Los conocimientos acerca del importante período de transición entre los 2.000 millones de años y los 700 millones de años antes del presente son escasos.
Si tienes interés sobre la Tierra y quieres conocer la historia de las rocas, hay pocos sitios mejores para haber nacido que Inglaterra o Gales. Mi pequeña isla, que limita con estos dos países, contiene tantos períodos geológicos como un continente. A lo largo de su extensa costa las olas han recortado acantilados y estas paredes de roca muestran sus estratos diseccionados como en un diorama de museo. Acostumbraba a pasar mis vacaciones infantiles en un lugar llamado Chapman's Pool en la costa del condado de Dorset; allí los acantilados negros y sombríos de los esquistos de Kimmeridge se encuentran moteados por ammonites y otros fósiles, blancos como la nieve.
A medida que uno se mueve hacia el oeste a través de Inglaterra, las rocas retroceden en la historia; cuando uno llega a Gales, su edad se aproxima a 570 millones de años. Estas rocas antiguas han sido bautizadas como Cámbrico, debido al nombre romano de Gales. Son las más antiguas que contienen fósiles visibles a simple vista sin la ayuda de microscopios. Por supuesto existen rocas más antiguas que contienen microfósiles de bacterias, como las encontradas por Barghoorn y Tyler, pero antes de que existieran los modernos métodos de datación no se estaba seguro de su edad. El período con rocas más antiguas que aquellas que contienen los fósiles visibles se llamó Precámbrico porque era más distante en el tiempo que las rocas cámbricas.
Ahora sabemos que el Precámbrico tiene períodos realmente muy antiguos. Este conocimiento nuevo proviene de la distribución de los elementos radiactivos, uranio y potasio, en estas rocas antiguas, y de sus productos derivados, el plomo y el argón. La desintegración radiactiva es un reloj exacto. Se puede calcular la edad de un trozo de roca midiendo la proporción de uranio y plomo o de potasio y argón.
Otro dato sobre rocas antiguas proviene de la distribución de los isótopos de carbono. Este, junto con el descubrimiento de microfósiles bacterianos en el Arcaico, nos indica que la vida estaba presente en la Tierra desde hace por los menos 3,6 eones. El Precámbrico ahora está cartografiado y dividido en el período Proterozoico, 0,57 a 2,5 eones antes que ahora, y el Arcaico, 2,5 a 4,5 eones antes que ahora. Algunos geó- logos llaman Hadiano al primer período, 4,5 a 3,8 eones.
Como el Arcaico, el Proterozoico era un tiempo en el que los ecosistemas de la Tierra estaban poblados por bacterias (los procariotas). En las zonas anóxicas de los sedimentos seguían viviendo las bacterias arcaicas, pero en el océano ligeramente oxidante y en los sedimentos superficiales se desarrollaron unas células vivientes más complicadas, los eucariotas. Estos son los ancestros de las grandes comunidades de células nucleadas, como los árboles y nosotros mismos.
El Proterozoico todavía es un período enigmático de la historia de la Tierra. Por tanto me siento libre para utilizarlo como base en que desarrollar modelos geofisiológicos de lo que hubiera podido ser. Escribiré este capítulo no como historia sino como un relato de la fisiología de un animal desconocido que vivió hace miles de años y acerca del cual sólo se dispone de una evidencia no mayor que unos pedazos de hueso, exactamente datados a partir de su contenido en isótopos de carbono. Mi interés principal se centra en los procesos geofisiológicos a gran escala que mantenían la Tierra en condiciones constantes y apta para la vida, y en el conocimiento de cómo
operaban. Con los huesos de la Tierra en la mente, consideraré un elemento importante, el calcio, y su papel crucial en todas las cosas vivas, desde nosotros a Gaia. Continuaré dedicando mi atención a aquellos otros elementos importantes, oxígeno, carbono e hidrógeno, con su capacidad de regulación y su efecto sobre él clima. Este capítulo también tratará sobre la geofisiología de los océanos, en particular el difícil problema de si la salinidad total es mantenida sólo por fuerzas químicas y físicas o si es una «maquinación» por parte de Gaia. Aunque el marco de éste capítulo es el Proterozoico, la edad media de la Tierra, la mayoría de aspectos discutidos no son exclusivos de este período, también actuaron en el Arcaico y continúan actuando en el período presente.
