principio de este periodo o en un momento intermedio? ¿Tuvo alguna relación con las glaciaciones, si algunas pudieron producirse con atmósferas oxigenadas, y otras todo lo contrario?

El estudio de los suelos no puede responder a estas preguntas, porque entre las rocas disponibles no hay tantos suelos: muchas se depositaron en fondos marinos o en lechos de lagos. Pasa tanto tiempo entre un suelo y el siguiente que la “brocha” que este método nos ofrece es demasiado gruesa y no podemos ver los detalles de lo que ocurre entre glaciación y glaciación. Si queremos entender lo que ocurrió necesitamos un pincel más fino.

Ozono y azufre

Ese pincel nos lo proporciona el azufre, una sustancia que no es muy abundante en la atmósfera ni ahora ni en el pasado, pero que está continuamente presente en pequeñas cantidades porque las erupciones volcánicas emiten diversos tipos de gases sulfurosos. Una vez en la atmósfera, una variedad de procesos químicos lleva el azufre a los océanos y allí se deposita en forma de minerales. La ventaja que el azufre tiene y otros no es que de azufre tenemos varios isótopos, átomos muy similares que sólo se diferencian por su masa. Está el azufre-32, el más abundante, que tiene 16 protones y 16 neutrones; el azufre-33, que con 16 protones y 17 neutrones es un 3% más pesado que su hermano; el azufre-34, que tiene otro neutrón más y es un 6% más pesado; y finalmente el azufre-36, que es un 12% más pesado que el 32.

Todas estas variantes del azufre son químicamente idénticas, pero se diferencian en que algunas son más pesadas y otras más ligeras. Esto quiere decir que aunque su química sea la misma, algunas van a reaccionar más fácilmente que otras. La razón es sencilla: los azufres más ligeros se moverán más rápido que los pesados. Quizá un azufre-36 se encuentre con una sustancia con la que podría reaccionar, pero al ir más lento no logra acercarse lo suficiente y no puede reaccionar. El azufre-32, en cambio, no sólo llega con más energía, sino que también se mueve más rápido de un sitio a otro y tiene más probabilidades de reaccionar. Así, aunque en principio los cuatro azufres son químicamente iguales, en la práctica hay pequeñas diferencias entre la capacidad de reaccionar de uno y otro.

Estas diferencias se deben a que se mueven a velocidades diferentes, y a su vez esto tiene que ver con que tienen masas distintas; por eso se suele hablar de diferencias dependientes de la masa. Pero no toda la química es dependiente de la masa: hay algunas reacciones en las que la masa es poco importante, y para esas reacciones los cuatro azufres son muy parecidos. Un ejemplo es la ruptura de una molécula por el impacto de un rayo ultravioleta: esto tiene más que ver con la energía del rayo ultravioleta que con la masa del azufre, así que en este caso hablamos de reacciones independientes de la masa.

Os preguntaréis qué demonios tiene que ver esto con las glaciaciones y con el oxígeno en la atmósfera, y ahora ya estamos en condiciones de explicarlo. Las diferencias químicas entre los diversos isótopos de azufre se quedan “congeladas” en las rocas, y nos pueden servir para deducir bajo qué condiciones se depositó ese azufre en el fondo del mar. En condiciones normales las que dominan son las reacciones dependientes de la masa, y lo que vemos en los minerales es una proporción entre los diferentes azufres estrictamente relacionada con su masa. Pero cuando las condiciones son propicias y “se encienden” las reacciones independientes de la masa, vemos que esa estricta proporción se quiebra, se difumina. Observando las cantidades de los diferentes azufres podemos deducir cuáles eran las condiciones de la atmósfera y el océano en el pasado.

Y ahora el giro final: el oxígeno está íntimamente relacionado con las reacciones independientes de la masa. Éstas se producen cuando hay abundantes rayos ultravioleta, y una atmósfera con oxígeno tiene un “escudo” contra los rayos ultravioleta: la capa de ozono. El ozono es una molécula formada por tres átomos de oxígeno, y basta una cantidad pequeña de oxígeno en la atmósfera para formar una capa de ozono eficaz. Así pues, lo tenemos claro: un mineral con proporciones de azufre independientes de la masa se formó en una atmósfera con rayos ultravioleta, y por lo tanto, sin oxígeno.

La caza del isótopo

Los primeros veinte años del siglo XXI han visto un gran interés en estudiar los isótopos del azufre para establecer con precisión cuándo apareció el oxígeno en nuestro planeta. La receta es sencilla: minerales con proporciones de azufre dependientes de la masa se depositaron en una atmósfera oxigenada; si la proporción es independiente, la atmósfera no tenía oxígeno. ¿Qué puede decirnos esto sobre la relación entre el oxígeno y las glaciaciones?