Si intentamos empezar en el límite entre el Arcaico y el Proterozoico encontraremos que este límite todavía es discutido. No hay una frontera clara, sólo una tierra de nadie donde los geólogos de campo han colocado sus marcos de acuerdo con su fantasía. El geólogo del Arcaico Euan Nisbet me dice que hay una fecha informalmente aceptada de hace 2,5 eones; aunque algunos prefieren poner la barrera en la fecha marcada por la aparición de una secuencia especial de rocas en Zimbabwe. Así como las fronteras políticas a menudo fallan en circunscribir regiones étnicas de manera precisa, los límites únicamente basados en consideraciones geológicas no siempre se adaptan al interés de la geofisiología. Como geofisiólogo prefiero poner mis marcas en el tiempo en que el ambiente se hizo predominantemente oxidante -o para expresarlo más profesionalmente-, en la transición de un ambiente dominado por moléculas dadoras de electrones, como el metano, a uno dominado por aceptadoras de electrones, como el oxígeno. Como suele ocurrir, la incertidumbre acerca de los acontecimientos de hace 2,5 eones es grande y en adelante asumiremos que los registros geológicos y geo- fisiológicos definen el mismo período de la historia de la Tierra.
Para la geofisiología el aspecto importante de la transición del Arcaico al Proterozoico no es la fecha exacta del acontecimiento, sino qué ocurrió exactamente. Es como la pubertad, un cambio fisiológico profundo pero restringido a un tiempo definido. Los indicadores de la pubertad -la aparición de la barba y el agravamiento de la voz, o el crecimiento de los pechos- son secundarios al acontecimiento principal. La aparición de estas características sexuales secundarias es la respuesta a un flujo creciente de hormona pituitaria. Este acontecimiento principal puede localizarse en un tiempo definido, pero las características secundarias se extienden de forma arbitraria en el tiempo. Entre el Arcaico y el Proterozoico, la aparición del oxígeno como gas dominante en la atmósfera fue el acontecimiento principal que marcó un cambio profundo en el estado geofisiologico de la Tierra. El resultado y las manifestaciones secundarias de este cambio -la aparición de una nueva superficie, de una nueva química de la atmósfera y de nuevos ecosistemas- es probable que se haya distribuido durante un intervalo amplio de tiempo, y que ocurriera en diferentes lugares y en diferentes momentos.
Desde el principio del Proterozoico hasta el momento presente ha habido un exceso de oxígeno libre en forma de gas en el aire. Por un exceso quiero decir que la atmósfera ha contenido más oxígeno que el necesario para oxidar de forma completa los gases reductores de vida corta: metano, hidrógeno y amonio. Geofisicamente hablando, cuando empezó el Proterozoico la separación de dos grandes ecosistemas planetarios, las regiones oxidantes de la superficie y los sedimentos anóxicos, era completa. El Arcaico, cuyo ambiente estaba lleno de moléculas dadoras de electrones (esto es, agentes reductores), acabó encapsulado, como una región separada que existe sólo
cuando el oxígeno no está presente. La sumisión de los sistemas anóxicos al dominio de los oxidantes fue algo así como la conquista por los normandos, de los primitivos sajones, que fueron relegados a una posición subordinada -las clases bajas- de la cual, se dice a menudo, no han escapado nunca.
El cambio de anóxico a oxidante fue un paso crucial en la historia de la Tierra. En el modelo del Arcaico del capítulo anterior (figura 4.2) el final del período se perfilaba como muy repentino, con el oxígeno aumentando desde una proporción muy baja, de un 0,1 a un 1 por ciento en no más de un millón de años. Por supuesto ello no es más que una consecuencia de un modelo geofisiológico, el cual considera el cambio de un régimen a otro como un suceso impulsado por una realimentación positiva entre el biota y el medio ambiente.
Creo que la diferencia notable entre el Arcaico y el Proterozoico es la composición de la atmósfera y de los océanos, y posiblemente también el clima. El modelo simple de la figura 4.2 suponía que el ciclo del carbono estaba preservado por los metanógenos que devolvían un flujo masivo de metano y dióxido de carbono al aire desde los sedimentos, y que este estado persistió hasta que, de manera bastante rápida, apareció el oxígeno libre. Probablemente había un poco de oxígeno presente incluso a principios del Arcaico, del mismo modo que hay metano en nuestra atmósfera actual. La diferencia entre el aire arcaico y el aire proterozoico no era una simple cuestión de presencia o ausencia de oxígeno, sino de tendencias netas. En el Proterozoico una bicicleta desechada en aguas someras se hubiera oxidado dando óxido férrico insoluble que se depositaría en el fondo del mar. En el Arcaico se hubiera diluido lentamente en forma de iones ferrosos, solubles en agua, y no hubiera dejado rastro. Durante el tiempo en que el flujo de metano sobrepasaba al de oxígeno, la atmósfera inferior sólo contendría cantidades traza de oxígeno. Los océanos y las rocas de la superficie, ricas en iones ferrosos y sulfuros que atrapaban el oxígeno, habrían ab- sorbido hasta entonces una proporción del aporte de oxígeno de las cianobacterias de manera que el aire habría quedado en un estado netamente anóxico durante la mayor parte del período arcaico.
No sabemos si el oxígeno del aire aumentó de forma rápida; puede haberse incrementado lentamente o en una serie de etapas. También es importante distinguir entre la presencia y el dominio del oxígeno; el dominio en un sentido químico requiere que la proporción de oxígeno sea dos veces superior a la de metano. La razón para creer que el cambio de régimen, el límite entre el Arcaico y el Proterozoico, fue abrupto es la evidencia de que una glaciación importante tuvo lugar hace alrededor de 2,3 eones. Ello puede haber ocurrido como resultado de una caída repentina del metano atmosférico. Este acontecimiento habría venido acompañado por un proceso de enfriamiento porque el metano y sus productos de descomposición son gases de efecto invernadero. También hay razones geofisiológicas que favorecen una transición definida de forma abrupta a un estado oxidante. Una vez que el oxígeno fotosintético empezó a ser dominante en la atmósfera y los océanos, la acción de la luz solar sobre el oxígeno habría producido radicales hidroxilo que oxidan el metano del aire. También habría habido consumidores alimentándose de la materia orgánica antes de que ésta pudiera llegar a los sedimentos anóxicos, lo que habría privado a los metanógenos del material para la producción de sus emanaciones gaseosas. Esta es la receta para una realimentación positiva en contra del metano y en favor del oxígeno. Es probable que estos sucesos ocurrieran en forma brusca en lugar de gradual.
Finalmente hay que tener en cuenta la ecología. Los ecosistemas adaptados al mundo arcaico resistirían al cambio en la medida que evolucionaran junto con el medio ambiente. Sin embargo, su resistencia sería como la de una falla cerrada en una zona de terremotos. Tenderían a resistir el cambio, intentando mantener el statu quo, pero cuando éste sobreviniese sería de lo más repentino y devastador.
La transición al dominio del oxígeno habría quedado registrada en las rocas como la glaciación de Gowganda. Sin embargo, el largo período subsiguiente es uno de los más oscuros de la historia de la Tierra. La teoría de Gaia requiere que también en este período se haya producido una evolución fuertemente acoplada entre los organismos vivos y su medio ambiente natural. A la luz de esta teoría, ¿podemos describir un planeta viviente en el Proterozoico? ¿Qué sistemas reguladores controlaban su funcionamiento?
Cuando los científicos de la Tierra utilizan la palabra «regulación» generalmente piensan en un proceso pasivo en que la entrada y la salida de algún componente o propiedad están en equilibro. Por el contrario, en geofisiología, regulación implica una homeostasis activa, el mantenimiento de una Tierra adecuada para la vida mediante la interacción de ésta con su medio ambiente. Las conjeturas que a continuación se exponen sobre la regulación del clima, el oxígeno, la salinidad y otras propiedades del medio ambiente parten de este contexto geofisiológico, en otras palabras, se consideran como si la Tierra fuese un organismo vivo. No se pretende de ningún modo que esto constituya una teleología, pues no se supone que el biota lleva a cabo una predicción o una planificación en la regulación de la Tierra. Lo que se considera es cómo se puede desarrollar un sistema regulador global a partir de la actividad local de los organismos. No es inverosímil imaginar que alguna bacteria nueva evolucionase en su medio ambiente para conformar un sistema capaz de cambiar la Tierra. Efectivamente, la primera cianobacteria, progenitora del ecosistema que empleaba la energía luminosa para producir materia orgánica y oxígeno, hizo esto.
Si el oxígeno era crucial en la evolución geofisiológica de la atmósfera, el calcio debió ser el elemento determinante en la geofisiología de los océanos y la corteza. El calcio es uno de los elementos alcalinotérreos que ocupan la segunda columna de la famosa tabla periódica de Mendeléiev. Se encuentra después del magnesio y antes del estroncio. Es el tercer ión en abundancia en el agua de mar, después del sodio y el magnesio. Tendemos a pensar en el calcio como un elemento nutritivo porque es un componente estructural esencial de nuestros huesos y dientes. También es crucial en numerosos procesos fisiológicos internos desde la coagulación de la sangre a la división celular. Es esencial para la vida pero, paradójicamente, muy tóxico en su estado iónico. Dentro de nuestras células, una concentración de iones calcio que ex- ceda unas pocas partes por millón es letal, una toxicidad comparable a la del cianuro; sin embargo, los iones de calcio se encuentran en el agua de mar a niveles diez mil veces superiores.