Esencialmente el azufre, mucho más abundante que los suelos expuestos al aire, nos puede contar mucho mejor la historia de esos 200 millones de años. Y, como los suelos ya anticipaban, es una historia más complicada de lo que esperábamos. Lo que vemos es que 100 millones de años antes de la primera glaciación no parece haber oxígeno en la atmósfera, o al menos no hay suficiente para bloquear los rayos ultravioleta. A lo largo de esos 100 millones de años los niveles de oxígeno van subiendo, pero sin llegar a oxigenar la atmósfera por completo. Entonces llega la primera glaciación, y cuando termina vemos que las proporciones de azufre no son consistentes ni con una atmósfera totalmente oxigenada ni con una desprovista de oxígeno: probablemente lo que está ocurriendo es que el oxígeno fluctúa violentamente durante otros 100 millones de años, sin decidirse por un estado o por otro. Durante ese tiempo llegan también la segunda y la tercera glaciaciones. El relato hasta ahora establecía que a partir de la tercera glaciación el oxígeno se volvía abundante y que la cuarta glaciación sucedía en una atmósfera oxigenada.

Ese relato se ha roto con el artículo publicado por Simon Poulton y colaboradores en la revista Nature. Gracias a un análisis detallado del azufre en rocas de Sudáfrica, este grupo ha establecido que el oxígeno también fluctuó fuertemente entre la tercera y la cuarta glaciación, y sólo fue después de ésta cuando se estabilizó y la atmósfera pasó a estar permanentemente oxigenada. En definitiva, este grupo ha establecido que la Gran Oxigenación fue un proceso muy largo, de más de 200 millones de años, y que las cuatro glaciaciones huronianas están ligadas a fuertes cambios en el oxígeno atmosférico. Ahora sí podemos decir que entendemos con cierto detalle la atmósfera durante este convulso periodo.

Motivo, medio y oportunidad

Por desgracia, lo que no podemos decir es que entendamos bien a qué se debieron las glaciaciones huronianas. Es cierto, ahora hemos establecido que el oxígeno no fue estable durante todo ese periodo, y es difícil de comprar que eso no haya tenido nada que ver con las glaciaciones. Pero ¿de qué manera? ¿Y por qué la primera glaciación transcurrió en unas condiciones esencialmente reductoras, mientras que la cuarta empezó y terminó en condiciones esencialmente oxidantes?

No tenemos buenas respuestas para ninguna de esas preguntas. El panorama general de la Gran Oxigenación es que la atmósfera inicial era rica en metano, que es un gas que produce un fuerte defecto invernadero, y que con la llegada del oxígeno el metano se oxidó a dióxido de carbono, que también produce efecto invernadero, pero en menor medida. Así, la Tierra habría pasado de tener un gas “que la calentaba mucho” a otro “que la calentaba, pero menos”. Este efecto podría haber desencadenado alguna glaciación. Pero ¿por qué cuatro?

Para responder a esta pregunta necesitaremos conocer detalles sobre la Tierra de hace 2400 millones de años que aún desconocemos. Probablemente la transformación del metano en dióxido de carbono ocurrió, y con toda seguridad eso enfrió el planeta por debajo de algún umbral de ésos que pueden desencadenar un cambio climático. Pero quizá la glaciación afectó a los seres productores de oxígeno, permitiendo que se acumulara de nuevo el metano, o tal vez afectó positivamente a otros seres productores de metano. En este punto, todo es especulación. Es posible incluso que la última de las glaciaciones terminara por el impacto de un gran asteroide.

En este punto hemos logrado establecer que el sospechoso estuvo en el lugar del crimen y que tenía el medio y la oportunidad para actuar. Pero el misterio de las glaciaciones huronianas y su relación con el oxígeno sigue siendo un caso abierto.

QUE NO TE LA CUELEN

• Cuanto más se remonta un enigma en el tiempo, más difícil es de resolver. En el caso de la Gran Oxigenación tenemos el problema de que hay pocas rocas de esa época, y cada lugar nos cuenta una versión ligeramente diferente la historia. Recomponer el puzle de cómo se llenó de oxígeno nuestra atmósfera está siendo un trabajo intrincado, y eso sin entrar en que no sabemos casi nada sobre cómo eran los seres vivos de esa época.
• Aunque la notación oficial es hablar de procesos dependientes e independientes de la masa para los isótopos de azufre, lo cierto es que no hay ninguno realmente independiente. Sería más correcto hablar de “dependientes de acuerdo a una fórmula sencilla” y “dependientes de forma complicada”, pero eso sería, quizá, hilar demasiado fino.

REFERENCIAS

• Simon Poulton et al. A 200-million-year delay in permanent atmospheric oxygenation. Nature, vol. 592, pp. 232–236 (2021)
• Alan Kazlev et al. The Paleoproterozoic Era. Palaeos, Life through Deep Time (2009)
• Alexander Pavlov y James Kasting. Mass-Independent Fractionation of Sulfur Isotopes in Archean Sediments: Strong Evidence for an Anoxic Archean Atmosphere. Astrobiology, vol. 2, nº 1, pp. 27–41 (2002)
• Birger Rasmussen et al. Correlation of Paleoproterozoic glaciations based on U–Pb zircon ages for tuff beds in the Transvaal and Huronian Supergroups. Earth and Planetary Science Letters, vol. 382, pp. 173-180 (2013)