En los capítulos 2 y 3 explicaba el funcionamiento del modelo del mundo de las margaritas en términos del crecimiento competitivo de los organismos cuando una propiedad ambiental se encuentra estrechamente acotada. Demasiado y demasiado poco no son adecuados; hay un estado óptimo entre el calor tórrido y el frío glacial, entre la superabundancia de alimentos y la muerte por hambre. Ello es particularmente cierto en el caso del calcio. Imaginemos una bacteria de los océanos primitivos capaz de convertir los iones de calcio, abundantes y solubles en el agua de su medio interno, en carbonato cálcico insoluble. Esta simple reacción habría reducido de forma efectiva
la concentración dentro de la célula de los iones potencialmente tóxicos, aislando el calcio en una forma insoluble y segura. En caso de que el calcio se encontrara en exceso en los océanos, tal como usualmente ocurre, dicha capacidad hubiera aumentado las oportunidades de supervivencia de este organismo y de su progenie. Estos organismos estarían en ventaja en comparación con organismos que simplemente tolerasen la presencia de calcio en exceso. En la zona fótica del océano abierto, el crecimiento de estos organismos habría dado lugar a la deposición de grandes masas de calcio en el fondo oceánico. La lluvia de «conchas marinas» microscópicas, llamadas frústulos por los biólogos marinos, desde la superficie iluminada a las profundidades actúa como una cinta transportadora. El alimento viaja hacia los consumidores de las zonas inferiores, el océano se limpia y queda transparente, y elementos potencialmente tóxicos como el cadmio se eliminan de las regiones superficiales.
Por otra parte, el dióxido de carbono y el calcio son acarreados y agregados por las comunidades bacterianas para formar las ciudades de rocas planas o en forma de seta denominadas estromatolitos. Como consecuencia de estos procesos, la concentración de iones de calcio en los océanos se habría reducido y la vida habría florecido. La ubicuidad de depósitos de calizas de origen oceánico muestra que esta actividad fue exitosa y su desarrollo continuado. Contrariamente a este punto de vista algunos geólogos piensan que la deposición de calizas fue un proceso inorgánico. No veo cómo se puede distinguir entre la cristalización espontánea de carbonato cálcico sobresaturado en el Arcaico y la nucleación inducida por los organismos. Creo que la nucleación de estados supersaturados y otros estados metaestables en la Naturaleza es un proceso geofisiológico clave y que empezó a producirse en el Arcaico.
Como inventor considero que los inventos verdaderamente buenos tienden a desarrollarse y evolucionar. Sólo los inventos poco útiles consisten en un sólo y único paso. Por ejemplo, el cristal semiconductor simple de los primeros receptores de radio de los años veinte evolucionó, de modo hipertrófico, para convertirse en la abundancia de aparatos de silicio actuales. El proceso de precipitación del carbonato cálcico fue un invento incluso más grande, no solamente conIlevó la regulación del calcio, del dióxido de carbono y del clima sino también la gran ingeniería de las estructuras de carbonato cálcico (los estromatolitos). Más adelante, estos mismos procesos evolucionaron de manera que nuestras células disponen de mecanismos intrincados por los que el calcio se deposita en los huesos y dientes.
Todavía más, la deposición biológica de carbonato cálcico puede haber sido determinante en el ciclo endógeno -el lento movimiento de los elementos desde la superficie y el océano a las rocas de la corteza y de nuevo a la superficie. El geólogo Don Anderson ha planteado que la deposición de piedra caliza en el fondo del océano es un factor clave del movimiento de la corteza terrestre. Según él, en algún tiempo lejano en la historia de la Tierra, se depositó una cantidad de caliza suficiente como para alterar la composición química de las rocas de la corteza del fondo oceánico cerca de los márgenes continentales. Ello dio lugar al suceso denominado por los geólogos transición basalto-ecoglita. Esta transición habría alterado tanto las propiedades físicas de las rocas de la corteza que habría posibilitado que la gran maquinaria del movimiento de placas empezara a girar. Don Anderson comentó en su artículo en Science en 1984:
“La Tierra también es algo aparentemente excepcional porque tiene una tectónica de placas activa. Si el dióxido de carbono presente en la atmósfera de Venus se hubiera